Pri hľadaní účinnosti .: 9 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

BUCK prevodník na veľkosť „DPAK“

Začiatočníci v oblasti elektroniky alebo nadšenci zvyčajne potrebujú regulátor napätia v plošných spojoch s potlačou alebo nepájivú dosku. Nanešťastie kvôli jednoduchosti používame lineárny regulátor napätia, ale nie sú na tom úplne zle, pretože vždy závisí od aplikácií.

Napríklad v presných analógových zariadeniach (ako sú meracie zariadenia) stále lepšie používa lineárny regulátor napätia (na minimalizáciu problémov so šumom). Ale v zariadeniach výkonovej elektroniky, ako je žiarovka LED alebo predregulátor pre stupeň lineárnych regulátorov (na zvýšenie účinnosti), je lepšie použiť ako hlavné napájanie regulátor napätia meniča DC/DC BUCK, pretože tieto zariadenia majú lepšiu účinnosť ako lineárny regulátor vo vysokých prúdových výstupoch alebo silnom zaťažení.

Ďalšou možnosťou, ktorá nie je taká elegantná, ale je rýchla, je použitie prevodníkov DC / DC v prefabrikovaných moduloch a ich pridanie na vrch nášho plošného spoja, čím sa však doska plošných spojov oveľa zväčší.

Riešenie, ktoré navrhujem pre domácich majstrov alebo pre začiatočníkov v oblasti elektroniky, používa prevodník modulu DC/DC BUCK na modul, ktorý je na povrchovú montáž, ale šetrí miesto.

Zásoby

• 1 Buck prepínací prevodník 3A --- RT6214.
• 1 induktor 4,7uH/2,9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 kondenzátor 0805 22uF/25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 kondenzátor 0402 100nF/50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 kondenzátor 0402 68pF/50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 odpor 0402 7,32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Rezistor 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

Krok 1: Výber najlepšieho jazdca

Výber prevodníka DC/DC BUCK

Prvým krokom k návrhu konvertora DC/DC Buck je nájsť najlepšie riešenie pre našu aplikáciu. Rýchlejšie riešenie je použiť namiesto spínacieho regulátora spínací regulátor.

Rozdiel medzi týmito dvoma možnosťami je uvedený nižšie.

Spínací regulátor

1. Mnohokrát sú monolitické.
2. Účinnosť je lepšia.
3. Nepodporujú veľmi vysoké výstupné prúdy.
4. Ľahšie sa stabilizujú (vyžadujú iba obvod RC).
5. Na konštrukciu obvodu užívateľ nepotreboval veľa znalostí o prevodníku DC/DC.
6. Sú predkonfigurované tak, aby fungovali iba v konkrétnej topológii.
7. Konečná cena je nižšia.

Ukážte nižšie príklad zmenšený prepínacím regulátorom [Prvý obrázok v tomto kroku].

Spínací regulátor

1. Vyžadujú veľa externých komponentov, ako sú MOSFET a diódy.
2. Sú komplexnejšie a užívateľ potrebuje viac znalostí o prevodníku DC/DC na návrh obvodu.
3. Môžu používať viac topológií.
4. Podpora veľmi vysokého výstupného prúdu.
5. Konečná cena je vyššia.

Ukážte nižšie typický aplikačný obvod spínacieho ovládača [Druhý obrázok v tomto kroku]

• Berúc do úvahy nasledujúce body.

  1. Náklady.
  2. Space [Výstupný výkon závisí od toho].
  3. Výkon.
  4. Účinnosť
  5. Zložitosť.

V tomto prípade používam Richtek RT6214 [A pre kontinuálny režim je lepší pre tvrdé zaťaženie a možnosť B, že funguje v prerušovanom režime, ktorý je lepší pre ľahké zaťaženie a zvyšuje účinnosť pri nízkych výstupných prúdoch], čo je jednosmerný prúd /DC Buck Converter monolitický [a preto nepotrebujeme žiadne externé komponenty, ako sú výkonové MOSFETy a diódy Schottky, pretože prevodník má integrované prepínače MOSFET a ďalší MOSFET, ktorý funguje napríklad ako dióda].

