U potrazi za efikasnošću .: 9 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:05

BUCK pretvarač na veličini "DPAK"

Obično, za početnike, dizajnere elektronike ili hobiste, potreban nam je regulator napona na štampanoj ploči ili matična ploča. Nažalost, zbog jednostavnosti, koristimo linearni regulator napona, ali oni nisu potpuno loši jer je ovisno o aplikaciji važno.

Na primjer, u preciznim analognim uređajima (poput mjerne opreme) sve bolje koristi linearni regulator napona (za smanjenje problema sa šumom). No, u uređajima za energetsku elektroniku poput LED svjetiljke ili predregulatora za stupanj linearnih regulatora (radi poboljšanja učinkovitosti) bolje je koristiti regulator napona pretvarača DC/DC BUCK kao glavni izvor napajanja jer su ti uređaji efikasniji od linearnog regulatora na izlazima velike struje ili jako opterećenje.

Druga mogućnost koja nije tako elegantna, ali je brza, je korištenje DC / DC pretvarača u montažnim modulima i samo ih dodati na naše tiskano kolo, ali to čini ploču mnogo većom.

Rješenje koje predlažem hobisti ili početnicima u elektronici koristi modul DC/DC BUCK pretvarača koji je modul koji se montira na površinu, ali štedi prostor.

Supplies

• 1 Buck prekidački pretvarač 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 Otpornik 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Otpornik 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

Korak 1: Odabir najboljeg vozača

Odabir DC/DC BUCK pretvarača

Prvi korak u projektiranju DC/DC Buck pretvarača je pronaći najbolje rješenje za našu primjenu. Rješenje je brže korištenje prekidačkog regulatora umjesto korištenja prekidačkog kontrolera.

Razlika između ove dvije opcije prikazana je u nastavku.

Prekidački regulator

1. Mnogo puta su monolitni.
2. Efikasnost je bolja.
3. Ne podržavaju jako velike izlazne struje.
4. Lakše ih je stabilizirati (potreban je samo krug RC).
5. Korisniku nije bilo potrebno puno znanja o DC/DC pretvaraču za izradu sklopa.
6. Unaprijed su konfigurirani za rad samo u određenoj topologiji.
7. Konačna cijena je niža.

U nastavku prikazujemo primjer smanjen prekidačem za prebacivanje [Prva slika u ovom koraku].

Prekidački regulator

1. Zahtijeva puno vanjskih komponenti, poput MOSFET -ova i dioda.
2. Oni su složeniji i korisniku je potrebno više znanja o DC/DC pretvaraču za izradu sklopa.
3. Mogu koristiti više topologija.
4. Podržavaju vrlo visoku izlaznu struju.
5. Konačna cijena je veća.

U nastavku prikazujte tipično aplikacijsko kolo sklopnog kontrolera [Druga slika u ovom koraku]

• Uzimajući u obzir sljedeće tačke.

  1. Cost.
  2. Razmak [Izlazna snaga ovisi o ovome].
  3. Izlazna snaga.
  4. Efikasnost.
  5. Složenost.

U ovom slučaju koristim Richtek RT6214 [A za kontinuirani način rada je bolje za teško opterećenje, a mogućnost B da radi u diskontinuiranom načinu rada koji je bolji za lagano opterećenje i poboljšava učinkovitost pri malim izlaznim strujama], to jest istosmjerni /DC Buck pretvarač monolitni [i stoga nam ne trebaju nikakve vanjske komponente, poput napajanja MOSFET -ova i dioda Schottkyja jer je pretvarač integrirao MOSFET prekidače i druge MOSFET -ove koji funkcioniraju, poput dioda].

Detaljnije informacije možete pronaći na sljedećim linkovima: Buck_converter_guide, Usporedba topologija pretvarača Buck, Kriteriji odabira pretvarača Buck

Korak 2: Induktor je vaš najbolji saveznik u DC/DC pretvaraču

Razumijevanje induktora [Analiza podatkovnog lista]

S obzirom na prostor u mojem krugu, koristim ECS-MPI4040R4-4R7-R sa 4.7uH, nominalnom strujom od 2.9A i strujom zasićenja od 3.9A i istosmjernim otporom 67m ohma.

Nazivna struja

Nominalna struja je vrijednost struje u kojoj induktor ne gubi svojstva poput induktivnosti i ne povećava značajno temperaturu okoline.

Struja zasićenja

Struja zasićenja u induktoru je trenutna vrijednost pri kojoj induktor gubi svoja svojstva i ne radi radi skladištenja energije u magnetskom polju.

Veličina protiv otpora

Njegovo normalno ponašanje da prostor i otpor ovise jedan o drugom jer ako je potrebno štedi prostor, moramo uštedjeti prostor smanjujući vrijednost AWG u magnetskoj žici, a ako želim izgubiti otpor trebao bih povećati vrijednost AWG u magnetskoj žici.

Frekvencija sopstvene rezonancije

Frekvencija samorezonancije postiže se kada je sklopna frekvencija poništila induktivitet i tek sada postoji parazitski kapacitet. Mnogi proizvođači preporučuju održavanje frekvencije uključivanja induktorom najmanje desetljeće ispod frekvencije samorezonancije. Na primjer

Frekvencija sopstvene rezonancije = 10MHz.

f-prebacivanje = 1MHz.

