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Power

벅 컨버터 설계 계산기

동기식 벅 (스텝다운) 컨버터 설계: 듀티 사이클, 인덕터 값, 출력 커패시터, 입력 커패시터 및 이론적 효율을 계산합니다.

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공식

D=VoutVin,Lmin=(Vin−Vout)⋅Dfsw⋅ΔILD = \frac{V_{out}}{V_{in}},\quad L_{min} = \frac{(V_{in}-V_{out})\cdot D}{f_{sw}\cdot \Delta I_L}

참고: Erickson & Maksimovic, "Fundamentals of Power Electronics" 3rd ed.

D— 듀티 사이클
Vᵢₙ— 입력 전압 (V)
Vₒᵤₜ— 출력 전압 (V)
fₛw— 스위칭 주파수 (Hz)
ΔIL— 인덕터 전류 리플 (A)

작동 방식

벅 컨버터 계산기는 부하점 조정기, 배터리 충전기 및 내장 전원 공급 장치에 필수적인 스텝다운 DC-DC 변환을 위한 듀티 사이클, 인덕터 값 및 커패시터 요구 사항을 계산합니다.전력 전자 엔지니어, 하드웨어 설계자 및 SMPS 개발자는 이 도구를 사용하여 전압 감소 효율을 90~ 98% 달성합니다.에릭슨과 막시모비치의 '파워 일렉트로닉스의 기초' (제3판) 에 따르면, 동기식 벅 컨버터는 5mΩ Rds (on) 를 나타내는 GaN FET를 적절히 선택하여 500kHz 스위칭 주파수에서 97% 의 효율을 달성합니다.듀티 사이클 D = Vout/Vin은 연속 전도 모드 (CCM) 에서의 전압 변환율을 결정합니다.인덕터 선택은 L = Vout (1-D)/(fsw × ΔIL) 을 따르며, 여기서 TI 애플리케이션 노트 SLVA477 기준에 따라 20-40% 의 피크 투 피크 리플 전류가 표준입니다.출력 커패시터 요구 사항은 대상 리플 전압에 따라 달라집니다. 세라믹 커패시터의 경우 Cout = ΔIL/ (8 × fsw × ΔVout) 이며, ESR이 지배하는 리플에는 ESR < ΔVout/Δil이 필요합니다.최신 통합 컨버터 (TI TPS62840, 60nA 대기 상태) 는 1µA 부하 전류에서도 95% 의 효율을 제공합니다.

계산 예제

최대 부하 3A의 라즈베리 파이 서플라이를 위한 12V ~ 3.3V 벅 컨버터를 설계하십시오.목표 사양: <30 mV output ripple, > 92% 효율, 500kHz 스위칭 주파수.1단계: 듀티 사이클 계산 — D = 3.3/12 = 0.275 (27.5%).2단계: 리플이 30% 인 인덕터를 선택하세요. ΔIL = 0.3 × 3 A = 0.9 A. L = 3.3 × (1-0.275)/(500k × 0.9) = 5.3µH입니다.8.5A의 포화 전류와 함께 표준 4.7µH (뷔르트 744373680047) 를 사용하십시오.3단계: 출력 커패시턴스 계산 — 카운트 = 0.9/ (8 × 500k × 0.03) = 최소 7.5µF.3 × 22µF/10V X5R 세라믹을 사용하십시오 (DC 바이어스 디레이팅 후 45µF에 유효).4단계: 컨트롤러 선택 — 보정 기능이 통합된 TI TPS54360 (입력 60V, 출력 3.5A)5단계: 효율 확인 — 추정치: 전도 손실 = 3² × 0.07Ω = 0.63W, 스위칭 손실 ≈ 0.3W. 총 손실 ≈ 0.93 와트. 효율성 = 9.9W/ (9.9 + 0.93) = 91.4%.

실용적인 팁

  • ✓TI의 '전원 공급 장치 설계 세미나'에 따르면 X5R 또는 X7R 유전체와 함께 세라믹 커패시터를 사용하십시오. Y5V 커패시터는 DC 바이어스에서 80% 의 커패시턴스를 잃고 ± 22% 의 허용 오차를 나타냅니다.
  • ✓확산 스펙트럼 주파수 변조 (SSFM) 를 구현하여 EMI 피크를 10-15dB 줄입니다. TI TPS65281 은 스위칭 주파수를 ± 6% 변경하여 고조파를 분산시킵니다.
  • ✓입력 및 출력 커패시터를 IC 핀의 5mm 이내에 배치하여 기생 인덕턴스를 최소화합니다. 10mm 트레이스에 10nH가 추가되어 50A/µs di/dt에서 500mV 전압 스파이크가 발생합니다.

