V iskanju učinkovitosti .: 9 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:03

Pretvornik BUCK v velikosti "DPAK"

Običajno za začetnike oblikovalske elektronike ali ljubitelje potrebujemo regulator napetosti na tiskanem vezju ali ploščo. Na žalost poenostavljeno uporabljamo linearni regulator napetosti, vendar ni popolnoma slab, ker je vedno odvisno od uporabe.

Na primer v natančnih analognih napravah (kot je merilna oprema) vedno bolje uporablja linearni regulator napetosti (za zmanjšanje težav s hrupom). Toda v napravah za energetsko elektroniko, kot je LED svetilka, ali predregulator za stopnjo linearnih regulatorjev (za izboljšanje učinkovitosti) je bolje uporabiti regulator napetosti pretvornika DC/DC BUCK kot glavni vir napajanja, ker so te naprave bolj učinkovite kot linearni regulator pri visokotokovnih izhodih ali pri močni obremenitvi.

Druga možnost, ki ni tako elegantna, a hitra, je uporaba pretvornikov DC / DC v montažnih modulih in jih le dodajte na tiskano vezje, vendar je s tem vezje veliko večje.

Rešitev, ki jo predlagam ljubitelju ali začetniku elektronike, uporablja pretvornik DC/DC BUCK modula, ki je modul za površinsko montažo, vendar prihrani prostor.

Zaloge

• 1 Buck preklopni pretvornik 3A --- RT6214.
• 1 Induktor 4,7uH/2,9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 Kondenzator 0805 22uF/25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 Kondenzator 0402 100nF/50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 Kondenzator 0402 68pF/50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 upor 0402 7,32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Upor 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

1. korak: Izbira najboljšega kolesarja

Izbira pretvornika DC/DC BUCK

Prvi korak pri oblikovanju pretvornika DC/DC Buck je najti najboljšo rešitev za našo aplikacijo. Hitrejša rešitev je uporaba stikalnega regulatorja namesto krmilnega stikala.

Razlika med tema dvema možnostma je prikazana spodaj.

Preklopni regulator

1. Velikokrat so monolitni.
2. Učinkovitost je boljša.
3. Ne podpirajo zelo visokih izhodnih tokov.
4. Lažje jih je stabilizirati (potrebujete le vezje RC).
5. Uporabnik za oblikovanje vezja ni potreboval veliko znanja o DC/DC pretvorniku.
6. So vnaprej konfigurirane za delovanje samo v določeni topologiji.
7. Končna cena je nižja.

Spodaj pokažite primer, zmanjšan s preklopnim regulatorjem [prva slika na tem koraku].

Preklopni krmilnik

1. Zahteva veliko zunanjih komponent, kot so MOSFET -i in diode.
2. So bolj zapleteni in uporabnik za oblikovanje vezja potrebuje več znanja o DC/DC pretvorniku.
3. Uporabijo lahko več topologij.
4. Podpira zelo visok izhodni tok.
5. Končna cena je višja.

Spodaj prikaži tipično aplikacijsko vezje stikalnega krmilnika [Druga slika na tem koraku]

• Ob upoštevanju naslednjih točk.

  1. Stroški.
  2. Prostor [Izhodna moč je odvisna od tega].
  3. Izhodna moč.
  4. Učinkovitost.
  5. Kompleksnost.

V tem primeru uporabljam Richtek RT6214 [A za neprekinjeni način je boljši za trdo obremenitev in možnost B, da deluje v prekinjenem načinu, ki je boljši za lahke obremenitve in izboljša učinkovitost pri nizkih izhodnih tokovih], to je enosmerni tok /DC Buck Converter monolitni [in zato ne potrebujemo nobenih zunanjih komponent, kot so napajalni MOSFET -ji in diode Schottky, ker ima pretvornik vgrajena stikala MOSFET in druge MOSFET, ki delujejo, kot je dioda].

Podrobnejše informacije najdete na naslednjih povezavah: Buck_converter_guide, Primerjava topologij pretvornika Buck, Merila za izbiro pretvornika Buck

2. korak: Induktor je vaš najboljši zaveznik v DC/DC pretvorniku

Razumevanje induktorja [analiza podatkovnega lista]

Glede na prostor v mojem vezju uporabljam ECS-MPI4040R4-4R7-R z 4,7 uH, nazivnim tokom 2,9 A in nasičenim tokom 3,9 A in enosmernim uporom 67 m ohmov.

Nazivni tok

Nominalni tok je trenutna vrednost, pri kateri induktor ne izgubi lastnosti, kot je induktivnost, in ne poveča bistveno temperature okolice.

Nasičevalni tok

Tok nasičenja v induktorju je trenutna vrednost, pri kateri induktor izgubi svoje lastnosti in ne deluje pri shranjevanju energije v magnetnem polju.

Velikost proti odpornosti

Njegovo običajno vedenje, da sta prostor in upor odvisna drug od drugega, ker če je potrebno, prihranimo prostor, moramo prihraniti prostor, tako da zmanjšamo vrednost AWG v magnetni žici, in če želim izgubiti upor, moram povečati vrednost AWG v magnetni žici.

Frekvenca samoresonance

Frekvenca samoresonance je dosežena, ko preklopna frekvenca prekliče induktivnost in šele zdaj obstaja parazitska kapacitivnost. Mnogi proizvajalci priporočajo ohranitev preklopne frekvence induktorja vsaj desetletje pod frekvenco samoresonance. Na primer

Frekvenca samoresonance = 10MHz.

f-preklop = 1MHz.

