În căutarea eficienței .: 9 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:43

Convertor BUCK pe dimensiunea „DPAK”

De obicei, pentru începători, proiectantul electronic sau un pasionat, avem nevoie de un regulator de tensiune în circuit imprimat sau de o placă de măsurare. Din păcate, prin simplitate, folosim un regulator de tensiune liniar, dar nu sunt total rău, deoarece este important să depinde vreodată de aplicații.

De exemplu, în dispozitivele analogice de precizie (cum ar fi echipamentele de măsurare) utilizează din ce în ce mai bine un regulator de tensiune liniar (pentru a minimiza problemele de zgomot). Dar în dispozitivele electronice de putere, cum ar fi un LED cu lampă sau un pre-regulator pentru etapa regulatoarelor liniare (pentru a îmbunătăți eficiența), este mai bine să folosiți un regulator de tensiune al convertorului DC / DC BUCK ca sursă principală, deoarece aceste dispozitive sunt mai eficiente decât un regulator liniar la ieșiri de curent ridicat sau încărcare puternică.

O altă opțiune care nu este atât de elegantă, dar este rapidă, este să folosiți convertoare DC / DC în module prefabricate și să le adăugați deasupra circuitului nostru imprimat, dar acest lucru face ca placa de circuit să fie mult mai mare.

Soluția pe care o propun pasionatului sau începătorului în electronică folosește un modul convertor DC / DC BUCK, un modul care se montează la suprafață, dar economisește spațiu.

Provizii

• 1 Convertor de comutare Buck 3A --- RT6214.
• 1 inductor 4.7uH / 2.9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 Condensator 0805 22uF / 25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 Condensator 0402 100nF / 50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 Condensator 0402 68pF / 50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 Rezistor 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Rezistor 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

Pasul 1: Selectarea celui mai bun Ridder

Selectarea convertorului DC / DC BUCK

Primul pas pentru proiectarea unui convertor DC / DC Buck este găsirea celei mai bune soluții pentru aplicația noastră. Soluția mai rapidă este utilizarea unui regulator de comutare în loc să folosiți un controler de comutare.

Diferența dintre aceste două opțiuni este prezentată mai jos.

Regulator de comutare

1. De multe ori sunt monolitice.
2. Eficiența este mai bună.
3. Nu suportă curenți de ieșire foarte mari.
4. Sunt mai ușor de stabilizat (necesită doar un circuit RC).
5. Utilizatorul nu a avut nevoie de multe cunoștințe despre convertorul DC / DC pentru a face proiectarea circuitului.
6. Sunt preconfigurate pentru lucrări numai într-o topologie specifică.
7. Prețul final este mai mic.

Afișați mai jos un exemplu redus de un regulator de comutare [Prima imagine din acest pas].

Controler de comutare

1. Necesită o mulțime de componente externe, cum ar fi MOSFET-uri și diode.
2. Acestea sunt mai complexe și utilizatorul are nevoie de mai multe cunoștințe despre convertorul DC / DC pentru a face proiectarea circuitului.
3. Ei pot folosi mai multe topologii.
4. Suportă un curent de ieșire foarte mare.
5. Prețul final este mai mare.

Afișați mai jos un circuit tipic de aplicație al unui controller de comutare [A doua imagine la acest pas]

• Luând în considerare următoarele puncte.

  1. Cost.
  2. Spațiu [puterea de ieșire depinde de aceasta].
  3. Putere de ieșire.
  4. Eficienţă.
  5. Complexitate.

În acest caz, folosesc un Richtek RT6214 [A pentru modul continuu este mai bun pentru sarcina tare, iar opțiunea B că funcționează în modul discontinuu, care este mai bună pentru sarcina ușoară și îmbunătățește eficiența la curenți de ieșire scăzute], care este un DC / DC Buck Converter monolitic [și, prin urmare, nu avem nevoie de componente externe, cum ar fi Power MOSFET-uri și diode Schottky, deoarece convertorul are switch-uri MOSFET integrate și alte MOSFET care funcționează, cum ar fi Diode].

Informații mai detaliate pot fi găsite la următoarele link-uri: Buck_converter_guide, Compararea topologiilor convertorului Buck, Criterii de selecție a convertorului Buck

Pasul 2: Inductorul este cel mai bun aliat al tău în convertorul DC / DC

Înțelegerea inductorului [Analiza fișei tehnice]

Având în vedere spațiul din circuitul meu, folosesc un ECS-MPI4040R4-4R7-R cu un 4.7uH, curent nominal de 2.9A și un curent de saturație de 3.9A și rezistență DC de 67m ohmi.

Curent nominal

Curentul nominal este valoarea curentului în care inductorul nu pierde proprietăți precum inductanța și nu crește semnificativ temperatura mediului ambiant.

Curent de saturație

Curentul de saturație din inductor este valoarea curentului în care inductorul își pierde proprietățile și nu funcționează pentru a stoca energia într-un câmp magnetic.

Mărime vs Rezistență

Comportamentul său normal este că spațiul și rezistența sunt dependente unul de celălalt, deoarece, dacă este nevoie, economisește spațiu, trebuie să economisim spațiu, reducând valoarea AWG în firul magnetic și, dacă vreau să pierd rezistența, ar trebui să incrementez valoarea AWG în firul magnetic.

Frecvența de auto-rezonanță

Frecvența de auto-rezonanță se realizează atunci când frecvența de comutare a anulat inductanța și abia acum există capacitatea parazită. Mulți producători au recomandat menținerea frecvenței de comutare ca inductor timp de cel puțin un deceniu sub frecvența de auto-rezonanță. De exemplu

Frecvența de auto-rezonanță = 10MHz.

comutare f = 1 MHz.

