A hatékonyság keresésében .: 9 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:40

BUCK átalakító "DPAK" méretben

Általában a kezdő elektronikai tervezőknek vagy hobbistáknak feszültségszabályozóra van szükségünk nyomtatott áramköri lapra vagy kenyérlapra. Sajnos az egyszerűség miatt lineáris feszültségszabályozót használunk, de nem teljesen rosszak, mert valaha az alkalmazások függvénye fontos.

Például a precíziós analóg eszközökben (mint a mérőberendezések) egyre jobban használnak lineáris feszültségszabályozót (a zajproblémák minimalizálása érdekében). De a teljesítményelektronikai eszközökben, mint például a lámpa LED vagy a lineáris szabályozók előszabályozója (a hatékonyság javítása érdekében) jobb DC/DC BUCK átalakító feszültségszabályozót használni fő tápellátásként, mert ezek az eszközök jobb hatékonyságúak, mint a lineáris szabályozók nagyáramú kimeneteknél, vagy nehezen terhel.

Egy másik lehetőség, amely nem olyan elegáns, de gyors, az, hogy DC / DC konvertereket használ az előregyártott modulokban, és csak hozzáadja őket a nyomtatott áramkörünkhöz, de ezáltal az áramköri lap sokkal nagyobb lesz.

A hobbistának vagy az elektronikakezdőnek javasolt megoldás egy DC/DC BUCK modul átalakítót használ, amely felületre szerelhető, de helytakarékos.

Kellékek

• 1 Buck kapcsolóátalakító 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 Ellenállás 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Ellenállás 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

1. lépés: A legjobb rider kiválasztása

A DC/DC BUCK konverter kiválasztása

A DC/DC Buck átalakító tervezésének első lépése az, hogy megtaláljuk a legjobb megoldást az alkalmazásunkhoz. A megoldás gyorsabb, ha kapcsolószabályozót használ a kapcsolóvezérlő helyett.

A két lehetőség közötti különbség az alábbiakban látható.

Kapcsoló szabályozó

1. Sokszor monolitikusak.
2. A hatékonyság jobb.
3. Nem támogatják a nagyon nagy kimeneti áramokat.
4. Könnyebben stabilizálhatók (csak áramköri RC szükséges).
5. A felhasználónak nem kellett sok ismerete a DC/DC átalakítóról az áramkör tervezéséhez.
6. Csak egy adott topológiában működnek előre konfigurálva.
7. A végső ár alacsonyabb.

Mutasson egy kapcsolási szabályzóval csökkentett példát [Az első kép ezen a lépésen].

Kapcsoló vezérlő

1. Sok külső összetevőre, például MOSFET -re és diódára van szükség.
2. Ezek összetettebbek, és a felhasználónak több tudásra van szüksége az egyenáramú/egyenáramú átalakítóról az áramkör tervezéséhez.
3. Több topológiát is használhatnak.
4. Nagyon magas kimeneti áram támogatása.
5. A végső ár magasabb.

Mutassa be egy kapcsolóvezérlő tipikus alkalmazási áramkörét [A második kép ezen a lépésen]

• Figyelembe véve a következő pontokat.

  1. Költség.
  2. Szóköz [A kimenő teljesítmény ettől függ].
  3. Teljesítmény.
  4. Hatékonyság.
  5. Bonyolultság.

Ebben az esetben egy Richtek RT6214 -et használok [A folyamatos üzemmódhoz, jobb a kemény terheléshez, és a B opciót, hogy folytonos üzemmódban működik, ami jobb kis terhelésnél és javítja a hatékonyságot alacsony kimeneti áramnál], azaz egyenáramú /DC Buck Converter monolitikus [és így nincs szükségünk külső komponensekre, például Power MOSFET -ekre és Schottky diódákra, mert az átalakító integrált MOSFET -kapcsolókkal és más MOSFET -rel működik, mint például a dióda].

