I jakten på effektivitet .: 9 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:40

BUCK -omvandlare på "DPAK" -storlek

Vanligtvis, nybörjare designer elektronik eller en hobbyist vi behöver en spänningsregulator i kretskort tryckt eller en brödbräda. Tyvärr, av enkelhet, använder vi en linjär spänningsregulator men det är inte helt dåligt eftersom det alltid är beroende av applikationerna är viktigt.

Till exempel i exakta analoga enheter (som mätutrustning) använder allt bättre en linjär spänningsregulator (för att minimera bullerproblem). Men i kraftelektronik är enheter som en lampa-LED eller en förregulator för linjära regulatorer steg (för att förbättra effektiviteten) bättre att använda en DC/DC BUCK-omvandlare spänningsregulator som huvudförsörjning eftersom dessa enheter är bättre effektivitet än en linjär regulator i höga strömutgångar eller belastning hårt.

Ett annat alternativ som inte är så elegant men är snabbt, är att använda DC / DC -omvandlare i prefabricerade moduler och bara lägga till dem ovanpå vår tryckta krets men detta gör kretskortet mycket större.

Lösningen som jag föreslår för amatören eller elektroniken nybörjare använder en modul DC/DC BUCK -omvandlare som en modul som är ytmonterad men som sparar utrymme.

Tillbehör

• 1 Buckomkopplare 3A --- RT6214.
• 1 Induktor 4.7uH/2.9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 Kondensator 0805 22uF/25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 Kondensator 0402 100nF/50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 kondensator 0402 68pF/50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 Motstånd 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Motstånd 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

Steg 1: Välj den bästa ryttaren

Välja DC/DC BUCK -omvandlare

Det första steget för att designa en DC/DC Buck -omvandlare är att hitta den bästa lösningen för vår applikation. Lösningen snabbare är att använda en omkopplingsregulator istället för att använda en omkopplare.

Skillnaden mellan dessa två alternativ visas nedan.

Kopplingsregulator

1. Många gånger är de monolitiska.
2. Effektiviteten är bättre.
3. De stöder inte särskilt höga utgångsströmmar.
4. De är lättare att stabilisera (kräver endast en krets RC).
5. Användaren har inte behövt mycket kunskap om DC/DC -omvandlaren för att göra kretsdesignen.
6. Är förkonfigurerade att fungera endast i en specifik topologi.
7. Slutpriset är lägre.

Visa nedan ett exempel reducerat med en omkopplingsregulator [Den första bilden på detta steg].

Växelkontroll

1. Kräver många externa komponenter som MOSFET och dioder.
2. De är mer komplexa och användaren behöver mer kunskap om DC/DC -omvandlare för att göra kretsdesignen.
3. De kan använda fler topologier.
4. Stöder en mycket hög utström.
5. Det slutliga priset är högre.

Visa nedan en typisk applikationskrets för en växlingskontroller [Den andra bilden i detta steg]

• Med tanke på följande punkter.

  1. Kosta.
  2. Utrymme [Effekten är beroende av detta].
  3. Uteffekt.
  4. Effektivitet.
  5. Komplexitet.

I det här fallet använder jag en Richtek RT6214 [A för kontinuerligt läge är bättre för hård belastning, och alternativ B att det fungerar i det diskontinuerliga läget som är bättre för lätt belastning och förbättrar effektiviteten vid låga utgångsströmmar] som är en likström /DC Buck Converter monolitisk [och därmed behöver vi inga externa komponenter som Power MOSFETs och dioder Schottky eftersom omvandlaren har integrerade MOSFET -switchar och annan MOSFET som fungerar som Diode].

Mer detaljerad information finns på följande länkar: Buck_converter_guide, Jämförelse av Buck Converter Topologies, Buck Converter Selection Criteria

Steg 2: Induktorn är din bästa allierade i DC/DC -omvandlaren

Förstå induktorn [Analys av datablad]

Med tanke på utrymmet på min krets använder jag en ECS-MPI4040R4-4R7-R med en 4,7uH, nominell ström på 2,9A och en mättnadsström på 3,9A och DC-motstånd 67m ohm.

Nominell ström

Den nominella strömmen är det aktuella värdet där induktorn inte förlorar egenskaperna såsom induktans och inte signifikant ökar omgivningstemperaturen.

Mättnadsström

Mättnadsströmmen i induktorn är det aktuella värdet där induktorn förlorar sina egenskaper och inte fungerar för att lagra energi i ett magnetfält.

Storlek kontra motstånd

Dess normala beteende att utrymme och motstånd är beroende av varandra, för om behovet sparar utrymme måste vi spara utrymme genom att minska AWG -värdet i magnettråden och om jag vill tappa motstånd bör jag öka AWG -värdet i magnettråden.

Självresonansfrekvens

Självresonansfrekvensen uppnås när omkopplingsfrekvensen avbröt induktansen och först nu existerar den parasitiska kapacitansen. Många tillverkare rekommenderade att bibehålla omkopplingsfrekvensen som en induktor i minst ett decennium under självresonansfrekvensen. Till exempel

Självresonansfrekvens = 10 MHz.

f-omkoppling = 1 MHz.

