trudyniisiТруды НИИСИSRISA Proceedings2225-73493033-6422НИЦ «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ» - НИИСИ10.25682/NIISI.2025.1.0002trudyniisi-3Research ArticleВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И ИХ ЭЛЕМЕНТЫCOMPUTING SYSTEMS AND THEIR COMPONENTSАнализ параметров силовой схемы импульсного понижающего преобразователя напряжения для питания цифровых СБИСAnalysis of the Parameters of the Power Circuit of a Pulse Step-Down Voltage Converter for Digital VLSI Power SupplyАряшевС. И.AryashevS. I.

Москва

aserg@cs.niisi.ras.ruКиселеваА. А.KiselevaA. A.

Москва

kiseleva@cs.niisi.ras.ruКозловаЕ. П.KozlovaE. P.

Москва

nikolaeva@cs.niisi.ras.ruЛарионовА. В.LarionovA. V.

Москва

alar@cs.niisi.ras.ruОльчевС. И.OlchevS. I.

Москва

olchev@cs.niisi.ras.ruРогаткинЮ. Б.RogatkinY. B.

Москва

ryb@cs.niisi.ras.ruСоловьеваЛ. А.SolovyovaL. A.

Москва

isolov@cs.niisi.ras.ruСысоеваО. В.SysoevaO. V.

Москва

olga@cs.niisi.ras.ruТарасовИ. В.TarasovI. V.

Москва

tarasov@cs.niisi.ras.ruНИЦ «Курчатовский институт» — НИИСИRussian Federation202529092025151МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ: ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ1420Copyright © Аряшев С.И., Киселева А.А., Козлова Е.П., Ларионов А.В., Ольчев С.И., Рогаткин Ю.Б., Соловьева Л.А., Сысоева О.В., Тарасов И.В., 20252025Аряшев С.И., Киселева А.А., Козлова Е.П., Ларионов А.В., Ольчев С.И., Рогаткин Ю.Б., Соловьева Л.А., Сысоева О.В., Тарасов И.В.Aryashev S.I., Kiseleva A.A., Kozlova E.P., Larionov A.V., Olchev S.I., Rogatkin Y.B., Solovyova L.A., Sysoeva O.V., Tarasov I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.t-niisi.ru/jour/article/view/3

Разработка импульсного понижающего преобразователя напряжения начинается с расчёта параметров дросселя и выходного конденсатора. Величина индуктивности дросселя и ёмкости выходного конденсатора зависят от множества характеристик преобразователя, таких, как мощность преобразователя, величины входного и выходного напряжения, допустимый уровень пульсации выходного напряжения, допустимая относительная пульсация выходного тока, частота модуляции. Как правило, характеристики преобразуемого напряжения и мощность преобразователя задаются техническим заданием и не могут быть выбранными разработчиком самостоятельно. Частота же модуляции не относится к параметрам, характеризующим выходное питание преобразователя и может быть выбрана разработчиком на его усмотрение. Величины индуктивности дросселя и ёмкости выходного конденсатора имеют существенную зависимость от выбранной частоты модуляции. Чем выше частота модуляции, тем меньше величина индуктивности и ёмкости выходного конденсатора преобразователя. Это позволяет минимизировать общие физические размеры импульсного преобразователя. Однако при увеличении частоты модуляции увеличиваются потери энергии на силовом ключе и усиливается влияние электромагнитных помех. Выбор частоты модуляции импульсного преобразователя напряжения это всегда поиск компромисса между минимизацией размеров дросселя с выходным конденсатором и снижением КПД преобразователя вместе со снижением помехозащищённости питаемого устройства. В данной статье представлен пример анализа основных параметров силовой схемы преобразователя в широком диапазоне частот модуляции. Эти расчёты помогают разработчику найти оптимальное соотношение частоты модуляции с величинами дросселя и выходного конденсатора, если в соответствии с техническим заданием допускается использование различных частот модуляции. Также представлен пример расчёта зависимости параметров импульсного преобразователя от выходного напряжения и выходной мощности при фиксированной частоте модуляции.

