انتخاب سلف برای مبدل باک (LM2596، MP1584): مقدار، جریان و نوع هسته

جواب کوتاه: برای انتخاب سلف مبدل باک، اول اندوکتانس را از راهنمای دیتاشیت همان آی‌سی یا از فرمول L = V_OUT×(V_IN−V_OUT) ÷ (ΔI_L×f_S×V_IN) پیدا کنید. TI در یادداشت کاربردی SLVA477 ریپل جریان ΔI_L را ۲۰ تا ۴۰ درصد جریان خروجی فرض می‌کند. بعد جریان پیک سلف را حساب کنید (I_LOAD + ΔI_L/2). سلفی بخرید که جریان نامی و جریان اشباعش از این عدد بیشتر باشد و مقاومت DC کمی داشته باشد. در مثال طراحی LM2596 با ورودی ۱۲ ولت، خروجی ۵ ولت و بار ۳ آمپر، TI سلف ۳۳µH با جریان ۳٫۵A را انتخاب کرده است. در MP1584 با فرکانس ۵۰۰ کیلوهرتز، فرمول دیتاشیت MPS حدود ۵µH می‌دهد و MPS نمودارهای مشخصه‌ی تراشه را با سلف ۱۰µH گرفته است. ادامه‌ی مقاله همین محاسبه را قدم‌به‌قدم انجام می‌دهد و سلف‌های موجود دسته‌ی سلف ایکانو را با آن می‌سنجد.

این مقاله ادامه‌ی دو مطلب قبلی است: دیود شاتکی در برابر سریع و معمولی (انتخاب دیود همین مدار) و راهنمای انتخاب رگولاتور. اگر هنوز بین رگولاتور خطی و سوئیچینگ مردد هستید، مقایسه‌ی رگولاتور خطی و سوئیچینگ را ببینید. برای ساخت منبع خطی ۵ ولت با 7805 هم مقاله‌ی همراه این پست را بخوانید: ساخت منبع تغذیه‌ی خطی ساده با پل دیود و 7805.

سلف در مبدل باک دقیقاً چه کار می‌کند؟

در مبدل کاهنده (Buck)، سوئیچ داخلی آی‌سی ورودی را با فرکانس ثابت قطع و وصل می‌کند. وقتی سوئیچ وصل است، جریان از ورودی به سلف و بار می‌رود و سلف انرژی ذخیره می‌کند. وقتی سوئیچ قطع است، سلف همان جریان را از راه دیود هرزگرد (یا سوئیچ پایینی در مبدل سنکرون) به بار می‌دهد. دیتاشیت MP1584 همین را می‌گوید: سلف باید جریان ثابت را به بار برساند، در حالی که ولتاژ سوئیچ‌شده به آن اعمال می‌شود.

جریان سلف یک موج مثلثی است که مقدار متوسطش برابر جریان بار است. دامنه‌ی قله‌به‌قله‌ی این مثلث را ریپل جریان سلف (ΔI_L) می‌گویند. TI در دیتاشیت LM2596 دو حالت کار را توضیح می‌دهد:

• حالت پیوسته (CCM): جریان سلف هیچ‌وقت به صفر نمی‌رسد. توان خروجی بیشتر است، جریان پیک سوئیچ و دیود کمتر است و ریپل خروجی معمولاً کمتر است. در عوض سلف بزرگ‌تری لازم دارد.
• حالت ناپیوسته (DCM): در بار کم، پایین مثلث به صفر می‌رسد. TI می‌گوید تقریباً هر طراحی در بار خیلی کم به این حالت می‌رود و این کار عادی است. در این حالت روی پایه‌ی خروجی سوئیچ نوسان کوچکی (Ringing) دیده می‌شود که طبق TI با سلف فریتی بیشتر و با سلف پودر آهن کمتر است.

هرچه اندوکتانس بیشتر باشد ریپل کمتر می‌شود و ریپل ولتاژ خروجی هم پایین می‌آید. ولی به گفته‌ی دیتاشیت MPS، سلف بزرگ‌تر معمولاً ابعاد بیشتر، مقاومت سیم‌پیچ بیشتر یا جریان اشباع کمتری دارد. انتخاب سلف یعنی پیدا کردن تعادل بین این‌ها.

