Při hledání efektivity .: 9 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

Převaděč BUCK na velikost „DPAK“

Začátečníci, návrháři elektroniky nebo fandové obvykle potřebují regulátor napětí na desce s plošnými spoji nebo tištěnou desku. Bohužel pro jednoduchost používáme lineární regulátor napětí, ale nejsou úplně špatné, protože vždy záleží na aplikacích.

Například v přesných analogových zařízeních (jako je měřicí zařízení) stále lépe používá lineární regulátor napětí (k minimalizaci problémů se šumem). Ale v zařízeních výkonové elektroniky, jako je lampa LED nebo předregulátor pro lineární regulátory (pro zvýšení účinnosti), je lepší použít jako hlavní napájení regulátor napětí měniče DC/DC BUCK, protože tato zařízení mají lepší účinnost než lineární regulátor při vysokých proudových výstupech nebo při vysokém zatížení.

Další možností, která není tak elegantní, ale je rychlá, je použít převodníky DC / DC v prefabrikovaných modulech a přidat je pouze na náš tištěný obvod, ale tím je deska s obvody mnohem větší.

Řešení, které navrhuji fandovi nebo začátečníkovi v elektronice, používá modul DC/DC BUCK převodník, který je modulem pro povrchovou montáž, ale šetří místo.

Zásoby

• 1 Buck přepínací měnič 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 rezistor 0402 7,32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 rezistor 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

Krok 1: Výběr nejlepšího jezdce

Výběr převaděče DC/DC BUCK

Prvním krokem při navrhování převodníku DC/DC Buck je nalezení nejlepšího řešení pro naši aplikaci. Rychlejším řešením je použít místo spínacího ovladače spínací regulátor.

Rozdíl mezi těmito dvěma možnostmi je uveden níže.

Spínací regulátor

1. Mnohokrát jsou monolitické.
2. Účinnost je lepší.
3. Nepodporují příliš vysoké výstupní proudy.
4. Snadněji se stabilizují (vyžadují pouze obvod RC).
5. Uživatel nepotřeboval k návrhu obvodu mnoho znalostí o převodníku DC/DC.
6. Jsou předkonfigurovány tak, aby fungovaly pouze v konkrétní topologii.
7. Konečná cena je nižší.

Ukažte níže příklad zmenšený přepínacím regulátorem [První obrázek v tomto kroku].

Spínací ovladač

1. Vyžadují mnoho externích komponent, jako jsou MOSFETy a diody.
2. Jsou složitější a uživatel potřebuje více znalostí o převodníku DC/DC, aby mohl navrhnout obvod.
3. Mohou použít více topologií.
4. Podpora velmi vysokého výstupního proudu.
5. Konečná cena je vyšší.

Ukažte níže typický aplikační obvod spínacího ovladače [Druhý obrázek v tomto kroku]

• S ohledem na následující body.

  1. Náklady.
  2. Prostor [Na tom závisí výstupní výkon].
  3. Výkon.
  4. Účinnost.
  5. Složitost.

V tomto případě používám Richtek RT6214 [A pro kontinuální režim je lepší pro tvrdé zatížení a možnost B, že pracuje v nesouvislém režimu, který je lepší pro lehké zatížení a zlepšuje účinnost při nízkých výstupních proudech], což je DC /DC Buck Converter monolitický [a proto nepotřebujeme žádné externí komponenty, jako jsou výkonové MOSFETy a diody Schottky, protože převodník má integrované přepínače MOSFET a další MOSFET, který funguje například jako dioda].

Podrobnější informace lze nalézt na následujících odkazech: Buck_converter_guide, Comparing Buck Converter Topologies, Buck Converter Selection Criteria

Krok 2: Induktor je váš nejlepší spojenec v převodníku DC/DC

Porozumění induktoru [Analýza datového listu]

Vzhledem k prostoru v mém obvodu používám ECS-MPI4040R4-4R7-R s 4,7uH, jmenovitým proudem 2,9A a saturačním proudem 3,9A a stejnosměrným odporem 67m ohmů.

Jmenovitý proud

Jmenovitý proud je aktuální hodnota, kde induktor neztrácí vlastnosti, jako je indukčnost, a významně nezvyšuje okolní teplotu.

Saturační proud

Saturační proud v induktoru je aktuální hodnota, kde induktor ztrácí své vlastnosti a nefunguje pro ukládání energie v magnetickém poli.

Velikost vs odpor

Jeho normální chování, že prostor a odpor jsou navzájem závislé, protože v případě potřeby šetří místo, musíme ušetřit místo snížením hodnoty AWG v magnetickém drátu a pokud chci ztratit odpor, měl bych zvýšit hodnotu AWG v magnetickém drátu.