흔한 실수

  • ✗인덕터 포화 전류 무시 — 2A 정격 10µH 인덕터는 3A 피크 (DC+ 리플) 에서 포화되어 인덕턴스의 80% 가 손실되고 출력 전압 붕괴가 발생합니다.
  • ✗고주파에서 전해 커패시터 사용 — 알루미늄 전해질은 500kHz에서 100-500mΩ ESR을 가지므로 MLCC 세라믹의 경우 10mV 미만인 반면 90-450mV 리플이 발생합니다.
  • ✗입력 커패시터 요구 사항 무시 — 입력 전류는 D x Iload에서 펄스됩니다. 입력 커패시턴스가 부적절하면 입력 리플이 30-50% 증가하여 EMI 요구 사항을 충족하지 못함

자주 묻는 질문

Mohan의 '파워 일렉트로닉스' (제3판) 에 따르면 손실에는 전도 (Irms² × Rds (on)), 일반적으로 최대 부하에서 1-3%, 스위칭 (½ × Vin × Iout × (tr+tf) × fsw), 500kHz에서 1-5%, 게이트 드라이브 (Qg × Vgs × fsw), 0.1-0.5%, 인덕터 DCR (Iout² × DCR), 0.1~ 0.5% 등이 있습니다. 5-2%.GaN FET은 실리콘 MOSFET에 비해 스위칭 손실을 10배 줄임으로써 99% 의 효율성을 달성합니다.
주파수가 높을수록 LC 구성 요소는 더 작아지지만 스위칭 손실은 증가합니다.아날로그 디바이스의 경우 AN-1471 기준: 자동차/고전력 (>10W) 의 경우 100-300kHz, 소비자의 경우 300kHz-1MHz (1-10W), 모바일/소형 설계의 경우 1-3MHz (1W 미만).EMI 요구 사항에는 방송 대역 외부의 주파수 (AM: 530kHz-1.7MHz) 가 필요할 수 있습니다.
예. 멀티페이즈 벅 컨버터는 서버 CPU에 200A 이상의 전력을 공급하는 성능을 필요로 하며 인텔 VR14 사양에는 300A에서 12V ~ 1.0V와 20mV 미만의 부하 과도 응답이 필요합니다.이는 페이즈당 50A의 6-8상을 사용하므로 효율이 92% 에 달합니다.Infineon 애플리케이션 노트에 따르면 위상 간 전류 공유 정확도는 ± 3% 가 매우 중요합니다.
불안정성은 일반적으로 피드백 루프의 불충분한 위상 마진 (<45°) 으로 인해 발생합니다.세라믹 출력 커패시터는 ESR이 낮아 유형 II 보상을 안정화시키는 ESR 0을 제거합니다.해결 방법: 유형 III 보상 (영점 2개 추가) 을 사용하거나, 세라믹 커패시터 (TI TPS62913) 용으로 설계된 컨트롤러를 선택하거나, 출력 커패시터와 직렬로 연결된 10-50mΩ 저항이 있는 소형 ESR을 추가하십시오.
최신 벅 컨트롤러는 정격 전류의 120-150% 로 사이클별 전류 제한을 통합합니다.TI SLVA504 기준에 따라 히컵 모드 보호 기능은 단락 시 평균 전력을 정상 작동의 5% 미만으로 줄여 열 손상을 방지합니다.중요한 애플리케이션의 경우 출력 퓨즈 (고속 블로우, 최대 부하의 125%) 와 입력 역극성 보호 (P-FET 또는 이상적인 다이오드 컨트롤러) 를 추가하십시오.
L = 볼트 × (1-D)/(fw × ΔIL), 여기서 D는 볼트/빈입니다.2A, 300kHz에서 12V → 5V의 경우, 30% 리플을 목표로 하는 경우, D = 0.417, ΔIL = 0.6A. L = 5 × 0.583/ (300k × 0.6) = 16.2 µH를 목표로 합니다.22µH 표준값을 사용하십시오.뷔르트 일렉트로닉 가이드라인에 따라 Isat ≥ Iout + ΔIL/2 = 2.3A이고 Irms 등급 ≥ Iout = 2A의 인덕터를 선택하십시오.
TI SLVA630 당 출력 리플 소스: (1) 인덕터 리플 전류 충전 커패시터 — L을 줄이거나 전력을 늘립니다. (2) 커패시터 ESR — MLCC 세라믹은 전해질의 경우 50-500mΩ ESR에 비해 0.6A 리플 × 100mV 리플을 제공합니다. (3) PCB 레이아웃 — 고전류 루프 유지 (FET-인덕터-커패시터-FET) 2cm² 미만. (4) 출력 커패시턴스 부족 — X5R 세라믹은 정격 DC 전압에서 50% 커패시턴스를 잃습니다.
경부하에서는 고정 손실이 지배적입니다. 게이트 구동 전력 = Qg × Vgs × fsw (예: 20nC × 5V × 500kHz = 50mW), 컨트롤러 대기 전류 (1-5mA × Vin) 및 동기식 FET 바디 다이오드 전도.TI TPS62840 데이터시트에 따르면 펄스 주파수 변조 (PFM) 는 1µA 부하까지 90% 이상의 효율을 유지합니다.PFM을 사용하지 않으면 1% 부하에서의 효율이 50-60% 로 떨어집니다.

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