Részletesebb információk a következő linkeken találhatók: Buck_converter_guide, Buck Converter topológiák összehasonlítása, Buck Converter kiválasztási kritériumok

2. lépés: Az induktor a legjobb szövetségese a DC/DC átalakítóban

Az induktor megértése [Adatlap elemzése]

Figyelembe véve az áramkörömben lévő helyet, egy ECS-MPI4040R4-4R7-R-t használok, amelynek 4.7uH névleges árama 2,9A, telítettségi árama 3,9A és egyenáramú ellenállása 67m ohm.

Névleges áram

A névleges áram az az aktuális érték, amelyben az induktor nem veszíti el az olyan tulajdonságait, mint az induktivitás, és nem növeli jelentősen a környezeti hőmérsékletet.

Telítési áram

Az induktor telítettségi árama az az érték, ahol az induktor elveszíti tulajdonságait, és nem működik az energia mágneses mezőben való tárolásával.

Méret vs ellenállás

Az a szokásos viselkedése, hogy a tér és az ellenállás függ egymástól, mert ha szükség van helytakarékosságra, akkor helyet kell takarítanunk, csökkentve a mágneshuzal AWG értékét, és ha ellenállást akarok veszíteni, növelnem kell az AWG értékét a mágneshuzalban.

Önrezonancia frekvencia

Az önrezonancia frekvenciát akkor érik el, amikor a kapcsolási frekvencia megszünteti az induktivitást, és csak most létezik a parazita kapacitás. Sok gyártó azt javasolta, hogy az induktor kapcsolási frekvenciáját legalább egy évtizeddel az önrezonancia frekvencia alatt tartsák. Például

Önrezonancia frekvencia = 10MHz.

f-kapcsolás = 1MHz.

Évtized = log [bázis 10] (önrezonancia frekvencia / f - kapcsolás)

Évtized = log [bázis 10] (10MHz / 1MHz)

Évtized = 1

Ha többet szeretne tudni az induktorokról, ellenőrizze az alábbi linkeket: Önrezonancia -induktor, Telítettség_áram_v névleges_áram

3. lépés: Az induktor a szív

Az ideális induktor kiválasztása

Az induktivitás az egyenáramú / egyenáramú átalakítók szíve, ezért rendkívül fontos, hogy tartsa szem előtt a következő pontokat a feszültségszabályozó jó teljesítményének elérése érdekében.

A szabályozó feszültségének, névleges áramának, telítési áramának és hullámossági áramának kimeneti árama

Ebben az esetben a gyártó egyenleteket biztosít az ideális induktivitás kiszámításához a hullámzó áram, a kimeneti feszültség, a bemeneti feszültség és a kapcsolási frekvencia szerint. Az egyenlet alább látható.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-kapcsoló x hullámzó áram.

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

IL (csúcs) = Iout (Max) + hullámzó áram / 2.

Alkalmazva a hullámossági áram egyenletét az induktoromra [Az értékek az előző lépésben vannak], az eredményeket az alábbiakban mutatjuk be.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-Kapcsolás = 500 kHz.

L = 4,7uH.

Iout = 1,5A.

Ideális hullámzó áram = 1,5A * 50%

Ideális hullámzó áram = 0,750A

Ripple áram = 5V (9V - 5V) / 9V x 500kHz x 4,7uH

Hullámzási áram = 0,95A*

IL (csúcs) = 1,5A + 0,95A / 2

IL (csúcs) = 1,975A **

*Ajánlott a hullámzó áramot a kimeneti áram 20% - 50% -a közelében használni. De ez nem általános szabály, mert a kapcsolási szabályozó válaszidejétől függ. Ha gyors időreakcióra van szükségünk, akkor alacsony induktivitást kell használnunk, mert az induktor töltési ideje rövid, és ha lassú reakcióra van szükségünk, akkor magas induktivitást kell használni, mivel a töltési idő hosszú, és ezzel csökkentjük az EMI -t.

** A gyártó ajánlása nem haladja meg a maximális völgyáramot, amely támogatja a készüléket a biztonságos tartomány fenntartása érdekében. Ebben az esetben a maximális völgyáram 4,5A.