Decade = log [base 10] (Samorezonantna frekvencija / f - prebacivanje)

Dekada = dnevnik [baza 10] (10MHz / 1MHz)

Dekada = 1

Ako želite znati više o induktorima, provjerite sljedeće veze: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Korak 3: Induktor je srce

Odabir idealnog induktora

Induktor je srce DC / DC pretvarača, stoga je izuzetno važno imati na umu sljedeće kako biste postigli dobre performanse regulatora napona.

Izlazna struja napona regulatora, nazivna struja, struja zasićenja i struja valovitosti

U tom slučaju proizvođač daje jednadžbe za izračun idealnog induktora prema struji valovitosti, izlaznom naponu, ulaznom naponu, frekvenciji uključivanja. Jednačina je prikazana ispod.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-prebacivanje x struja talasa.

Struja talasa = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-prebacivanje x L.

IL (vrh) = Iout (maks.) + Struja talasa / 2.

Primjenom jednadžbe struje valovitosti na mojem induktoru [Vrijednosti su u prethodnom koraku] rezultati će biti prikazani u nastavku.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-Prebacivanje = 500kHz.

L = 4,7uH.

Iout = 1,5A.

Idealna struja talasa = 1,5A * 50%

Idealna struja talasa = 0,750A

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

Struja talasa = 0,95A*

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

IL (vrh) = 1.975A **

*Preporučuje se upotreba strujanja talasa blizu 20% - 50% izlazne struje. Ali ovo nije opće pravilo jer ovisi o vremenu odziva regulatora za uključivanje. Kada nam je potrebna brza vremenska reakcija, trebali bismo koristiti nisku induktivnost jer je vrijeme punjenja na induktoru kratko, a kada nam je potreban spori vremenski odziv trebali bismo koristiti visoku induktivnost jer je vrijeme punjenja dugo i time smanjujemo EMI.

** Proizvođač preporučuje da ne prelazi maksimalnu struju doline koja podržava uređaj radi održavanja sigurnog dometa. U ovom slučaju maksimalna struja doline je 4,5A.

Ove vrijednosti možete pogledati na sljedećoj poveznici: Tehnički list_RT6214, Tehnički list_Inductor

Korak 4: Budućnost je sada

Koristite REDEXPERT za odabir najboljeg induktora za vaš pretvarač dolara

REDEXPERT je odličan alat kada trebate znati koji je najbolji induktor za vaš pretvarač dolara, pretvarač pojačanja, sepički pretvarač itd. Ovaj alat podržava više topologija za simulaciju vašeg ponašanja induktora, ali ovaj alat podržava samo brojeve dijelova iz Würth Electronika. U ovom alatu možemo grafički prikazati prirast temperature u odnosu na struju i gubitke induktivnosti u odnosu na struju u induktoru. Potrebni su mu samo jednostavni ulazni parametri, kao što je prikazano u nastavku.

• Ulazni napon
• izlazni napon
• trenutni izlaz
• frekvencija uključivanja
• strujanje talasa

Veza je sljedeća: REDEXPERT Simulator

Korak 5: Naša potreba je važna

Izračunavanje izlaznih vrijednosti

Izračunavanje izlaznog napona je vrlo jednostavno, samo je potrebno definirati razdjelnik napona definiran sljedećom jednadžbom. Samo nam je potreban R1 i definiramo izlazni napon.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Ispod je prikazan primjer korištenja RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5k

Korak 6: Odličan alat za velikog dizajnera elektronike

Koristite alate proizvođača

Koristio sam simulacijske alate koje nudi Richtek. U ovom okruženju možete vidjeti ponašanje DC/DC pretvarača u stacionarnoj analizi, prijelaznoj analizi, analizi pokretanja.

Rezultati se mogu pogledati u slikama, dokumentima i video simulaciji.

Korak 7: Dva su bolja od jednog

Dizajn PCB -a u Eagle -u i Fusion 360

Dizajn PCB -a je napravljen na Eagle -u 9.5.6 u saradnji sa Fusion 360 I sinhronizujem 3D dizajn sa dizajnom PCB -a kako bih dobio pravi prikaz dizajna kola.

Ispod su prikazane važne tačke za stvaranje PCB -a u Eagle CAD -u.

• Kreiranje biblioteke.
• Shematski dizajn.
• Dizajn PCB -a ili Layout dizajn
• Generirajte pravi 2D prikaz.
• Dodajte 3D model uređaju u dizajn izgleda.
• Sinhronizirajte Eagle PCB s Fusion 360.

Napomena: Sve važne tačke ilustrirane su slikama koje ćete pronaći na početku ovog koraka.

Ovaj krug možete preuzeti na GitLab spremištu:

Korak 8: Jedan problem, jedno rješenje

Pokušajte uzeti u obzir sve varijable

Najjednostavnije nije nikad bolje … To sam rekao sebi kada se moj projekt zagrijavao do 80ºC. Da, ako vam je potrebna relativno visoka izlazna struja, nemojte koristiti linearne regulatore jer oni rasipaju mnogo energije.

Moj problem … izlazna struja. Rješenje … koristi DC/DC pretvarač za zamjenu linearnog regulatora napona u DPAK paketu.

Zato što sam to nazvao Buck DPAK projekt

Korak 9: Zaključak

DC / DC pretvarači su vrlo učinkoviti sustavi za regulaciju napona pri vrlo visokim strujama, međutim pri niskim strujama općenito su manje efikasni, ali ne i manje efikasni od linearnog regulatora.

Danas je vrlo lako biti u mogućnosti dizajnirati DC / DC pretvarač zahvaljujući činjenici da su proizvođači olakšali način na koji se njima upravlja i koristi.