Podrobnejšie informácie nájdete na nasledujúcich odkazoch: Buck_converter_guide, Porovnanie topológií Buck Converter, Kritériá výberu Buck Converter

Krok 2: Induktor je váš najlepší spojenec v prevodníku DC/DC

Pochopenie induktora [Analýza technického listu]

Vzhľadom na priestor v mojom obvode používam ECS-MPI4040R4-4R7-R s hodnotou 4,7uH, menovitým prúdom 2,9A a saturačným prúdom 3,9A a odporom DC 67 m ohmov.

Menovitý prúd

Menovitý prúd je hodnota prúdu, pri ktorej induktor nestráca vlastnosti, ako je indukčnosť, a významne nezvyšuje teplotu okolia.

Saturačný prúd

Saturačný prúd v induktore je aktuálna hodnota, pri ktorej induktor stráca svoje vlastnosti a nefunguje na ukladanie energie v magnetickom poli.

Veľkosť vs odpor

Jeho normálne správanie, že priestor a odpor sú na sebe závislé, pretože ak je to potrebné, šetrí miesto, musíme ušetriť miesto znížením hodnoty AWG v magnetickom drôte a ak chcem stratiť odpor, mal by som zvýšiť hodnotu AWG v magnetickom drôte.

Frekvencia vlastnej rezonancie

Samorezonančná frekvencia sa dosiahne, keď spínacia frekvencia zrušila indukčnosť a iba teraz existuje parazitná kapacita. Mnoho výrobcov odporúčalo zachovať spínaciu frekvenciu induktora najmenej o desať rokov pod frekvenciou vlastnej rezonancie. Napríklad

Frekvencia vlastnej rezonancie = 10 MHz.

f-prepínanie = 1 MHz.

Dekáda = log [základ 10] (frekvencia vlastnej rezonancie / f - prepínanie)

Dekáda = log [základ 10] (10 MHz / 1 MHz)

Dekáda = 1

Ak sa chcete dozvedieť viac o induktoroch, skontrolujte nasledujúce odkazy: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Krok 3: Induktor je srdce

Vyberte si ideálny induktor

Induktor je srdcom meničov DC / DC, preto je mimoriadne dôležité mať na pamäti nasledujúce body, aby ste dosiahli dobrý výkon regulátora napätia.

Výstupný prúd napätia regulátora, nominálneho prúdu, saturačného prúdu a zvlneného prúdu

V tomto prípade výrobca poskytuje rovnice na výpočet ideálneho induktora podľa zvlneného prúdu, napäťového výstupu, napäťového vstupu, spínacej frekvencie. Rovnica je uvedená nižšie.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-prepínanie x zvlnený prúd.

Zvlňovací prúd = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-prepínanie x L.

IL (vrchol) = Iout (max) + zvlnený prúd / 2.

Použitím rovnice zvlneného prúdu na mojom induktore [Hodnoty sú v predchádzajúcom kroku] výsledky zobrazia nižšie.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-Prepínanie = 500kHz.

L = 4,7 uH.

Iout = 1,5A.

Ideálny zvlnený prúd = 1,5A * 50%

Ideálny zvlnený prúd = 0,750A

Zvlňovací prúd = 5V (9V - 5V) / 9V x 500kHz x 4,7uH

Zvlňovací prúd = 0,95A*

IL (pík) = 1,5A + 0,95A / 2

IL (vrchol) = 1,975A **

*Odporúča sa použiť zvlnený prúd v blízkosti 20% - 50% výstupného prúdu. Ale to nie je všeobecné pravidlo, pretože to závisí od času odozvy spínacieho regulátora. Keď potrebujeme rýchlu časovú odozvu, mali by sme použiť nízku indukčnosť, pretože doba nabíjania na induktore je krátka a keď potrebujeme pomalú časovú odozvu, mali by sme použiť vysokú indukčnosť, pretože doba nabíjania je dlhá a tým znižujeme EMI.

