Escolhendo o indutor para seu conversor DC/DC 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:

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.

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:

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
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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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