Power Electronics8 de febrero de 20267 min de lectura

Guía de diseño de convertidores Buck: inductor, condensador y eficiencia

Cómo diseñar un conversor sincrónico de divisas desde cero. Calcula el ciclo de trabajo, el valor del inductor, el condensador de salida y estima la eficiencia con ejemplos prácticos.

Cuándo usar un convertidor Buck frente a LDO

Un regulador lineal (LDO) es sencillo y silencioso, pero disipa todo el exceso de tensión en forma de calor: P = (V_in − V_out) × I_out. A 12 V → 3,3 V a 1 A, eso equivale a una pérdida de 8,7 W, lo que requiere un disipador térmico y desperdicia el 73% de la energía de entrada.

Un convertidor Buck logra una eficiencia del 85 al 95%, pero requiere un inductor, un condensador de salida y un controlador dedicado o un circuito integrado de alimentación integrado. El punto de cruce en el que vale la pena gastar un dólar por la complejidad:

V_{in} - V_{out} > \frac{P_{thermal\_budget}}{I_{out}}

Para diseños de PCB típicos: si (V_in − V_out) × I_out > 0,5 W, considere la opción de un dólar.

Ecuaciones fundamentales

Ciclo de trabajo (modo de conducción continua):

D = \frac{V_{out}}{V_{in} \cdot \eta}

Para los cálculos de primera pasada, supongamos que 424 = 0.88 (eficiencia del 88%). Valor del inductor para una corriente de ondulación determinada (normalmente del 20 al 40% de I_out):

L = \frac{V_{out} \cdot (1 - D)}{\Delta I_L \cdot f_{sw}}

Condensador de salida para una tensión de ondulación de salida determinada:

C_{out} = \frac{\Delta I_L}{8 \cdot f_{sw} \cdot \Delta V_{out}}

Este es el mínimo ideal. En la práctica, suma la ESR del condensador: ΔV_ESR = ΔI_L × ESR.

Ejemplo resuelto: 12 V → 5 V a 2 A.

Dado: V_in = 12 V, V_out = 5 V, i_out = 2 A, f_sw = 400 kHz

1. Ciclo de trabajo: D = 5/ (12 × 0,88) = 0,473 (47,3%)

2. Corriente de ondulación (30% de I_out): ΔI_L = 0.6A

3. Inductor: L = 5 × (1 − 0,473)/(0,6 × 400.000) = 11 µH → utilice el estándar de 10 µH

4. Condensador de salida (ΔV = 50 mV): C = 0,6/ (8 × 400.000 × 0,05) = 3,75 µF → utilice 10 µF como margen

5. Corriente máxima del inductor: I_peak = 2 + 0.3 = 2.3 A; seleccione el inductor con una clasificación nominal ≥2.5 A

Selección de inductores

Especificaciones clave:

El valor de inductancia de ± 20% está bien; los núcleos de ferrita se desplazan debido a la polarización de corriente continua
Corriente de saturación > i_PEAK (nunca sature el núcleo; la eficiencia disminuye)
DCR (resistencia a corriente continua) : cuanto más bajo, mejor; P = I²×DCR
SRF (frecuencia de autorresonancia) > 2 × f_sw

Para 10 µH a 2A, las opciones más habituales son un Würth 74437324100 o un TDK SLF12555T-100M4R3.

Selección de condensadores

Para los condensadores de salida, se prefiere el X5R o X7R cerámico. Evite los Y5V (alta pérdida de capacitancia en comparación con la polarización de corriente continua). El electrolítico se puede usar en paralelo para la capacitancia volumétrica.

Para los condensadores de entrada, coloque una tapa gruesa de 10 a 100 µF cerca del convertidor y una cerámica de 1 µF en los pines del circuito integrado. La corriente de conmutación que se extrae de la entrada es pulsada; un desacoplamiento deficiente de la entrada provoca ruido en todos los ámbitos.

Pérdidas de eficiencia

Principales mecanismos de pérdida: 1. Pérdida de conducción: I²×R en los FET y en el inductor DCR 2. Pérdida de conmutación: p_SW = 0.5 × V_in × i_out × t_sw × f_sw (proporcional a f_sw) 3. Pérdida de carga en la puerta: P_g = Q_g × v_GS × f_sw por FET 4. Pérdida del núcleo del inductor: depende de la frecuencia y el flujo, según la hoja de datos del núcleo

A 400 kHz con componentes típicos, se espera una eficiencia del 88 al 92%. A 1 MHz, las pérdidas de conmutación aumentan; la eficiencia puede caer entre un 83 y un 87%, a menos que utilices FET avanzados.

Modele su diseño con la [calculadora Buck Converter] (/calculators/power/buck-converter) para calcular los requisitos del ciclo de trabajo, el tamaño de los inductores y los condensadores antes de realizar un pedido de componentes.

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