Guia de design do conversor Buck: indutor, capacitor e eficiência
Como criar um conversor síncrono de dólares do zero. Calcula o ciclo de trabalho, o valor do indutor, o capacitor de saída e estima a eficiência com exemplos trabalhados.
Quando usar um conversor Buck versus LDO
Um regulador linear (LDO) é simples e silencioso, mas dissipa todo o excesso de tensão na forma de calor: P = (V_in − V_out) × I_out. Com 12 V → 3,3 V a 1 A, são 8,7 W perdidos — exigindo um dissipador de calor e desperdiçando 73% da energia de entrada.
Um conversor buck atinge 85— 95% de eficiência, mas requer um indutor, um capacitor de saída e um controlador dedicado ou um IC de alimentação integrado. O ponto de cruzamento em que um dólar vale a pena a complexidade:
“BLOCO MATEMÁTICO_0"
Para designs de PCB típicos: se (V_in − V_out) × I_out > 0.5W, considere um dólar.
Equações fundamentais
Ciclo de trabalho (modo de condução contínua):“BLOCO MATEMÁTICO_1"
Para cálculos de primeira passagem, suponha τ = 0,88 (88% de eficiência).
Valor do indutor para uma determinada corrente de ondulação (normalmente 20— 40% de I_out):“BLOCO MATEMÁTICO_2”
Capacitor de saída para uma determinada tensão de ondulação de saída:“BLOCO MATEMÁTICO_3”
Esse é o mínimo ideal. Na prática, adicione ESR do capacitor: ΔV_ESR = ΔI_L × ESR.
Exemplo resolvido: 12V → 5V a 2A
Fornecido: V_in = 12V, V_out = 5V, I_out = 2A, f_sw = 400 kHz1. Ciclo de trabalho: D = 5/(12 × 0,88) = 0,473 (47,3%)
2. Corrente de ondulação (30% de I_out): ΔI_L = 0,6A
3. Indutor: L = 5 × (1 − 0,473)/(0,6 × 400.000) = 11 µH → use o padrão de 10 µH
4. Capacitor de saída (ΔV = 50 mV): C = 0,6/(8 × 400.000 × 0,05) = 3,75 µF → use 10 µF como margem
5. Corrente de pico do indutor: I_peak = 2 + 0,3 = 2,3A — selecione indutor classificado como ≥2,5A
Seleção de indutores
Especificações principais:
- Valor de indutância ± 20% é bom; núcleos de ferrite derivam com polarização DC
- Corrente de saturação > I_peak (nunca sature o núcleo — a eficiência diminui)
- DCR (resistência DC) — quanto menor, melhor; P = I²×DCR
- SRF (frequência autorressonante) > 2 × f_sw
Seleção de capacitores
Para capacitores de saída, é preferível a cerâmica X5R ou X7R. Evite Y5V (alta perda de capacitância versus polarização DC). O eletrolítico pode ser usado em paralelo para capacitância em massa.
Para capacitores de entrada, coloque uma tampa a granel de 10—100 µF perto do conversor mais 1 µF de cerâmica nos pinos IC. A corrente de comutação retirada da entrada é pulsada - um desacoplamento inadequado da entrada causa ruído em toda a placa.
Perdas de eficiência
Principais mecanismos de perda: 1. Perda de condução: I²×R nos FETs e no indutor DCR 2. Perda de comutação: P_sw = 0,5 × V_in × I_out × t_sw × f_sw (proporcional a f_sw) 3. Perda de carga do portão: P_g = Q_g × V_gs × f_sw por FET 4. Perda do núcleo do indutor: dependente da frequência e do fluxo, a partir da folha de dados do núcleo
A 400 kHz com componentes típicos, espere uma eficiência de 88 a 92%. A 1 MHz, as perdas de comutação aumentam — a eficiência pode cair para 83— 87%, a menos que você use FETs avançados.
Modele seu projeto com a [Calculadora do conversor Buck] (/calculators/power/buck-converter) para calcular o ciclo de trabalho, o tamanho do indutor e os requisitos do capacitor antes de fazer um pedido de componente.