Escolhendo o indutor para seu conversor DC/DC buck

Confira como escolher o indutor para seu conversor DC/DC buck. O presente texto mostrará os parâmetros mais importantes na definição do conversor buck.
conversor buck

Os indutores são componentes eletrônicos passivos utilizados para armazenar energia elétrica na forma de energia magnética. Quando há fluxo de corrente pelo indutor e este sobe rapidamente, uma força eletromotriz é gerada em direção oposta ao da corrente, buscando evitar este aumento. Os indutores são elementos fundamentais no desenho de conversores DC/DC e atualmente há uma variedade de materiais e fornecedores, o que traz desafios na escolha deste item tão essencial. Para facilitar a escolha, o presente texto mostrará os parâmetros mais importantes na definição do item na topologia conversor redutor (“buck”).

O conversor Buck

O conversor buck é um circuito redutor de tensão que converte uma tensão DC para outra tensão DC mais baixa.

Representação Conversor buck.
Figura 1 – Representação Conversor buck.

Blindagem

Um dos parâmetros mais importantes sobre os indutores é a necessidade ou não de blindagem (shield). Isto está relacionado ao posicionamento e à vizinhança do conversor na PCB. A utilização de indutores blindados traz benefícios como a menor radiação, já que seu fator de acoplamento é menor que as versões não blindadas. Caso haja indutores próximos, o efeito do fluxo de corrente em um dos enrolamentos gera uma interferência no campo do outro, alterando a especificação do circuito. Como exemplo, a tabela fornecida pela Bourns ilustra este efeito. Fatores de acoplamento K mais próximos a 0 % indicam pouca interferência.

Tabela 1. Fator de acoplamento entre indutores: não-blindado, semi-blindado, blindado, blindado de alta corrente

Fator de acoplamento entre indutores.

A escolha da blindagem traz como contrapartida características inerentes no comportamento da indutância em relação à corrente de saturação, que é definida como a corrente DC que causa a queda do valor de indutância entre 10 a 20% do valor nominal, afetando o comportamento dinâmico do circuito. Observando a Figura 1, a linha de indutores da Bourns  SRU blindada tem como característica uma queda acentuada no valor de indutância quando se atinge a corrente de saturação.

Valores de indutância x características de corrente de saturação DC para a linha SRP blindado de alta corrente , SDR não blindado , SRN Semi-blindado, SRU blindados
Figura 2 – Valores de indutância x características de corrente de saturação DC para a linha SRP blindado de alta corrente , SDR não blindado , SRN Semi-blindado, SRU blindados

Valor de Indutância

Uma boa aproximação para a escolha do valor de indutância de saída do conversor:

indutancia de saida do conversor buck
Equação 1
  • Vin = tensão típica de entrada
  • Vout = tensão de saída desejada
  • Fsw= frequência mínima de chaveamento
  • ΔIL  = ripple de corrente estimado no indutor

A equação (1) deve ser avaliada considerando a tensão Vin máxima. O valor da indutância determina o ripple de corrente através do capacitor de saída. Como regra prática pode se considerar o valor da corrente de ripple entre 20-40% da corrente de saída.

ripple de corrente estimado no indutor
Equação 2
  • ΔIL =  ripple de corrente estimado no indutor
  • Iout(max) = corrente máxima para a aplicação

Considera-se para a definição da corrente de pico (Ipk) e consequentemente da corrente mínima de  saturação no indutor:

corrente mínima de saturacao no indutor
Equação 3

Estudo de caso

Como exemplo pode-se considerar o conversor DC/DC L7987L da ST Microelectronics, um conversor abaixador (buck) com tensão de entrada de 4,5 a 61 V, 2 A de corrente de saída e frequência de chaveamento ajustável de saída de 250 kHz a 1,5 MHz, esta última uma funcionalidade interessante já que o valor de indutância é inversamente proporcional a esta grandeza, permitindo a utilização de valores de indutância menores.

Esquema Elétrico L7987L
Figura 3 – Esquema Elétrico L7987L

Exemplo

Tendo como especificação uma fonte DC/DC com Vout = 5 V , Vinmáx = 61 V , Iout = 2 A, Fsw = 500 kHz.

De acordo com a equação (1) e os limites considerados para o ripple da corrente de indutor entre 20-40%, pela equação (2)  (0,4 A – 0,8 A) , o valor de indutância se situa entre 11,4 μH e 22,9 μH. Valores altos de indutância reduzem o ripple, contudo aumentam o tamanho da solução e também afetam o comportamento da fonte com a mudança dinâmica de carga. Pela equação (3) Ipk = 2,4 A.

Considerando estes parâmetros podemos posicionar nossas escolhas nas séries de produtos, como alguns exemplos:

Tabela 2. Opções de fabricantes e famílias

Série

Fabricante

IHLP3232

Vishay

SRR1240

Bourns

B82477

TDK

Tendo como base esta série de produtos pode-se testar diferentes valores de indutância e verificar seu comportamento. Isto permite maior flexibilidade na escolha de fornecedores e componentes.

Referências

  1. The Inductor Handbook: A Comprehensive Guide For Correct Component Selection In All Circuit Applications. Know What To Use When And Where, Autor : Cletus J. Kaiser
  2. L7989L datasheet, consultado em 21/2
  3. Bourns_Inductor_Power_Converter_Applications_WhitePaper, consultado em 21/2

Sou graduado em Engenharia Elétrica pela Unicamp e possuo MBA em Economia de Empresas pela USP. Atuo como Engenheiro de Aplicações. Sou um entusiasta do mundo da eletrônica e da engenharia na indústria brasileira.

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Leandro Soares
Leandro Vilar Soares
31/01/2018 15:15

Uma duvida com relação a corrente de entrada e saída.
No caso de um conversor que reduz a tensão de 12V para 5V e fornece uma corrente de 1A para a carga, a potencia de saída sera de 5W (5V x 1A), sendo assim podemos dizer (no caso hipotético de um conversor sem perdas) que a potencia de entrada sera 5W e a corrente na entrada do conversor sera de aproximadamente 0,42A (5W/12V)?

Bruno Nunes
Bruno Nunes
Reply to  Leandro Vilar Soares
09/03/2018 16:51

sim, o rendimento unitário é irreal . O quociente entre potência de saída e entrada determina o mesmo, e temos perdas obviamente .

Guilherme Lizardo
Guilherme Moreira Lizardo
14/03/2017 08:33

Muito bom o artigo Brunão. Parabéns!

Bruno Nunes
bruno
Reply to  Guilherme Moreira Lizardo
17/03/2017 07:40

Obrigado Guilherme ! espero que seja útil pro pessoal.

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