The development of a pulse step-down voltage converter begins with the calculation of the parameters of the inductor and the output capacitor. The value of the inductance of the inductor and the capacitance of the output capacitor depend on many characteristics of the converter, such as the power of the converter, the values of the input and output voltage, the permissible level of output voltage ripple, the permissible relative pulse of the output current, and the modulation frequency. As a rule, the characteristics of the converted voltage and the power of the converter are set by the technical specification and cannot be independently selected by the developer. The modulation frequency is not one of the parameters characterizing the output power of the converter and can be selected by the developer at his discretion. The values of the inductance of the inductor and the capacitance of the output capacitor have a significant dependence on the selected modulation frequency. The higher the modulation frequency, the lower the inductance and capacitance of the output capacitor of the converter. This minimizes the overall physical dimensions of the pulse converter. However, as the modulation frequency increases, energy losses on the power key increase and the effect of electromagnetic interference increases. Choosing the modulation frequency of a pulse voltage converter is always a search for a compromise between minimizing the size of the inductor with the output capacitor and reducing the efficiency of the converter, along with reducing the noise immunity of the powered device. This article provides an example of the analysis of the main parameters of the converter's power circuit in a wide range of modulation frequencies. These calculations help the developer to find the optimal ratio of the modulation frequency with the values of the inductor and the output capacitor, if different modulation frequencies are allowed in accordance with the technical specification. An example of calculating the dependence of the parameters of a pulse converter on the output voltage and output power at a fixed modulation frequency is also presented.

импульсный понижающий преобразователь напряженияbuck-конвертерчастота модуляциицифровые СБИСpulse step-down voltage converterbuck convertermodulation frequencydigital VLSIReferencesА. В. Лукин. Новые направления развития преобразователей постоянного напряжения (по материалам зарубежной печати). «Электропитание», 2011, № 2, 2-4.А. В. Лукин. Новые направления развития преобразователей постоянного напряжения (по материалам зарубежной печати). «Электропитание», 2011, № 2, 2-4.В. Жданкин. Радиационно-стойкие низковольтные DC/DC-преобразователи для распределенных систем электропитания ракетно-космической техники. «Компоненты и технологии», 2011, № 7, 130-136.В. Жданкин. Радиационно-стойкие низковольтные DC/DC-преобразователи для распределенных систем электропитания ракетно-космической техники. «Компоненты и технологии», 2011, № 7, 130-136.К. Мараско. Эффективное применение понижающих преобразователей постоянного тока производства компании Analog Devices. «Компоненты и технологии», 2011, №10, 55 – 58.К. Мараско. Эффективное применение понижающих преобразователей постоянного тока производства компании Analog Devices. «Компоненты и технологии», 2011, №10, 55 – 58.П. Ильин. Проблемы электромагнитной совместимости импульсных источников питания. «Электронные компоненты», 2010, №12, 11-16.П. Ильин. Проблемы электромагнитной совместимости импульсных источников питания. «Электронные компоненты», 2010, №12, 11-16.В. Жданкин. Высокоэффективные радиационно-стойкие DC/DC-преобразователи с низковольтными выходами — оптимальное решение для современных цифровых нагрузок. «Компоненты и технологии», 2011, № 10, 130-136.В. Жданкин. Высокоэффективные радиационно-стойкие DC/DC-преобразователи с низковольтными выходами — оптимальное решение для современных цифровых нагрузок. «Компоненты и технологии», 2011, № 10, 130-136.Д. Шелле, Д. Касторена. Советы по проектированию понижающих преобразователей. «Новости Электроники», 2007, №8, 23-28.Д. Шелле, Д. Касторена. Советы по проектированию понижающих преобразователей. «Новости Электроники», 2007, №8, 23-28.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.