Ezek az értékek a következő linken tekinthetők meg: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

4. lépés: A jövő most van

A REDEXPERT használatával válassza ki a legjobb induktivitást a bak konverteréhez

A REDEXPERT nagyszerű eszköz, ha tudnia kell, hogy melyik a legjobb induktivitás a buck konverterhez, boost konverterhez, szeptikus konverterhez stb. Ez az eszköz több topológiát támogat az induktivitás viselkedésének szimulálásához, de ez az eszköz csak a Würth Electronik cikkszámait támogatja. Ebben az eszközben grafikonon tekinthetjük meg a hőmérséklet növekedését az áramhoz képest, valamint az induktivitás és az induktivitás veszteségeit az áramkörben. Csak egyszerű bemeneti paraméterekre van szüksége, mint például az alábbiakban.

• Bemeneti feszültség
• kimeneti feszültség
• áramkimenet
• kapcsolási frekvencia
• hullámzó áram

A link a következő: REDEXPERT Simulator

5. lépés: Fontosak a szükségleteink

A kimeneti értékek kiszámítása

A kimeneti feszültség kiszámítása nagyon egyszerű, csak meg kell határoznunk a következő egyenlet által meghatározott feszültségosztót. Csak R1 -re van szükségünk, és határozzuk meg a kimeneti feszültséget.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Az alábbiakban egy példa látható az RT6214AHGJ6F használatával.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5k

6. lépés: Nagyszerű eszköz egy nagyszerű elektronikai tervező számára

Használja a gyártó eszközeit

A Richtek által biztosított szimulációs eszközöket használtam. Ebben a környezetben megtekintheti a DC/DC átalakító viselkedését egyensúlyi állapot elemzésben, átmeneti elemzésben, indítási elemzésben.

És az eredmények megtekinthetők a képeken, dokumentumokban és videós szimulációban.

7. lépés: Kettő jobb, mint egy

NYÁK -tervezés az Eagle és a Fusion 360 -ban

A NYÁK -tervezés az Eagle 9.5.6 -on készült, a Fusion 360 I -vel együttműködve szinkronizálja a 3D -s tervezést a NYÁK -tervezéssel, hogy valós képet kapjon az áramkör kialakításáról.

Az alábbiakban bemutatjuk azokat a fontos pontokat, amelyekkel PCB -t lehet létrehozni az Eagle CAD -ben.

• Könyvtár létrehozása.
• Vázlatos kialakítás.
• NYÁK -tervezés vagy elrendezés
• Valódi 2D nézet létrehozása.
• 3D modell hozzáadása az eszközhöz az elrendezés tervezésében.
• Szinkronizálja az Eagle NYÁK -t a Fusion 360 rendszerrel.

Megjegyzés: Minden fontos pontot a lépés elején talált képek szemléltetnek.

Ezt az áramkört letöltheti a GitLab adattárból:

8. lépés: Egy probléma, egy megoldás

Próbáljon meg minden változót figyelembe venni

A legegyszerűbb soha nem jobb … Ezt mondtam magamban, amikor a projektem 80 ° C -ra melegített. Igen, ha viszonylag nagy kimeneti áramra van szüksége, ne használjon lineáris szabályozókat, mert sok energiát oszlatnak el.

A problémám… a kimeneti áram. A megoldás… DC/DC átalakítóval helyettesíti a lineáris feszültségszabályozót egy DPAK csomagban.

Mert ezt neveztem a Buck DPAK projektnek

9. lépés: Következtetés

Az egyenáramú / egyenáramú átalakítók nagyon hatékony rendszerek a feszültség szabályozására nagyon nagy áramoknál, alacsony áramnál azonban általában kevésbé hatékonyak, de nem kevésbé hatékonyak, mint egy lineáris szabályozó.

Manapság nagyon könnyű DC / DC átalakítót tervezni annak köszönhetően, hogy a gyártók megkönnyítették vezérlésük és használatuk módját.