Decade = log [baza 10] (Frecvență de auto-rezonanță / f - comutare)

Deceniu = jurnal [baza 10] (10MHz / 1MHz)

Deceniu = 1

Dacă doriți să aflați mai multe despre inductoare, vă rugăm să verificați următoarele link-uri: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Pasul 3: Inductorul este inima

Selectați inductorul ideal

Inductorul este inima convertoarelor DC / DC, prin urmare este extrem de important să țineți cont de următoarele puncte pentru a obține performanțe bune ale regulatorului de tensiune.

Curentul de ieșire al tensiunii regulatorului, curentului nominal, curentului de saturație și curentului de ondulare

În acest caz, producătorul oferă ecuații pentru calcularea inductorului ideal în funcție de curentul de undă, ieșirea de tensiune, intrarea de tensiune, frecvența de comutare. Ecuația este prezentată mai jos.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-switching x ripple current.

Curent de ondulare = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-switching x L.

IL (vârf) = Iout (Max) + curent de ondulare / 2.

Aplicând ecuația curentului de undă pe inductorul meu [Valorile sunt în pasul anterior], rezultatele vor fi prezentate mai jos.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-Comutare = 500kHz.

L = 4,7 uH.

Iout = 1,5A.

Curent de ondulare ideal = 1,5A * 50%

Curent de ondulare ideal = 0,750A

Curent de ondulare = 5V (9V - 5V) / 9V x 500kHz x 4.7uH

Curent de ondulare = 0,95A *

IL (vârf) = 1,5A + 0,95A / 2

IL (vârf) = 1,975A **

* Se recomandă utilizarea curentului de ondulare aproape de 20% - 50% din curentul de ieșire. Dar aceasta nu este o regulă generală, deoarece depinde de timpul de răspuns al regulatorului de comutare. Când avem nevoie de un răspuns de timp rapid, ar trebui să folosim o inductanță scăzută, deoarece timpul de încărcare pe inductor este scurt și când avem nevoie de un răspuns de timp lent, ar trebui să folosim o inductanță mare, deoarece timpul de încărcare este lung și, cu aceasta, reducem EMI.

** Producătorul recomandat nu depășește curentul maxim de vale care acceptă dispozitivul pentru a menține un interval sigur. În acest caz, curentul maxim al văii este de 4,5A.

Aceste valori pot fi consultate în următorul link: Foaie de date_RT6214, Foaie de date_Inductor

Pasul 4: Viitorul este acum

Utilizați REDEXPERT pentru a selecta cel mai bun inductor pentru convertorul dvs. Buck

REDEXPERT este un instrument excelent atunci când trebuie să știți care este cel mai bun inductor pentru convertorul dvs. Buck, convertor boost, convertor sepic, etc. În acest instrument, putem vedea în grafice creșterea temperaturii față de curent și pierderile de inductanță față de curent în inductor. Are nevoie doar de parametri de intrare simpli, cum se arată mai jos.

• Tensiune de intrare
• tensiunea de ieșire
• ieșire curentă
• frecvența de comutare
• curent de undă

Linkul este următorul: REDEXPERT Simulator

Pasul 5: Nevoia noastră este importantă

Calculul valorilor de ieșire

Este foarte simplu să calculăm tensiunea de ieșire, trebuie doar să definim un divizor de tensiune definit prin următoarea ecuație. Doar avem nevoie de un R1 și definim o ieșire de tensiune.

Vref = 0,8 [RT6214A / BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Afișat mai jos un exemplu folosind un RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5k

Pasul 6: Unealtă excelentă pentru un mare designer de electronice

Folosiți instrumentele producătorului

Am folosit instrumentele de simulare furnizate de Richtek. În acest mediu, puteți vizualiza comportamentul convertorului DC / DC în analiza stării de echilibru, analize tranzitorii, analize de pornire.

Iar rezultatele pot fi consultate în imagini, documente și simulare video.

Pasul 7: Doi sunt mai buni decât unul

Design PCB în Eagle și Fusion 360

Proiectarea PCB este realizată pe Eagle 9.5.6 în colaborare cu Fusion 360 Sincronizez designul 3D cu designul PCB pentru a obține o vizualizare reală a designului circuitului.

Afișat sub punctele importante pentru a crea un PCB în Eagle CAD.

• Crearea bibliotecii.
• Proiectare schematică.
• Proiectare PCB sau proiectare Layout
• Generați vizualizare 2D Real.
• Adăugați un model 3D dispozitivului în proiectarea aspectului.
• Sincronizați PCB-ul Eagle cu Fusion 360.

Notă: Toate punctele importante sunt ilustrate de imagini pe care le găsiți la începutul acestui pas.

Puteți descărca acest circuit din depozitul GitLab:

Pasul 8: o problemă, o singură soluție

Încercați vreodată să luați în considerare toate variabilele

Cel mai simplu nu este niciodată mai bun … Mi-am spus asta atunci când proiectul meu încălzea până la 80 ° C. Da, dacă aveți nevoie de un curent de ieșire relativ mare, nu utilizați regulatoare liniare, deoarece acestea disipă multă putere.

Problema mea … curentul de ieșire. Soluția … folosește un convertor DC / DC pentru a înlocui un regulator de tensiune liniar într-un pachet DPAK.

Pentru că am numit proiectul Buck DPAK

Pasul 9: Concluzie

Convertoarele DC / DC sunt sisteme foarte eficiente pentru reglarea tensiunii la curenți foarte mari, cu toate acestea la curenți mici sunt în general mai puțin eficienți, dar nu mai puțin eficienți decât un regulator liniar.

În zilele noastre este foarte ușor să puteți proiecta un convertor DC / DC datorită faptului că producătorii au facilitat modul în care sunt controlați și utilizați.