سه عددی که روی هر سلف باید چک کنید

نکته‌ی مهم درباره‌ی صفحه‌ی کالاها: در بیشتر سلف‌های بازار، از جمله سلف‌های بشکه‌ای ایکانو، فقط یک عدد جریان نوشته شده و معلوم نیست جریان حرارتی (Irms) است یا جریان اشباع (Isat). وقتی این دو جدا نیامده‌اند، جریان پیک محاسبه‌شده را با حاشیه زیر همان عدد نگه دارید و بعد از ساخت، دمای سلف را زیر بار کامل لمس یا اندازه‌گیری کنید.

فرمول‌های اصلی انتخاب سلف (TI SLVA477)

یادداشت کاربردی TI با عنوان «محاسبه‌ی پایه‌ی طبقه‌ی قدرت مبدل باک» (SLVA477C) چهار فرمول ساده دارد که برای هر آی‌سی باک کار می‌کند:

1. دیوتی سیکل در بیشترین ورودی: D = V_OUT ÷ (V_IN(max) × η). بازده η را از دیتاشیت بردارید یا TI می‌گوید ۹۰٪ را تخمین بزنید.
2. ریپل جریان با سلف انتخاب‌شده: ΔI_L = (V_IN(max) − V_OUT) × D ÷ (f_S × L). برای f_S، کمترین فرکانس سوئیچینگ دیتاشیت را بگذارید.
3. بیشترین جریان خروجی که آی‌سی می‌دهد: I_MAXOUT = I_LIM(min) − ΔI_L/2. اگر این عدد از نیاز شما کمتر شد، سلف بزرگ‌تر (در محدوده‌ی مجاز دیتاشیت) یا آی‌سی قوی‌تر لازم است.
4. جریان پیک سلف و سوئیچ و دیود: I_SW(max) = ΔI_L/2 + I_OUT(max). جریان نامی سلف باید از این عدد بیشتر باشد.

اگر دیتاشیت آی‌سی محدوده‌ی سلف نداده باشد، TI این تخمین را پیشنهاد می‌کند:

L = V_OUT × (V_IN − V_OUT) ÷ (ΔI_L × f_S × V_IN) با ΔI_L = (۰٫۲ تا ۰٫۴) × I_OUT(max)

به گفته‌ی TI، سلف بزرگ‌تر جریان خروجی قابل‌دسترس را بیشتر می‌کند (چون ریپل کم می‌شود) و سلف کوچک‌تر مدار را جمع‌وجورتر می‌کند. فقط یادتان باشد که جریان نامی سلف همیشه باید از جریان پیک بیشتر باشد.

سلف LM2596 طبق دیتاشیت TI

آی‌سی LM2596S-ADJ (پکیج TO-263) و نسخه‌ی پایه‌دار LM2596T-ADJ (TO-220-5) مبدل باک ۳ آمپری با سوئیچ داخلی هستند. این اعداد از دیتاشیت TI (SNVS124G) برای انتخاب سلف لازم است:

TI برای LM2596 به‌جای فرمول L، نمودار انتخاب سلف (Nomograph) داده است. برای نسخه‌ی قابل تنظیم، اول عدد «ولت‌×میکروثانیه» را حساب می‌کنید:

E×T = (V_IN − V_OUT − V_SAT) × (V_OUT + V_D) ÷ (V_IN − V_SAT + V_D) × (۱۰۰۰ ÷ ۱۵۰ kHz)

در این فرمول، TI مقدار V_SAT را ۱٫۱۶ ولت و افت دیود V_D را ۰٫۵ ولت گرفته است. بعد محل تلاقی E×T و بیشترین جریان بار را روی نمودار پیدا می‌کنید و کد سلف (L15 تا L44) را برمی‌دارید. سه مثالی که خود دیتاشیت حل کرده این‌ها هستند:

TI یک مثال عددی برای ریپل هم آورده است: خروجی ۵ ولت، بار ۲٫۵ آمپر، ورودی ۱۲ ولت (بین ۱۰ تا ۱۶ ولت) و سلف ۳۳µH. ریپل قله‌به‌قله حدود ۶۲۰ میلی‌آمپر است و بین ۵۰۰ میلی‌آمپر (۱۰ ولت) تا ۷۴۰ میلی‌آمپر (۱۶ ولت) تغییر می‌کند. نتیجه‌هایش این است:

• جریان پیک سلف و سوئیچ = ۲٫۵ + ۰٫۶۲/۲ ≈ ۲٫۸۱ آمپر
• کمترین بار قبل از رفتن به حالت ناپیوسته = ۰٫۶۲/۲ = ۰٫۳۱ آمپر
• ریپل ولتاژ خروجی با خازنی که ESR آن ۰٫۱ اهم است = ۰٫۶۲ × ۰٫۱ = ۶۲ میلی‌ولت قله‌به‌قله

طبق TI، ریپل خروجی معمول LM2596 حدود ۰٫۵ تا ۳ درصد ولتاژ خروجی است. اگر ریپل زیر ۲۰ میلی‌ولت لازم دارید، TI یک فیلتر LC کوچک بعد از خروجی پیشنهاد می‌کند. سلف این فیلتر معمولاً ۱ تا ۵ میکروهانری با مقاومت DC کم است.

کدام سلف ایکانو برای LM2596 در ۱۲ به ۵ ولت؟

با فرمول E×T و اعداد بالا، برای ورودی ۱۲ و خروجی ۵ ولت داریم E×T ≈ ۱۸٫۹ V·µs در ۱۵۰ کیلوهرتز. چون حداقل فرکانس در ۲۵ درجه ۱۲۷ کیلوهرتز است، برای محاسبه‌ی محافظه‌کارانه آن را حدود ۲۲٫۳ V·µs می‌گیریم. ریپل از رابطه‌ی پایه‌ی سلف (V = L·di/dt) به دست می‌آید: ΔI_L ≈ E×T ÷ L. بیشترین بار نظری برای هر سلف هم از رابطه‌ی «جریان نامی − ΔI_L/2» به دست می‌آید:

دو نکته درباره‌ی این جدول:

• عدد «بیشترین بار نظری» مرز است، نه نقطه‌ی کار پیشنهادی. چون صفحه‌ی کالا Irms و Isat را جدا نکرده، از مرز فاصله بگیرید.
• TI برای ۱۲ به ۵ ولت و ۳ آمپر، ۳۳µH را از نمودار انتخاب کرده است. سلف بزرگ‌تر ریپل را کم می‌کند، ولی دیتاشیت همه‌ی مقدارهای بیرون از ناحیه‌ی نمودار را برای این نقطه‌ی کار بررسی نکرده است. اگر از جدول TI فاصله گرفتید، پاسخ مدار به تغییر بار و ریپل خروجی را حتماً تست کنید.

اگر نمی‌خواهید مدار باک را از صفر ببندید، ماژول آماده‌ی LM2596S سلف و دیود و خازن را روی برد دارد. نسخه‌ی خروجی ثابت LM2596S-5.0 هم نیاز به تقسیم مقاومتی را حذف می‌کند.

سلف MP1584 طبق دیتاشیت MPS

MP1584 مبدل باک ۳ آمپری با ورودی ۴٫۵ تا ۲۸ ولت است. فرکانس سوئیچینگش با یک مقاومت از پایه‌ی FREQ به زمین بین ۱۰۰ کیلوهرتز تا ۱٫۵ مگاهرتز تنظیم می‌شود. دیتاشیت MPS (Rev. 1.0) این رابطه را می‌دهد: R_freq(kΩ) = ۱۸۰۰۰۰ ÷ f_S(kHz)^۱٫۱. در جدول مشخصات، مقاومت ۱۰۰ کیلواهم فرکانس معمول ۹۰۰ کیلوهرتز می‌دهد. چون فرکانس چند برابر LM2596 است، سلف لازم هم چند برابر کوچک‌تر است.

