I søgen efter effektivitet .: 9 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:26

BUCK -konverter på "DPAK" -størrelse

Normalt, begyndere designer elektronik eller en hobbyist vi har brug for en spændingsregulator i printkort trykt eller et brødbræt. Desværre af enkelthed bruger vi en lineær spændingsregulator, men der er ikke helt dårlige, fordi det nogensinde er afhængigt af applikationerne er vigtigt.

For eksempel i præcise analoge enheder (som måleudstyr) bruger stadig bedre en lineær spændingsregulator (for at minimere støjproblemer). Men i strømelektronik er enheder som en lampe-LED eller en forregulator til lineære regulatorer trin (for at forbedre effektiviteten) bedre at bruge en DC/DC BUCK-omformer spændingsregulator som hovedforsyning, fordi disse enheder er bedre effektivitet end en lineær regulator i høje strømudgange eller belastning hårdt.

En anden mulighed, der ikke er så elegant, men er hurtig, er at bruge DC / DC -omformere i præfabrikerede moduler og bare tilføje dem oven på vores trykte kredsløb, men dette gør printkortet meget større.

Løsningen, jeg foreslår for hobbymanden eller elektronikbegynderen, bruger et modul DC/DC BUCK -konverter, et modul, der er overflademonteret, men sparer plads.

Forbrugsvarer

• 1 Buck switch-omformer 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 Modstand 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Modstand 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

Trin 1: Valg af den bedste ridder

Valg af DC/DC BUCK -konverter

Det første trin til at designe en DC/DC Buck -konverter er at finde den bedste løsning til vores applikation. Løsningen hurtigere er at bruge en switch -regulator i stedet for at bruge en switch -controller.

Forskellen mellem disse to muligheder er vist nedenfor.

Skifte regulator

1. Mange gange er de monolitiske.
2. Effektiviteten er bedre.
3. De understøtter ikke meget høje outputstrømme.
4. De er lettere at stabilisere (kræver kun et kredsløb RC).
5. Brugeren har ikke haft brug for megen viden om DC/DC -omformeren for at lave kredsløbets design.
6. Er forudkonfigureret til kun at fungere i en bestemt topologi.
7. Den endelige pris er lavere.

Vis nedenfor et eksempel reduceret med en skiftende regulator [Det første billede på dette trin].

Skifte controller

1. Kræver mange eksterne komponenter, såsom MOSFET'er og dioder.
2. De er mere komplekse, og brugeren har brug for mere viden om DC/DC -konverter for at lave kredsløbets design.
3. De kan bruge flere topologier.
4. Understøtter en meget høj udgangsstrøm.
5. Den endelige pris er højere.

Vis nedenfor et typisk applikationskredsløb for en switchende controller [Det andet billede på dette trin]

• I betragtning af følgende punkter.

  1. Koste.
  2. Plads [Effekten er afhængig af dette].
  3. Udgangseffekt.
  4. Effektivitet.
  5. Kompleksitet.

I dette tilfælde bruger jeg en Richtek RT6214 [A til kontinuerlig tilstand er bedre for den hårde belastning, og mulighed B for at den fungerer i den diskontinuerlige tilstand, som er bedre til let belastning og forbedrer effektiviteten ved lave outputstrømme], der er en DC /DC Buck Converter monolitisk [og derfor har vi ikke brug for nogen eksterne komponenter, såsom Power MOSFET'er og dioder Schottky, fordi konverteren har integrerede MOSFET -switches og andre MOSFET'er, der fungerer som diode].

Flere detaljerede oplysninger findes på følgende links: Buck_converter_guide, sammenligning af Buck Converter Topologies, Buck Converter Selection Criteria

Trin 2: Induktoren er din bedste allierede i DC/DC -omformeren

Forståelse af induktoren [Analyse af datablad]

I betragtning af pladsen på mit kredsløb bruger jeg en ECS-MPI4040R4-4R7-R med en 4,7uH, nominel strøm på 2,9A og en mætningsstrøm på 3,9A og DC-modstand 67m ohm.

Nominel strøm

Den nominelle strøm er den aktuelle værdi, hvor induktoren ikke mister egenskaberne såsom induktans og ikke signifikant øger omgivelsestemperaturen.

Mætningsstrøm

Mætningsstrømmen i induktoren er den aktuelle værdi, hvor induktoren mister sine egenskaber og ikke virker til at lagre energi i et magnetfelt.

Størrelse vs modstand

Dens normale adfærd, at plads og modstand er afhængige af hinanden, fordi hvis behov sparer plads, skal vi spare plads, reducere AWG -værdien i magnetwiren, og hvis jeg vil miste modstand, bør jeg øge AWG -værdien i magnetwiren.

Selvresonansfrekvens

Selvresonansfrekvensen opnås, når switchfrekvensen annullerede induktansen og først nu eksisterer den parasitiske kapacitans. Mange producenter anbefalede at opretholde skiftefrekvensen som en induktor i mindst et årti under selvresonansfrekvensen. For eksempel

Selvresonansfrekvens = 10MHz.

f-switch = 1MHz.

