I jakten på effektivitet .: 9 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:22

BUCK -omformer på "DPAK" -størrelse

Vanligvis, nybegynnere designer elektronisk eller en hobbyist vi trenger en spenningsregulator i kretskort trykt eller et brødbrett. Dessverre, av enkelhet, bruker vi en lineær spenningsregulator, men det er ikke helt ille fordi det alltid er avhengig av applikasjonene.

For eksempel bruker analoge presisjonsenheter (som måleutstyr) stadig bedre en lineær spenningsregulator (for å minimere støyproblemer). Men i kraftelektronikk er enheter som en lampe-LED eller en forhåndsregulator for lineære regulatorer trinn (for å forbedre effektiviteten) bedre å bruke en DC/DC BUCK-omformer spenningsregulator som hovedforsyning fordi disse enhetene er bedre effektivitet enn en lineær regulator i høye strømutganger eller belastning hardt.

Et annet alternativ som ikke er så elegant, men er raskt, er å bruke DC / DC -omformere i prefabrikkerte moduler og bare legge dem til på toppen av vår trykte krets, men dette gjør kretskortet mye større.

Løsningen jeg foreslår for hobbyisten eller elektronikken for nybegynnere bruker en modul DC/DC BUCK -omformer som en modul som er overflatemontert, men sparer plass.

Rekvisita

• 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 Motstand 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Motstand 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

Trinn 1: Velge den beste ridder

Velge DC/DC BUCK -omformeren

Det første trinnet for å designe en DC/DC Buck -omformer er å finne den beste løsningen for applikasjonen vår. Løsningen raskere er å bruke en koblingsregulator i stedet for å bruke en bryterkontroller.

Forskjellen mellom disse to alternativene er vist nedenfor.

Bryter regulator

1. Mange ganger er de monolitiske.
2. Effektiviteten er bedre.
3. De støtter ikke veldig høye utgangsstrømmer.
4. De er lettere å stabilisere (krever bare en krets RC).
5. Brukeren har ikke trengt mye kunnskap om DC/DC -omformeren for å lage kretsdesignet.
6. Er forhåndskonfigurert til å fungere bare i en bestemt topologi.
7. Den endelige prisen er lavere.

Vis et eksempel som er redusert med en koblingsregulator [Det første bildet på dette trinnet].

Bytte kontroller

1. Krever mange eksterne komponenter som MOSFETer og dioder.
2. De er mer komplekse og brukeren trenger mer kunnskap om DC/DC -omformer for å lage kretsutformingen.
3. De kan bruke flere topologier.
4. Støtter en veldig høy utgangsstrøm.
5. Den endelige prisen er høyere.

Vis en typisk applikasjonskrets for en byttekontroller [Det andre bildet på dette trinnet]

• Med tanke på følgende punkter.

  1. Koste.
  2. Plass [Effekten er avhengig av dette].
  3. Utgangseffekt.
  4. Effektivitet.
  5. Kompleksitet.

I dette tilfellet bruker jeg en Richtek RT6214 [A for kontinuerlig modus er bedre for hard belastning, og alternativet B at den fungerer i diskontinuerlig modus som er bedre for lett belastning og forbedrer effektiviteten ved lave utgangsstrømmer] som er en DC /DC Buck Converter monolitisk [og dermed trenger vi ingen eksterne komponenter som Power MOSFETs og dioder Schottky fordi omformeren har integrerte MOSFET -brytere og annen MOSFET som fungerer som Diode].

Mer detaljert informasjon finnes på følgende lenker: Buck_converter_guide, Sammenligning av Buck Converter Topologies, Buck Converter Selection Criteria

Trinn 2: Induktoren er din beste allierte i DC/DC -omformeren

Forstå induktoren [Analyse av datablad]

Med tanke på plassen på kretsen min, bruker jeg en ECS-MPI4040R4-4R7-R med en 4,7uH, nominell strøm på 2,9A, og en metningsstrøm på 3,9A og DC-motstand 67m ohm.

Nominell strøm

Den nominelle strømmen er gjeldende verdi der induktoren ikke mister egenskapene som induktans og ikke signifikant øker omgivelsestemperaturen.

Metningsstrøm

Metningsstrømmen i induktoren er strømverdien der induktoren mister egenskapene og ikke fungerer for å lagre energi i et magnetfelt.

Størrelse kontra motstand

Den normale oppførselen til at plass og motstand er avhengig av hverandre, fordi hvis behov sparer plass, må vi spare plass og redusere AWG -verdien i magnetledningen, og hvis jeg vil miste motstand, bør jeg øke AWG -verdien i magnetledningen.

Selvresonansfrekvens

Selvresonansfrekvensen oppnås når koblingsfrekvensen avbrøt induktansen og først nå eksisterer den parasittiske kapasitansen. Mange produsenter anbefalte å opprettholde byttefrekvensen som en induktor i minst et tiår under selvresonansfrekvensen. For eksempel

Selvresonansfrekvens = 10 MHz.

f-bytte = 1MHz.