قانون سرانگشتی خود MPS این است: ریپل قله‌به‌قله‌ی سلف حدود ۳۰ درصد محدودیت جریان سوئیچ باشد و جریان پیک سلف از آن محدودیت بیشتر نشود. فرمول دیتاشیت:

L = V_OUT ÷ (f_S × ΔI_L) × (1 − V_OUT/V_IN) و I_LP = I_LOAD + V_OUT ÷ (2 × f_S × L) × (1 − V_OUT/V_IN)

محدودیت جریان MP1584 در دیتاشیت حداقل ۴٫۰ و معمول ۴٫۷ آمپر است. با عدد حداقل، ΔI_L ≈ ۰٫۳ × ۴٫۰ = ۱٫۲ آمپر می‌شود. برای ۱۲ به ۵ ولت در ۵۰۰ کیلوهرتز:

L ≈ ۵ ÷ (۵۰۰٬۰۰۰ × ۱٫۲) × (۱ − ۵/۱۲) ≈ ۴٫۹ میکروهانری

این حداقل اندوکتانس برای آن ریپل است. MPS نمودارهای مشخصه‌ی ۱۲ به ۵ ولت را با L1 = ۱۰µH و خازن خروجی ۲۲µF گرفته است. جدول پیشنهادی سلف دیتاشیت هم قطعاتی بین ۳٫۳ تا ۲۲ میکروهانری با جریان ۳ تا حدود ۴٫۳ آمپر دارد. با ۱۰µH در ۵۰۰ کیلوهرتز:

سلف‌های ۱۰ میکروهانری موجود که جریانشان برای این جدول کافی است:

• SMD RH127 10µH 5.4A؛ مقاومت DC طبق صفحه‌ی کالا ۰٫۰۲۱۶ اهم، ابعاد ۱۲×۱۲×۷ میلی‌متر
• SMD 2525 10µH؛ طبق صفحه‌ی کالا ۶ آمپر، هسته‌ی پودر کربونیل، مقاومت DC ۰٫۰۸۵ اهم، ابعاد ۶×۶ میلی‌متر (کوچک‌تر ولی با تلفات مسی بیشتر)
• بشکه‌ای 10µH 4A؛ نسخه‌ی پایه‌دار برای بردهای سوراخ‌دار

سلف‌های ۴٫۷ و ۵٫۶ میکروهانری بشکه‌ای فروشگاه (مثل 4.7µH 1A) طبق صفحه‌ی کالا فقط ۱ آمپر هستند و برای بار آمپری MP1584 مناسب نیستند. اگر می‌خواهید در اضافه‌بار یا اتصال کوتاه هم سلف اشباع نشود، سلفی بگیرید که جریانش از محدودیت جریان سوئیچ (۴٫۷ آمپر معمول) بیشتر باشد. در فهرست بالا، RH127 و 2525 این شرط را طبق صفحه‌ی کالا دارند.

ریپل ولتاژ خروجی با خازن سرامیکی هم در دیتاشیت MPS آمده است: ΔV_OUT = V_OUT ÷ (8 × f_S² × L × C2) × (1 − V_OUT/V_IN). با ۱۰µH و ۲۲µF در ۵۰۰ کیلوهرتز، حدود ۷ میلی‌ولت به دست می‌آید. با خازن الکترولیتی یا تانتالیوم، ESR غالب است و فرمول ساده‌شده‌ی MPS این است: ΔV_OUT ≈ V_OUT ÷ (f_S × L) × (1 − V_OUT/V_IN) × R_ESR.

ماژول آماده‌ی MP1584EN ایکانو سلفش را روی برد دارد. صفحه‌ی کالا فرکانس آن را حدود ۱ مگاهرتز و جریان پیوسته‌ی پیشنهادی را تا ۲ آمپر نوشته است. اگر ماژول در جریان بالا داغ می‌شود، اول همین حد ۲ آمپر را رعایت کنید.

نوع هسته: بشکه‌ای، توروئیدی یا SMD؟

TI در دیتاشیت LM2596 انواع سلف را این‌طور مقایسه می‌کند: ارزان‌ترین نوع، سیم پیچیده‌شده روی بوبین یا میله‌ی فریت است (سلف بشکه‌ای یا Drum). در این نوع، شار مغناطیسی کامل داخل هسته نمی‌ماند و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) بیشتری می‌سازد. این شار می‌تواند روی مسیرهای مس اطراف ولتاژ القا کند و حتی روی پراب اسیلوسکوپ هم عدد اشتباه نشان دهد. TI می‌گوید وقتی چند مبدل روی یک برد هستند، به‌خصوص در جریان بالا، باید از سلف با مسیر مغناطیسی بسته مثل توروئید یا E-core استفاده کرد.

