§ 20

Buck converter: duty cycle and coil current

How large is the ripple current and peak current in the coil in my buck converter?

Answer: A buck converter lowers a DC voltage by turning a transistor on and off quickly. The duty cycle determines the output voltage, and the coil determines how much the current swings up and down. The calculator shows the ripple current and peak current so you can check the coil's saturation current and controller's current limit when troubleshooting or changing a coil.

Formula

Duty cycle: D = U_ud / (U_ind · η)

Rippelstrøm: ΔI_L = (U_ind − U_ud) · D / (f_s · L)

Spidsstrøm i spolen: I_spids = I_ud + ΔI_L / 2

Ripple current of 20-40 % of the output current is the usual design target (TI SLVA477).

Symbols and units in the formula
Symbol	Meaning	Unit
uind	Input voltage	V
uud	Output voltage	V
iud	Output current	A
f_khz	Switching frequency	kHz
l_uh	Coil inductance	µH
eta	Efficiency (estimated)	%
=	Ripple current in coil (peak to peak)	A
=	Duty cycle	%
=	Peak current in coil	A
=	Ripple as percentage of output current	%

Validity and source

Source: Texas Instruments SLVA477: Basic Calculation of a Buck Converter's Power Stage · technical appendix: switch-mode power supply

Does not apply when

Gaelder kontinuerlig drift (strommen i spolen nar aldrig nul). Spolens maetningsstrom skal ligge over spidsstrommen, og kontrollerens stromgraense skal ogsa ligge over den. Tjek altid kontrollerens datablad, som kan have sine egne anbefalinger.

Worked example

The calculator's own default values inserted. The figures are calculated with exactly the formula the tool uses.

Substituted

Input voltage24 V
Output voltage5 V
Output current2 A
Switching frequency500 kHz
Coil inductance10 µH
Efficiency (estimated)90 %

Giver

Ripple current in coil (peak to peak)0.88 A
Duty cycle23.1 %
Peak current in coil2.44 A
Ripple as percentage of output current44 %

Members only

The calculator itself is locked

Create a free user account to unlock all articles, calculators, templates and range — and get access to quizzes and classes. It takes less than a minute: name, email and a password. No payment card.

Create free user →Log in

Want to try something first? See what you can use without an account — the junior zone, the encyclopedia, the videos and more.

Sådan bruger du den

Når en step-down-omformer fløjter, bliver varm eller går i strømbegrænsning, er spolen et af de første steder at kigge. Skal du skifte spolen, eller vil du forstå, hvorfor en anden værdi giver problemer, regner beregneren duty cycle, rippelstrøm og spidsstrøm ud efter TI's grundformler.

Step by step

Indtast ind- og udgangsspænding, udgangsstrømmen og switchfrekvensen fra kontrollerens datablad.
Indtast spolens induktans og en anslået virkningsgrad, fx 90 %.
Duty cyclen er udgangsspændingen delt med indgangsspændingen gange virkningsgraden.
Rippelstrømmen er spændingsforskellen gange duty cyclen, delt med frekvens gange induktans.
Spidsstrømmen er udgangsstrømmen plus halvdelen af ripplen. Den skal ligge under spolens mætningsstrøm og kontrollerens strømgrænse.

Typical errors

At vælge spolen ud fra udgangsstrømmen alene. Det er spidsstrømmen, der skal under mætningsstrømmen.
At regne frekvensen i Hz, når feltet er i kHz.
At bruge en spole med samme induktans, men lavere mætningsstrøm eller højere modstand. Den bliver varm og mister induktans.
At glemme, at ripplen er størst ved den højeste indgangsspænding.

Examples from everyday life

24 V til 5 V på et styreprint

Et styreprint laver 5 V til elektronikken ud af 24 V. Omformeren skifter med 500 kHz, leverer 2 A og har en 10 µH spole.

Input voltage: 24 V
Output voltage: 5 V
Output current: 2 A
Switching frequency: 500 kHz
Coil inductance: 10 µH
Efficiency (estimated): 90 %

It means: Duty cyclen er 23.1 %, og rippelstrømmen er 0.88 A, altså 44 % af udgangsstrømmen. Det er lidt over de 20-40 %, TI anbefaler. Spidsstrømmen i spolen er 2.44 A.

Samme omformer med 15 µH

Du prøver en 15 µH spole i samme størrelse for at få ripplen ned.

Input voltage: 24 V
Output voltage: 5 V
Output current: 2 A
Switching frequency: 500 kHz
Coil inductance: 15 µH
Efficiency (estimated): 90 %

It means: Rippelstrømmen falder til 0.59 A, eller 29 %, midt i det anbefalede område. Spidsstrømmen bliver 2.29 A. Tjek at spolen tåler den uden at gå i mætning.

En forkert reservedel

Efter en reparation går omformeren i strømbegrænsning ved fuld last. Kontrolleren begrænser ved 3 A. Det viser sig, at der er monteret en 4,7 µH spole.

Input voltage: 24 V
Output voltage: 5 V
Output current: 2 A
Switching frequency: 500 kHz
Coil inductance: 4.7 µH
Efficiency (estimated): 90 %

It means: Rippelstrømmen bliver 1.87 A, og spidsstrømmen når 2.94 A. Det er helt oppe ved strømgrænsen på 3 A, så kontrolleren slår fra. Monter den rigtige spole.

Rule of thumb

Halv induktans eller halv switchfrekvens giver dobbelt rippelstrøm.

How to check the answer

Mål spolestrømmen med en strømprobe, eller mål spændingen over en lille shunt. Trekantens højde skal svare til rippelstrømmen.