Designleitfaden für Abwärtswandler: Induktor, Kondensator und Wirkungsgrad
Wie man einen synchronen Abwärtswandler von Grund auf neu entwirft. Berechnet die Einschaltdauer, den Induktorwert und den Ausgangskondensator und schätzt den Wirkungsgrad anhand von Beispielen aus der Praxis.
Wann sollte man einen Buck Converter im Vergleich zu LDO verwenden
Ein linearer Regler (LDO) ist einfach und leise, leitet jedoch die gesamte überschüssige Spannung als Wärme ab: P = (V_in − V_out) × I_out. Bei 12 V→3,3 V bei 1 A sind das 8,7 W Verlust — ein Kühlkörper ist erforderlich und es werden 73% der Eingangsleistung verschwendet.
Ein Abwärtswandler erreicht einen Wirkungsgrad von 85— 95%, benötigt jedoch einen Induktor, einen Ausgangskonkondensator und entweder einen speziellen Controller oder einen integrierten Leistungs-IC. Der Übergangspunkt, an dem das Geld die Komplexität wert ist:
„MATHBLOCK_0“
Für typische Leiterplattendesigns gilt: Wenn (V_in − V_out) × I_Out > 0,5 W ist, sollte ein Buck in Betracht gezogen werden.
Fundamentale Gleichungen
Arbeitszyklus (kontinuierlicher Leitungsmodus):„MATHBLOCK_1“
Gehen Sie bei Berechnungen im ersten Durchlauf von ω = 0,88 (88% Wirkungsgrad) aus.
Induktorwert für einen bestimmten Ripplestrom (typischerweise 20— 40% von i_OUT):„MATHBLOCK_2“
Ausgangskondensator für eine gegebene Ausgangswelligkeitsspannung:„MATHBLOCK_3“
Dies ist das ideale Minimum. In der Praxis addieren Sie den ESR des Kondensators: ΔV_ESR = ΔI_L × ESR.
Funktioniertes Beispiel: 12 V → 5 V bei 2 A
Gegeben: V_in = 12 V, V_out = 5 V, I_Out = 2 A, f_sw = 400 kHz1. Arbeitszyklus: D = 5/(12 × 0,88) = 0,473 (47,3%)
2. Ripplestrom (30% von I_out): ΔI_L = 0,6 A
3. Induktor: L = 5 × (1 − 0,473)/(0,6 × 400.000) = 11 µH → verwenden Sie den 10-µH-Standard
4. Ausgangskondensator (ΔV = 50 mV): C = 0,6/(8 × 400.000 × 0,05) = 3,75 µF → verwenden Sie 10 µF als Rand
5. Induktorspitzenstrom: i_Peak = 2 + 0,3 = 2,3 A — Wählen Sie einen Induktor mit einer Nennleistung von ≥2,5 A
Auswahl des Induktors
Die wichtigsten technischen Daten:
- Induktivitätswert ± 20% ist in Ordnung; Ferritkerne driften bei Gleichstromvorspannung
- Sättigungsstrom > I_Peak (sättigen Sie niemals den Kern — der Wirkungsgrad sinkt)
- DCR (DC-Widerstand) — niedriger ist besser; P = I²×DCR
- SRF (Eigenresonanzfrequenz) > 2× f_sw
Auswahl des Kondensators
Für Ausgangskonalysatoren wird keramisches X5R oder X7R bevorzugt. Vermeiden Sie Y5V (hoher Kapazitätsverlust im Vergleich zu DC-Vorspannung). Elektrolyt kann parallel zur Erhöhung der Kapazität verwendet werden.
Platzieren Sie bei Eingangskonduktoren einen 10—100 µF großen Verschluss in der Nähe des Konverters sowie 1 µF-Keramik an den IC-Pins. Der vom Eingang abgegebene Schaltstrom ist gepulst — eine schlechte Eingangsentkopplung verursacht Rauschen auf der gesamten Platine.
Effizienzverluste
Wichtigste Verlustmechanismen: 1. Leitungsverlust: I²×R in den FETs und im Induktor-DCR 2. Schaltverlust: P_sw = 0,5 × V_In × I_Out × t_sw × f_sw (proportional zu f_sw) 3. Gate-Ladungsverlust: P_g = Q_g × v_GS × f_sw pro FET 4. Induktorkernverlust: frequenz- und flussabhängig, aus dem Kerndatenblatt
Bei 400 kHz mit typischen Komponenten ist mit einem Wirkungsgrad von 88—92% zu rechnen. Bei 1 MHz steigen die Schaltverluste — der Wirkungsgrad kann auf 83-87% sinken, sofern Sie keine fortschrittlichen FETs verwenden.
Modellieren Sie Ihr Design mit dem [Buck Converter Calculator] (/calculators/power/buck-converter), um die Anforderungen an Einschaltdauer, Induktorgröße und Kondensator zu berechnen, bevor Sie eine Komponente bestellen.