Calculadora de convertidor buck: ciclo de trabajo, inductor y capacitores
Diseña un convertidor buck DC-DC: ciclo de trabajo, inductor según el rizado, corriente pico, capacitor de salida con su ESR y capacitor de entrada.
Cómo funciona
D = Vsal ÷ (Vent × η) · L = (Vent − Vsal) × D ÷ (f_sw × ΔI_L), con ΔI_L = % de rizado × I_sal · I_pico = I_sal + ΔI_L ÷ 2 · C_sal ≥ ΔI_L ÷ (8 × f_sw × ΔV_sal); ESR ≤ ΔV_sal ÷ ΔI_L · C_ent ≥ I_sal × D(1 − D) ÷ (f_sw × ΔV_ent); I_ent,RMS = I_sal × √(D(1 − D))
Un convertidor buck (reductor) recorta la entrada con un ciclo de trabajo igual a la relación de voltajes y deja que un inductor y un capacitor promedien el resultado. El valor del inductor sale del rizado de corriente que aceptes: más rizado significa un inductor más chico, pero más corriente pico y más trabajo para los capacitores. El capacitor de salida debe almacenar la carga del rizado y, además, su ESR no debe convertir la corriente de rizado en voltaje de rizado; con electrolíticos domina el término de ESR y con cerámicos el de capacitancia. El capacitor de entrada recibe la corriente recortada y se elige tanto por su corriente RMS como por el rizado. Todo se dimensiona con el voltaje de entrada máximo, que es donde el rizado es peor.
Ejemplo resuelto
Gabriel diseña una fuente de 12 V (14 V máximo) a 5 V y 2 A, a 500 kHz, con 30% de rizado y 90% de eficiencia: el ciclo de trabajo es 5 ÷ (12 × 0.9) ≈ 46% (40% a 14 V). El inductor calculado es 11.9 µH, así que usa 12 µH estándar, con 0.60 A de rizado y 2.3 A de pico (saturación ≥ 2.8 A). Para 50 mV de rizado a la salida necesita ≥ 3 µF y ESR menor a 84 mΩ, un par de cerámicos basta, y en la entrada unos 5 µF que soporten 1.0 A RMS.
Preguntas frecuentes
¿Con cuánto rizado de corriente debo diseñar?
Alrededor del 30% de la corriente de salida es el equilibrio clásico. Por debajo de 20% el inductor crece y responde lento a los cambios de carga; por encima de 40% suben las corrientes pico, las pérdidas en el núcleo y el rizado de salida, y el convertidor entra en modo discontinuo con cargas más altas.
¿Por qué el rizado real de salida es mayor que el calculado?
Por la ESR y la ESL del capacitor de salida. Una ESR de 100–300 mΩ en un electrolítico por 0.6 A de rizado da 60–180 mV sin importar la capacitancia; usa polímero de baja ESR o varios cerámicos en paralelo y mantén el lazo del circuito muy compacto, porque las oscilaciones en el nodo de conmutación agregan picos que ninguna fórmula predice.
¿Una frecuencia de conmutación más alta siempre es mejor?
Reduce el inductor y los capacitores en proporción, pero aumenta las pérdidas de conmutación y de manejo de compuerta, la interferencia (EMI) y el costo del controlador. Entre 300 kHz y 1 MHz es lo típico en diseños generales; ve más arriba solo con FET rápidos y un diseño de placa cuidadoso.
¿Cómo se calcula el ciclo de trabajo de un buck?
En un buck ideal es el voltaje de salida entre el de entrada; considerando la eficiencia, D = Vsal ÷ (Vent × η). De 12 V a 5 V con 90% de eficiencia: 5 ÷ 10.8 ≈ 46%.
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