Guide de conception du convertisseur Buck : inducteur, condensateur et efficacité
Comment concevoir un convertisseur Buck synchrone à partir de zéro. Calcule le rapport cyclique, la valeur de l'inducteur, le condensateur de sortie et estime l'efficacité à l'aide d'exemples pratiques.
Quand utiliser un convertisseur Buck par rapport au LDO
Un régulateur linéaire (LDO) est simple et silencieux mais dissipe toute surtension sous forme de chaleur : P = (V_in − V_out) × I_out. À 12 V → 3,3 V à 1 A, cela représente une perte de 8,7 W, ce qui nécessite un dissipateur thermique et gaspille 73 % de la puissance d'entrée.
Un convertisseur Buck atteint un rendement de 85 à 95 % mais nécessite un inducteur, un condensateur de sortie et un contrôleur dédié ou un circuit intégré d'alimentation. Le point de croisement où un dollar vaut la complexité :
« MATHBLOCK_0 »
Pour les conceptions de circuits imprimés classiques : si (V_in − V_out) × I_out > 0,5 W, considérez un dollar.
Équations fondamentales
Cycle de fonctionnement (mode de conduction continue) :« MATHBLOCK_1 »
Pour les calculs de premier passage, supposons que η = 0,88 (efficacité de 88 %).
Valeur de l'inducteur pour un courant d'ondulation donné (généralement 20 à 40 % de I_out) :« MATHBLOCK_2 »
Condensateur de sortie pour une tension d'ondulation de sortie donnée :« MATHBLOCK_3 »
C'est le minimum idéal. En pratique, ajoutez l'ESR du condensateur : ΔV_ESR = ΔI_L × ESR.
Exemple de fonctionnement : 12 V → 5 V à 2 A
Étant donné : V_in = 12 V, V_out = 5 V, I_out = 2A, f_sw = 400 kHz1. Cycle d'utilisation : D = 5/(12 × 0,88) = 0,473 (47,3 %)
2. Courant d'ondulation (30 % de l'entrée/sortie) : ΔI_L = 0,6 A
3. Inducteur : L = 5 × (1 − 0,473)/(0,6 × 400 000) = 11 µH → utiliser un étalon de 10 µH
4. Condensateur de sortie (ΔV = 50 mV) : C = 0,6/(8 × 400 000 × 0,05) = 3,75 µF → utilisez 10 µF pour la marge
5. Courant de crête de l'inducteur : I_peak = 2 + 0,3 = 2,3 A — sélectionnez l'inducteur nominal ≥2,5 A
Sélection de l'inducteur
Caractéristiques principales :
- La valeur d'inductance ± 20 % est correcte ; les noyaux de ferrite dérivent avec une polarisation en courant continu
- Courant de saturation > I_peak (ne jamais saturer le cœur, l'efficacité diminue)
- DCR (résistance DC) — plus c'est bas, mieux c'est ; P = I²×DCR
- SRF (fréquence d'auto-résonance) > 2× f_sw
Sélection du condensateur
Pour les condensateurs de sortie, la céramique X5R ou X7R est préférée. Évitez le Y5V (perte de capacité élevée par rapport à la polarisation en courant continu). L'électrolytique peut être utilisé en parallèle pour la capacité globale.
Pour les condensateurs d'entrée, placez un bouchon de 10 à 100 µF près du convertisseur et 1 µF en céramique sur les broches du circuit intégré. Le courant de commutation extrait de l'entrée est pulsé : un mauvais découplage des entrées provoque du bruit partout.
Pertes d'efficacité
Principaux mécanismes de perte : 1. Perte de conduction : I²×R dans les FET et l'inducteur DCR 2. Perte de commutation : P_sw = 0,5 × V_in × I_out × t_sw × f_sw (proportionnel à f_sw) 3. Perte de charge de grille : P_g = Q_g × V_gs × f_sw par FET 4. Perte du noyau de l'inducteur : dépend de la fréquence et du flux, d'après la fiche technique du noyau
À 400 kHz avec des composants typiques, attendez-vous à une efficacité de 88 à 92 %. À 1 MHz, les pertes de commutation augmentent : l'efficacité peut chuter de 83 à 87 %, sauf si vous utilisez des FET avancés.
Modélisez votre conception à l'aide du [Buck Converter Calculator] (/calculators/power/buck-converter) pour calculer le rapport cyclique, la taille de l'inductance et les exigences en matière de condensateurs avant de passer une commande de composants.