Decade = log [bas 10] (självresonansfrekvens / f - växling)

Decade = log [bas 10] (10MHz / 1MHz)

Decennium = 1

Om du vill veta mer om induktorer, kolla följande länkar: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Steg 3: Induktorn är hjärtat

Välj den ideala induktorn

Induktorn är hjärtat i DC / DC -omvandlare, därför är det oerhört viktigt att ha följande punkter i åtanke för att uppnå god spänningsregulatorprestanda.

Utgångsströmmen för regulatorspänning, nominell ström, mättnadsström och krusningsström

I detta fall tillhandahåller tillverkaren ekvationer för att beräkna den ideala induktorn enligt krusningsströmmen, spänningsutgången, spänningsingången, omkopplingsfrekvensen. Ekvationen visas nedan.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-switch x krusningsström.

Krusningsström = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-växling x L.

IL (topp) = Iout (Max) + krusningsström / 2.

Genom att använda ekvationen för krusningsström på min induktor [Värdena är i föregående steg] visas resultaten nedan.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-omkoppling = 500 kHz.

L = 4,7uH.

Iout = 1,5A.

Idealisk krusningsström = 1,5A * 50%

Idealisk krusningsström = 0,750A

Krusningsström = 5V (9V - 5V) / 9V x 500kHz x 4.7uH

Krusningsström = 0,95A*

IL (topp) = 1,5A + 0,95A / 2

IL (topp) = 1,975A **

*Rekommenderas att använda krusningsströmmen nära 20% - 50% av utströmmen. Men detta är inte en allmän regel eftersom det beror på responstiden för omkopplingsregulatorn. När vi behöver en snabb tidsrespons bör vi använda en låg induktans eftersom laddningstiden på induktorn är kort och när vi behöver en långsam respons bör vi använda en hög induktans eftersom laddningstiden är lång och med detta reducerar vi EMI.

** Tillverkaren som rekommenderas överstiger inte den maximala dalström som stöder enheten för att upprätthålla ett säkert avstånd. I detta fall är den maximala dalströmmen 4,5A.

Dessa värden kan konsulteras i följande länk: Datablad_RT6214, Datablad_Induktor

Steg 4: Framtiden är nu

Använd REDEXPERT för att välja den bästa induktorn för din buck -omvandlare

REDEXPERT är ett bra verktyg när du behöver veta vad som är den bästa induktorn för din buck -omvandlare, boost -omvandlare, sepic -omvandlare etc. Detta verktyg stöder flera topologier för att simulera ditt induktorbeteende, men det här verktyget stöder endast artikelnummer från Würth Electronik. I det här verktyget kan vi i diagram se temperaturökningen mot strömmen och förlusterna av induktans vs ström i induktorn. Den behöver bara enkla inmatningsparametrar som visas nedan.

• Inspänning
• utspänning
• strömutgång
• växlingsfrekvens
• krusning ström

Länken är nästa: REDEXPERT Simulator

Steg 5: Vårt behov är viktigt

Beräkning av utgångsvärden

Det är väldigt enkelt att beräkna utspänningen, vi behöver bara definiera en spänningsdelare som definieras av följande ekvation. Bara vi behöver en R1 och definierar en spänningsutgång.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

Vref = 0,765 [RT6214A/BHRGJ6/8F]

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Visas nedan ett exempel med en RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

R1 = 10k (5 - 0,8) / 0,8.

R1 = 52,5 k

Steg 6: Bra verktyg för en bra elektronikdesigner

Använd tillverkarens verktyg

Jag använde simuleringsverktygen från Richtek. I denna miljö kan du se beteendet hos DC/DC-omvandlaren i steady-state-analys, övergående analys, startanalys.

Och resultaten kan konsulteras i bilder, dokument och videosimulering.

Steg 7: Två är bättre än en

PCB -design i Eagle and Fusion 360

PCB -designen är gjord på Eagle 9.5.6 i samarbete med Fusion 360 Jag synkroniserar 3D -designen med PCB -designen för att få en verklig bild av kretsens design.

Visas nedanför de viktiga punkterna för att skapa ett kretskort i Eagle CAD.

• Skapa bibliotek.
• Schematisk design.
• PCB -design eller layoutdesign
• Skapa verklig 2D -vy.
• Lägg till 3D -modell till enheten i layoutdesign.
• Synkronisera Eagle PCB till Fusion 360.

Obs! Alla viktiga punkter illustreras av bilder som du hittar i början av detta steg.

Du kan ladda ner den här kretsen på GitLab-förvaret:

Steg 8: Ett problem, en lösning

Försök någonsin att överväga alla variabler

Det enklaste är aldrig bättre … Jag sa det till mig själv när mitt projekt värmde upp till 80ºC. Ja, om du behöver en relativt hög utström, använd inte linjära regulatorer eftersom de släpper ut mycket kraft.

Mitt problem … utgångsströmmen. Lösningen … använder en DC/DC -omvandlare för att ersätta en linjär spänningsregulator i ett DPAK -paket.

Därför kallade jag Buck DPAK -projektet

Steg 9: Slutsats

DC / DC -omvandlare är mycket effektiva system för att reglera spänning vid mycket höga strömmar, men vid låga strömmar är de i allmänhet mindre effektiva men inte mindre effektiva än en linjär regulator.

Numera är det väldigt enkelt att kunna designa en DC / DC -omvandlare tack vare att tillverkarna har underlättat hur de styrs och används.