جنس هسته هم مهم است. طبق TI، هسته‌ی فریت تلفات هسته‌ی خیلی کمی دارد و در حالت ناپیوسته بیشترین نوسان را نشان می‌دهد. هسته‌ی پودر آهن تلفات بیشتری دارد و همین نوسان را کمتر می‌کند. اگر نوسان اذیت می‌کند، TI یک RC سری موازی با سلف را برای میرا کردنش پیشنهاد داده است.

برای تست اثر شار هسته‌ی باز، TI روش ساده‌ای دارد: سلف را موقتاً چند سانتی‌متر از برد بالا بیاورید. اگر مدار درست کار کرد، شار سلف مشکل‌ساز بوده است. سلف هسته‌بسته بگذارید یا چیدمان برد را عوض کنید. گاهی حتی جهت سیم‌پیچ سلف هم فرق ایجاد می‌کند.

دیود و خازن‌های کنار سلف

سلف خوب بدون دیود و خازن مناسب جواب نمی‌دهد. خلاصه‌ی توصیه‌های دو دیتاشیت:

جزئیات انتخاب دیود و مقایسه‌ی VF و trr در مقاله‌ی دیود شاتکی آمده است. برای خازن‌ها، جریان ریپل مجاز را از صفحه‌ی همان کالا یا دیتاشیت سری‌اش بخوانید. بقیه‌ی خازن‌ها در دسته‌ی خازن الکترولیتی هستند.

نشانه‌های سلف نامناسب و راه رفعشان

برای اندازه‌گیری ولتاژ و جریان در این عیب‌یابی، آموزش کار با مولتی‌متر را ببینید. TI درباره‌ی ریپل یادآوری می‌کند که برای دیدن ریپل واقعی، زمین پراب اسیلوسکوپ باید خیلی کوتاه و درست روی خازن خروجی باشد. سیم زمین بلند پراب خودش نویز می‌سازد.

چک‌لیست ۶ مرحله‌ای انتخاب سلف

1. ورودی بیشینه، خروجی و بیشترین جریان بار را بنویسید.
2. از دیتاشیت آی‌سی، فرکانس (کمترین مقدار)، محدودیت جریان (کمترین مقدار) و جدول یا نمودار سلف را پیدا کنید. اگر برای خواندن جدول‌ها کمک لازم دارید، راهنمای خواندن دیتاشیت را ببینید.
3. اندوکتانس را از جدول دیتاشیت (LM2596) یا فرمول (MP1584 و SLVA477) بردارید.
4. ΔI_L و جریان پیک = I_LOAD + ΔI_L/2 را حساب کنید.
5. سلفی انتخاب کنید که جریان نامی و اشباعش با حاشیه از جریان پیک بیشتر باشد و DCR کمی داشته باشد. کنار مدار حساس، هسته‌ی بسته بگیرید.
6. بعد از ساخت، در بار کامل دمای سلف و آی‌سی و ریپل خروجی را چک کنید.

جای پایه‌ها و نسخه‌های مختلف این رگولاتورها در پین‌اوت رگولاتورها آمده است.

سؤالات متداول

برای LM2596 در ۱۲ به ۵ ولت و ۳ آمپر چه سلفی بگذارم؟

مثال دیتاشیت TI برای همین شرایط سلف ۳۳ میکروهانری با جریان نامی حدود ۳٫۵ آمپر (کد L40) است. از سلف‌های بشکه‌ای موجود ایکانو، ۴۷ یا ۶۸ میکروهانری ۳ آمپر نزدیک‌ترین انتخاب‌اند و حدود ۲٫۷ تا ۲٫۸ آمپر بار را بدون عبور پیک جریان از ۳ آمپر می‌دهند. سلف ۳۳ میکروهانری ۱ آمپری برای این جریان کافی نیست.

جریان اشباع سلف چه فرقی با جریان نامی دارد؟

جریان نامی معمولاً حد گرم شدن سیم‌پیچ (Irms) است و جریان اشباع (Isat) جایی است که اندوکتانس هسته افت می‌کند. در مبدل باک باید هر دو از پیک جریان سلف، یعنی جریان بار به‌اضافه‌ی نصف ریپل، بیشتر باشند. TI در SLVA477 می‌گوید جریان نامی سلف باید همیشه از حداکثر جریان سوئیچ بیشتر باشد. دیتاشیت LM2596 هم هشدار می‌دهد که با اشباع، اندوکتانس سریع افت می‌کند و جریان سوئیچ ناگهان بالا می‌رود.