Decade = log [base 10] (selvresonansfrekvens / f - skift)

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

Årti = 1

Hvis du vil vide mere om induktorer, skal du kontrollere følgende links: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Trin 3: Induktoren er hjertet

Vælg den ideelle induktor

Induktoren er hjertet i DC / DC -omformere, derfor er det ekstremt vigtigt at huske følgende punkter for at opnå god spændingsregulatorydelse.

Udgangsstrømmen for regulatorspænding, nominel strøm, mætningsstrøm og krusningsstrøm

I dette tilfælde giver producenten ligninger til at beregne den ideelle induktor i henhold til krusningsstrømmen, spændingsudgang, spændingsindgang, koblingsfrekvens. Ligningen er vist nedenfor.

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

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

IL (top) = Iout (Max) + krusningsstrøm / 2.

Anvendelse af ligningen af krusningsstrøm på min induktor [Værdierne er i det foregående trin] resultaterne vises nedenfor.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-Switching = 500kHz.

L = 4,7uH.

Iout = 1,5A.

Ideel krusningsstrøm = 1,5A * 50%

Ideel krusningsstrøm = 0,750A

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

Krusningsstrøm = 0,95A*

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

IL (top) = 1,975A **

*Anbefales at bruge krusningsstrømmen tæt på 20% - 50% af udgangsstrømmen. Men dette er ikke en generel regel, fordi det afhænger af reaktionstiden for switchregulatoren. Når vi har brug for en hurtig tidsrespons, skal vi bruge en lav induktans, fordi opladningstiden på induktoren er kort, og når vi har brug for en langsom reaktion, skal vi bruge en høj induktans, fordi opladningstiden er lang, og med dette reducerer vi EMI.

** Den anbefalede producent overstiger ikke den maksimale dalstrøm, der understøtter enheden for at opretholde et sikkert område. I dette tilfælde er den maksimale dalstrøm 4,5A.

Disse værdier kan findes i følgende link: Datablad_RT6214, Datablad_Induktor

Trin 4: Fremtiden er nu

Brug REDEXPERT til at vælge den bedste induktor til din buck -konverter

REDEXPERT er et fantastisk værktøj, når du skal vide, hvad der er den bedste induktor til din buck -konverter, boost -konverter, sepic converter osv. Dette værktøj understøtter flere topologier for at simulere din induktoradfærd, men dette værktøj understøtter kun varenumre fra Würth Electronik. I dette værktøj kan vi i grafer se temperaturstigning vs strøm og tab af induktans vs strøm i induktoren. Det kræver kun simple inputparametre, som vist herunder.

• Indgangsspænding
• udgangsspænding
• nuværende output
• skiftefrekvens
• krusning strøm

Linket er det næste: REDEXPERT Simulator

Trin 5: Vores behov er vigtigt

Beregning af outputværdier

Det er meget enkelt at beregne udgangsspændingen, vi mangler bare at definere en spændingsdeler, der er defineret af følgende ligning. Kun vi har brug for en R1 og definerer en spændingsudgang.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Vist nedenfor et eksempel ved hjælp af en RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5k

Trin 6: Fantastisk værktøj til en stor elektronikdesigner

Brug producentens værktøjer

Jeg brugte simuleringsværktøjerne fra Richtek. I dette miljø kan du se opførslen af DC/DC-konverteren i steady-state analyse, forbigående analyse, opstartsanalyse.

Og resultaterne kan konsulteres i billeder, dokumenter og videosimulering.

Trin 7: To er bedre end en

PCB -design i Eagle and Fusion 360

PCB -designet er lavet på Eagle 9.5.6 i samarbejde med Fusion 360 Jeg synkroniserer 3D -designet med PCB -designet for at få et reelt billede af kredsløbets design.

Vist nedenfor de vigtige punkter for at oprette et printkort i Eagle CAD.

• Bibliotek oprette.
• Skematisk design.
• PCB -design eller layoutdesign
• Generer ægte 2D -visning.
• Tilføj 3D -model til enheden i layoutdesign.
• Synkroniser Eagle PCB til Fusion 360.

Bemærk: Alle de vigtige punkter illustreres af billeder, som du finder i begyndelsen af dette trin.

Du kan downloade dette kredsløb på GitLab-depot:

Trin 8: Et problem, en løsning

Prøv nogensinde at overveje alle variablerne

Det enkleste er aldrig bedre … det sagde jeg til mig selv, da mit projekt opvarmede op til 80ºC. Ja, hvis du har brug for en relativt høj udgangsstrøm, skal du ikke bruge lineære regulatorer, fordi de spreder meget strøm.

Mit problem … udgangsstrømmen. Løsningen … bruger en DC/DC -omformer til at erstatte en lineær spændingsregulator i en DPAK -pakke.

Fordi dette kaldte jeg Buck DPAK -projektet

Trin 9: Konklusion

DC / DC -omformere er meget effektive systemer til regulering af spænding ved meget høje strømme, men ved lave strømme er de generelt mindre effektive, men ikke mindre effektive end en lineær regulator.

I dag er det meget let at kunne designe en DC / DC -omformer takket være, at producenterne har gjort det lettere at styre og bruge dem.