Tiår = logg [base 10] (selvresonansfrekvens / f - bytte)

Tiår = logg [base 10] (10MHz / 1MHz)

Tiår = 1

Hvis du vil vite mer om induktorer, vennligst sjekk følgende lenker: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Trinn 3: Induktoren er hjertet

Velg den ideelle induktoren

Induktoren er hjertet til DC / DC -omformere, derfor er det ekstremt viktig å huske på følgende punkter for å oppnå god spenningsregulatorytelse.

Utgangsstrømmen til regulatorspenning, nominell strøm, metningsstrøm og ringstrøm

I dette tilfellet gir produsenten ligninger for å beregne den ideelle induktoren i henhold til ringstrømmen, spenningsutgang, spenningsinngang, koblingsfrekvens. Ligningen er vist nedenfor.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-kobling x ringstrøm.

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

IL (topp) = Iout (maks) + ringstrøm / 2.

Ved å bruke ligningen for krusningsstrøm på min induktor [Verdiene er i forrige trinn], vises resultatene nedenfor.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-bytte = 500kHz.

L = 4,7uH.

Iout = 1,5A.

Ideell ringstrøm = 1,5A * 50%

Ideell ringstrøm = 0,750A

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

Krusningsstrøm = 0,95A*

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

IL (topp) = 1.975A **

*Anbefales å bruke ringstrømmen nær 20% - 50% av utgangsstrømmen. Men dette er ikke en generell regel fordi det avhenger av responstiden til koblingsregulatoren. Når vi trenger en rask tidsrespons, bør vi bruke en lav induktans fordi ladetiden på induktoren er kort, og når vi trenger en langsom respons, bør vi bruke en høy induktans fordi ladetiden er lang og med dette reduserer vi EMI.

** Produsenten anbefalt overstiger ikke maksimal dalstrøm som støtter enheten for å opprettholde et sikkert område. I dette tilfellet er maksimal dalstrøm 4,5A.

Disse verdiene kan konsulteres i følgende lenke: Datablad_RT6214, Datablad_Induktor

Trinn 4: Fremtiden er nå

Bruk REDEXPERT til å velge den beste induktoren for din buck -omformer

REDEXPERT er et flott verktøy når du trenger å vite hva som er den beste induktoren for din buck converter, boost converter, sepic converter, etc. Dette verktøyet støtter flere topologier for å simulere din inductor atferd, men dette verktøyet støtter bare delenumre fra Würth Electronik. I dette verktøyet kan vi se i grafer temperaturøkningen mot strøm og tapene av induktans mot strøm i induktoren. Den trenger bare enkle inndataparametere som vist nedenfor.

• Inngangsspenning
• utgangsspenning
• nåværende utgang
• byttefrekvens
• ringstrøm

Koblingen er den neste: REDEXPERT Simulator

Trinn 5: Vårt behov er viktig

Beregning av utgangsverdier

Det er veldig enkelt å beregne utgangsspenningen, vi trenger bare å definere en spenningsdeler definert av følgende ligning. Bare vi trenger en R1 og definerer en spenningsutgang.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Vist nedenfor et eksempel ved bruk av en RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5k

Trinn 6: Flott verktøy for en flott elektronikkdesigner

Bruk produsentens verktøy

Jeg brukte simuleringsverktøyene fra Richtek. I dette miljøet kan du se oppførselen til DC/DC-omformeren i steady-state analyse, forbigående analyse, oppstartsanalyse.

Og resultatene kan konsulteres i bildene, dokumentene og videosimuleringen.

Trinn 7: To er bedre enn en

PCB -design i Eagle and Fusion 360

PCB -designet er laget på Eagle 9.5.6 i samarbeid med Fusion 360 I synkroniserer 3D -designen med PCB -designet for å få en ekte visning av kretsdesignet.

Vist nedenfor de viktige punktene for å lage et PCB i Eagle CAD.

• Bibliotek opprette.
• Skjematisk design.
• PCB -design eller Layout -design
• Generer ekte 2D -visning.
• Legg til en 3D -modell i enheten i layoutdesign.
• Synkroniser Eagle PCB til Fusion 360.

Merk: Alle de viktige punktene er illustrert med bilder du finner i begynnelsen av dette trinnet.

Du kan laste ned denne kretsen på GitLab-depotet:

Trinn 8: Ett problem, en løsning

Prøv noen gang å vurdere alle variablene

Det enkleste er aldri bedre … Jeg sa det til meg selv da prosjektet varmet opp til 80ºC. Ja, hvis du trenger en relativt høy utgangsstrøm, ikke bruk lineære regulatorer fordi de avleder mye strøm.

Mitt problem … utgangsstrømmen. Løsningen … bruker en DC/DC -omformer for å erstatte en lineær spenningsregulator i en DPAK -pakke.

Fordi dette kalte jeg Buck DPAK -prosjektet

Trinn 9: Konklusjon

DC / DC -omformere er svært effektive systemer for å regulere spenning ved svært høye strømmer, men ved lave strømmer er de generelt mindre effektive, men ikke mindre effektive enn en lineær regulator.

I dag er det veldig enkelt å kunne designe en DC / DC -omformer takket være det faktum at produsentene har lagt til rette for måten de kontrolleres og brukes på.