Design-Tipp So wählen Sie die richtige Speicherinduktivität aus – Teil 1

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Die Auswahl geeigneter Spulen für Schaltregler-Applikationen stellt Entwickler immer wieder vor Herausforderungen. In unserer dreiteiligen Serie geht es um den Rippelstrom und Induktivitätswert, den Nennstom und das Kernmaterial sowie um den Sättigungsstrom.

Für die Berechnung von Speicherinduktivitäten finden sich in der Literatur unterschiedlichste Ansätze. Nachfolgend werden einige wichtige Aspekte beleuchtet. Teil 1 dieses Design-Tipps befasst sich mit dem Rippelstrom und Induktivitätswert, in Teil 2 geht es um den Nennstrom und das Kernmaterial und in Teil 3 um den Sättigungsstrom.

Rippelstrom: Bei der Bestimmung des maximalen AC-Rippelstroms (ΔI) im Verhältnis zum DC-Nennstrom gehen die Empfehlungen weit auseinander. Werte von 0,1⋅ΔI bis zu 0,9⋅ΔI lassen sich finden. Ein geringer Stromrippel ΔI bedeutet, dass bei sonst gleichen Bedingungen der Induktivitätswert höher ausfallen muss, wohingegen bei einem größeren ΔI ein geringerer Induktivitätswert ausreicht.

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Allerdings hat die Amplitudenhöhe des AC-Rippelstroms ΔI eine unmittelbare Auswirkung auf den Stromfluss in den Ein- und Ausgangskondensatoren und somit Einfluss auf die Spannungsrestwelligkeit, sowie die Erwärmung der Kondensatoren. In der Praxis haben sich in den meisten Anwendungen Werte des Stromrippels zwischen 30 und max. 60% des mittleren Spulenstroms I_L,m etabliert. Der prozentuale Rippelstromfaktor wird mit r (z.B. 0,35 entspricht 35%) angegeben.

Für die Bestimmung des benötigten Sättigungsstroms einer Induktivität ergibt sich der maximale fließende Spitzenstrom Î_L zu: Î_L = I_L,m∙(1 + r/2)

Induktivitätswert: Die Speicherinduktivität wird oft einfach anhand der Referenzdesigns der Schaltregler-Datenblätter ausgewählt. Individuell selektierte Speicherinduktivitäten erschließen aber erst das volle Potential eines Schaltreglers.

Wird der Transistor in einem asynchronen Abwärtswandler (Buck Converter) ausgeschaltet, übernimmt die Diode den Stromfluss, wodurch die Spule kurzzeitig zwischen der Versorgungsspannung und Masse liegt.

Ohne die Induktivität entspräche dies einem Kurzschluss am Ausgang. Somit ergibt sich eine minimal nötige Induktivität, welche zusammen mit der Ausgangsspannung den maximalen Stromanstieg definiert.

Das Tastverhältnis D (Duty cycle) der schaltenden Elemente, hier Transistor und Diode, bestimmt die Ausgangsspannung. Unter der Berücksichtigung der Diodenspannung UD lässt sich die optimale Induktivität L_opt gemäß Bild 1 berechnen.

Ein praktikabler Wert für die Berechnung wäre ein Standardwert von 15 µH (Bild 2).

Bauteiltoleranzen und Induktivitätsabfall über den Strom müssen berücksichtigt werden. Um die 13 µH nicht maßgeblich zu unterschreiten ist für die Drossel eine Toleranz von maximal 15% zu empfehlen.

In der Praxis darf der Rippelstrom nicht beliebig klein gewählt werden. Um agil regeln zu können, muß ΔI für eine Stromregelung – eine gewisse Amplitude aufweisen.

Teil 2 beschäftigt sich mit dem Nennstrom und dem Kernmaterial. (kr)

* Christian Koch arbeitet als FAE bei Würth Elektronik eiSos in Waldenburg.

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