آیا سلف بزرگ‌تر همیشه بهتر است؟

نه. سلف بزرگ‌تر ریپل جریان را کم می‌کند، ولی معمولاً مقاومت DC و ابعاد بیشتری دارد و پاسخ گذرا را کند می‌کند. برای LM2596 جدول TI بر اساس E×T مقدار مناسب را مشخص می‌کند و برای MP1584 در ۱۲ به ۵ ولت و ۵۰۰ کیلوهرتز، فرمول MPS با ریپل حدود ۳۰ درصد جریان حد سوئیچ حدود ۵ میکروهانری می‌دهد. نمودارهای مشخصه‌ی دیتاشیت هم با سلف ۱۰ میکروهانری گرفته شده‌اند.

سلف MP1584 را می‌شود جای LM2596 گذاشت؟

معمولاً نه. فرکانس MP1584 بین ۱۰۰ کیلوهرتز و ۱٫۵ مگاهرتز تنظیم می‌شود و جدول سلف پیشنهادی MPS از ۳٫۳ تا ۲۲ میکروهانری است. LM2596 در حدود ۱۵۰ کیلوهرتز کار می‌کند و جدول سلف TI برای آن از ۱۵ تا ۳۳۰ میکروهانری است؛ در ۱۲ به ۵ ولت و ۳ آمپر، ۳۳ میکروهانری. سلف کوچک روی LM2596 ریپل و پیک جریان را خیلی بالا می‌برد.

چطور بفهمم سلف مدارم مناسب نیست؟

داغ شدن زیاد سلف یا آی‌سی، افت ولتاژ خروجی زیر بار و رفتن آی‌سی به محدودیت جریان سیکل‌به‌سیکل نشانه‌های رایج‌اند. طبق دیتاشیت LM2596 این‌ها پیامد اشباع سلف یا عبور جریان از حد آن است. جریان پیک را دوباره حساب کنید و سلفی با جریان نامی بیشتر بگذارید.

جمع‌بندی

سلف مبدل باک با اندوکتانس درست، جریان بیشتر از جریان پیک و DCR کم انتخاب می‌شود. برای LM2596، جدول TI را دنبال کنید: در ۱۲ به ۵ ولت و ۳ آمپر سلف ۳۳µH با ۳٫۵ آمپر. از موجودی فعلی ایکانو، سلف بشکه‌ای 47µH 3A برای بار تا حدود ۲٫۵ آمپر و سلف توروئیدی 100µH 6A برای ۳ آمپر کامل مناسب‌اند. برای MP1584، سلف حدود ۱۰µH با جریان بیش از ۴ آمپر (RH127 یا 2525) انتخاب مطمئنی است. اگر مصرف کم است و سادگی مهم‌تر از بازده است، سراغ منبع خطی بروید: ساخت منبع تغذیه‌ی خطی با پل دیود و 7805.

همه‌ی سلف‌ها، رگولاتورها و دیودهای این مقاله را می‌توانید از ایکانو با ارسال به سراسر کشور بخرید. در اصفهان هم امکان تحویل حضوری دارید.

محصولات مرتبط با این مقاله

رگولاتور مدل LM2596S-ADJ پکیج TO-263-5465,400 ریالمشاهده و خریدرگولاتور مدل LM2596T-ADJ پکیج TO-220-5466,700 ریالمشاهده و خریدسلف بشکه‌ای 33uH 1A سایز 10x8190,400 ریالمشاهده و خریدسلف بشکه‌ای 47uH 3A سایز 12x9283,400 ریالمشاهده و خرید

مقاله‌های مرتبط

پکیج‌های SMD: سایزها از 0402 تا 1206، SOT-23، SOT-223، SOIC و لحیم‌کاری دستی28 مهر 1405راه‌اندازی ترایاک با آردوینو و میکروکنترلر: اپتوترایاک، عبور از صفر و اسنابر28 مهر 1405آپ‌امپ برای مبتدی‌ها: LM358 و LM32427 مهر 1405