Decade = log [base 10] (frekvenca samoresonance / f - preklop)

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

Desetletje = 1

Če želite izvedeti več o induktorjih, preverite naslednje povezave: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

3. korak: Induktor je srce

Izbira idealnega induktorja

Induktor je srce DC / DC pretvornikov, zato je za doseganje dobrih zmogljivosti regulatorja napetosti izjemno pomembno upoštevati naslednje.

Izhodni tok napetosti regulatorja, nazivni tok, nasičevalni tok in tok valovanja

V tem primeru proizvajalec poda enačbe za izračun idealnega induktorja glede na tok valovanja, izhod napetosti, vhodno napetost, preklopno frekvenco. Enačba je prikazana spodaj.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-preklop x tok valovanja.

Tok valovanja = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-preklop x L.

IL (vrh) = Iout (največ) + tok valovanja / 2.

Z uporabo enačbe valovitega toka na mojem induktorju [Vrednosti so v prejšnjem koraku] so rezultati prikazani spodaj.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-Switching = 500kHz.

L = 4,7 uH.

Izhod = 1,5 A.

Idealen tok valovanja = 1,5A * 50%

Idealni val valovanja = 0,750A

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

Tok valovanja = 0,95A*

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

IL (vrh) = 1,975A **

*Priporoča se uporaba valovnega toka blizu 20% - 50% izhodnega toka. Toda to ni splošno pravilo, ker je odvisno od odzivnega časa stikalnega regulatorja. Ko potrebujemo hiter časovni odziv, moramo uporabiti nizko induktivnost, ker je čas polnjenja na induktorju kratek, in ko potrebujemo počasen časovni odziv, moramo uporabiti visoko induktivnost, ker je čas polnjenja dolg in s tem zmanjšamo EMI.

** Priporočeni proizvajalec ne presega največjega toka doline, ki podpira napravo za vzdrževanje varnega dosega. V tem primeru je največji tok v dolini 4,5A.

Te vrednosti so na voljo na naslednji povezavi: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

4. korak: Prihodnost je zdaj

Z REDEXPERT izberite najboljši induktor za pretvornik dolarjev

REDEXPERT je odlično orodje, ko morate vedeti, kateri je najboljši induktor za vaš pretvornik denarja, pretvornik povečanja, pretvornik sepic itd. To orodje podpira več topologij za simulacijo vašega vedenja induktorja, vendar to orodje podpira samo številke delov podjetja Würth Electronik. V tem orodju lahko v grafih prikažemo temperaturni prirastek v primerjavi s tokom in izgube induktivnosti v primerjavi s tokom v induktorju. Potrebuje le preproste vhodne parametre, kot je prikazano spodaj.

• Vhodna napetost
• izhodna napetost
• trenutni izhod
• preklopna frekvenca
• valovit tok

Povezava je naslednja: REDEXPERT Simulator

5. korak: Naša potreba je pomembna

Izračun izhodnih vrednosti

Izračun izhodne napetosti je zelo preprost, le določiti moramo delilnik napetosti, opredeljen z naslednjo enačbo. Potrebujemo le R1 in definiramo izhod napetosti.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Spodaj je prikazan primer uporabe RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5 k

Korak 6: Odlično orodje za velikega oblikovalca elektronike

Uporabite orodja proizvajalca

Uporabil sem simulacijska orodja podjetja Richtek. V tem okolju si lahko ogledate vedenje DC/DC pretvornika v analizi dinamičnega ravnovesja, prehodni analizi in analizi ob zagonu.

Rezultate si lahko ogledate v slikah, dokumentih in video simulaciji.

7. korak: Dva sta boljša od enega

Oblikovanje tiskanih vezij v Eagle in Fusion 360

Zasnova tiskanega vezja je izdelana na Eagle 9.5.6 v sodelovanju s Fusion 360. Sinhroniziram 3D oblikovanje z zasnovo tiskanega vezja, da dobim resničen pogled na zasnovo vezja.

Spodaj so prikazane pomembne točke za ustvarjanje tiskanega vezja v Eagle CAD.

• Ustvarjanje knjižnice.
• Shema zasnove.
• Zasnova PCB ali postavitev
• Ustvarite pravi 2D pogled.
• Načrtujte postavitev 3D modela napravi.
• Sinhronizirajte Eagle PCB s Fusion 360.

Opomba: Vse pomembne točke so prikazane s slikami, ki jih najdete na začetku tega koraka.

To vezje lahko prenesete v skladišče GitLab:

Korak 8: En problem, ena rešitev

Poskusite upoštevati vse spremenljivke

Najenostavnejše ni nikoli bolje … To sem si rekel, ko se je moj projekt ogreval do 80 ° C. Da, če potrebujete relativno visok izhodni tok, ne uporabljajte linearnih regulatorjev, ker odvajajo veliko energije.

Moj problem … izhodni tok. Rešitev… uporablja pretvornik DC/DC za zamenjavo linearnega regulatorja napetosti v paketu DPAK.

Ker sem temu rekel projekt Buck DPAK

9. korak: Zaključek

DC / DC pretvorniki so zelo učinkoviti sistemi za regulacijo napetosti pri zelo visokih tokovih, vendar so pri nizkih tokovih na splošno manj učinkoviti, vendar ne manj učinkoviti kot linearni regulator.

Danes je zelo enostavno oblikovati DC / DC pretvornik zaradi dejstva, da so proizvajalci olajšali način njihovega upravljanja in uporabe.