** Odporúčané výrobcom neprekračuje maximálny údolný prúd, ktorý podporuje zariadenie na udržanie bezpečného dosahu. V tomto prípade je maximálny prúd v údolí 4,5A.

Tieto hodnoty nájdete v nasledujúcom odkaze: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

Krok 4: Budúcnosť je teraz

Na výber najlepšieho induktora pre váš prevodník buck použite REDEXPERT

REDEXPERT je úžasný nástroj, keď potrebujete vedieť, aký je najlepší induktor pre váš prevodník buck, zosilňovač zosilnenia, sepický prevodník atď. Tento nástroj podporuje viac topológií na simuláciu vášho správania induktora, ale tento nástroj podporuje iba čísla dielov od spoločnosti Würth Electronik. V tomto nástroji môžeme v grafoch zobraziť prírastok teploty oproti prúdu a straty indukčnosti proti prúdu v induktore. Potrebuje iba jednoduché vstupné parametre, ako sú uvedené nižšie.

• Vstupné napätie
• výstupné napätie
• prúdový výstup
• spínacia frekvencia
• zvlnený prúd

Odkaz je nasledujúci: Simulátor REDEXPERT

Krok 5: Naša potreba je dôležitá

Výpočet výstupných hodnôt

Výpočet výstupného napätia je veľmi jednoduchý, stačí definovať delič napätia definovaný nasledujúcou rovnicou. Potrebujeme iba R1 a definujeme napäťový výstup.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Nasledujúci príklad zobrazuje použitie RT6214AHGJ6F.

R2 = 10 tis.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5 tis

Krok 6: Skvelý nástroj pre veľkého dizajnéra elektroniky

Používajte nástroje výrobcu

Použil som simulačné nástroje poskytnuté spoločnosťou Richtek. V tomto prostredí si môžete prezrieť správanie prevodníka DC/DC v analýze ustáleného stavu, analýze prechodov a analýze spustenia.

Výsledky je možné prezerať v obrázkoch, dokumentoch a simulácii videa.

Krok 7: Dva sú lepšie ako jeden

Dizajn plošných spojov v Eagle a Fusion 360

Dizajn DPS je vyrobený na Eagle 9.5.6 v spolupráci s Fusion 360 Synchronizujem 3D návrh s návrhom DPS, aby som získal skutočný pohľad na návrh obvodu.

Nižšie sú uvedené dôležité body na vytvorenie DPS v programe Eagle CAD.

• Vytvorenie knižnice.
• Schematický dizajn.
• Dizajn DPS alebo Layout design
• Generujte skutočný 2D pohľad.
• Pridajte 3D model do zariadenia v návrhu rozloženia.
• Synchronizujte dosku Eagle PCB s Fusion 360.

Poznámka: Všetky dôležité body sú ilustrované obrázkami, ktoré nájdete na začiatku tohto kroku.

Tento okruh si môžete stiahnuť do úložiska GitLab:

Krok 8: Jeden problém, jedno riešenie

Skúste niekedy zvážiť všetky premenné

Najjednoduchšie nikdy nie je lepšie … Povedal som si to vtedy, keď sa môj projekt zahrial na 80 ° C. Áno, ak potrebujete relatívne vysoký výstupný prúd, nepoužívajte lineárne regulátory, pretože odvádzajú veľa energie.

Môj problém … výstupný prúd. Riešenie… používa konvertor DC/DC na nahradenie lineárneho regulátora napätia v balení DPAK.

Pretože toto som nazval projekt Buck DPAK

Krok 9: Záver

Meniče DC / DC sú veľmi účinné systémy na reguláciu napätia pri veľmi vysokých prúdoch, pri nízkych prúdoch sú však spravidla menej účinné, ale nie menej účinné ako lineárny regulátor.

V dnešnej dobe je veľmi ľahké navrhnúť prevodník DC / DC vďaka tomu, že výrobcovia uľahčili spôsob ich ovládania a používania.