Frekvence vlastní rezonance

Frekvence vlastní rezonance je dosažena, když spínací frekvence zrušila indukčnost a teprve nyní existuje parazitní kapacita. Mnoho výrobců doporučilo udržovat spínací frekvenci induktoru po dobu nejméně deseti let pod vlastní rezonanční frekvencí. Například

Frekvence vlastní rezonance = 10 MHz.

f-přepínání = 1 MHz.

Dekáda = log [základ 10] (vlastní - rezonanční frekvence / f - přepínání)

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

Dekáda = 1

Pokud se chcete dozvědět více o induktorech, podívejte se na následující odkazy: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Krok 3: Induktor je srdce

Vyberte ideální induktor

Induktor je srdcem měničů DC / DC, proto je nesmírně důležité mít na paměti následující body, aby bylo dosaženo dobrého výkonu regulátoru napětí.

Výstupní proud napětí regulátoru, jmenovitý proud, saturační proud a zvlněný proud

V tomto případě výrobce poskytuje rovnice pro výpočet ideálního induktoru podle zvlněného proudu, napěťového výstupu, napěťového vstupu, spínací frekvence. Rovnice je uvedena níže.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-přepínání x zvlňovací proud.

Zvlňovací proud = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-přepínání x L.

IL (špička) = Iout (Max) + zvlněný proud / 2.

Aplikací rovnice zvlněného proudu na můj induktor [Hodnoty jsou v předchozím kroku] výsledky zobrazíme níže.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-Přepínání = 500kHz.

L = 4,7uH.

Iout = 1,5A.

Ideální zvlněný proud = 1,5 A * 50%

Ideální zvlněný proud = 0,750A

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

Zvlňovací proud = 0,95A*

IL (pík) = 1,5A + 0,95A / 2

IL (vrchol) = 1,975A **

*Doporučuje se použít zvlňovací proud v blízkosti 20% - 50% výstupního proudu. Ale to není obecné pravidlo, protože to závisí na době odezvy spínacího regulátoru. Když potřebujeme rychlou časovou odezvu, měli bychom použít nízkou indukčnost, protože doba nabíjení na induktoru je krátká a když potřebujeme pomalou časovou odezvu, měli bychom použít vysokou indukčnost, protože doba nabíjení je dlouhá, a tím snižujeme EMI.

** Doporučené výrobcem nepřekračuje maximální údolní proud, který podporuje zařízení k udržení bezpečného dosahu. V tomto případě je maximální proud údolí 4,5A.

Tyto hodnoty lze zobrazit v následujícím odkazu: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

Krok 4: Budoucnost je nyní

Pomocí REDEXPERT vyberte nejlepší induktor pro váš převodník buck

REDEXPERT je skvělý nástroj, když potřebujete vědět, jaký je nejlepší induktor pro váš převodník buck, boost konvertor, konvertor sepic atd. Tento nástroj podporuje více topologií k simulaci chování induktoru, ale tento nástroj podporuje pouze čísla dílů od Würth Electronik. V tomto nástroji můžeme v grafech zobrazit teplotní přírůstek vs proud a ztráty indukčnosti vs proud v induktoru. Potřebuje pouze jednoduché vstupní parametry, jak je uvedeno níže.

• Vstupní napětí
• výstupní napětí
• proudový výstup
• spínací frekvence
• zvlněný proud

Odkaz je následující: REDEXPERT Simulator

Krok 5: Naše potřeba je důležitá

Výpočet výstupních hodnot

Je velmi jednoduché vypočítat výstupní napětí, stačí definovat dělič napětí definovaný následující rovnicí. Pouze potřebujeme R1 a definujeme napěťový výstup.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Níže je uveden příklad použití RT6214AHGJ6F.

R2 = 10 tis.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5 tis

Krok 6: Skvělý nástroj pro skvělého návrháře elektroniky

Použijte nástroje výrobce

Použil jsem simulační nástroje poskytnuté společností Richtek. V tomto prostředí můžete zobrazit chování převodníku DC/DC v analýze ustáleného stavu, přechodové analýze, spouštěcí analýze.

A výsledky lze konzultovat v obrázcích, dokumentech a simulaci videa.

Krok 7: Dva jsou lepší než jeden

Deska plošných spojů v Eagle a Fusion 360

Návrh DPS je vytvořen na Eagle 9.5.6 ve spolupráci s Fusion 360. Synchronizuji 3D návrh s návrhem DPS, abych získal skutečný pohled na návrh obvodu.

Zobrazeno pod důležitými body pro vytvoření DPS v Eagle CAD.

• Vytvoření knihovny.
• Schematický návrh.
• Návrh DPS nebo Layout design
• Generujte skutečný 2D pohled.
• Přidejte 3D model do zařízení v návrhu rozvržení.
• Synchronizujte desku plošných spojů Eagle s Fusion 360.

Poznámka: Všechny důležité body jsou ilustrovány obrázky, které najdete na začátku tohoto kroku.

Tento okruh si můžete stáhnout v úložišti GitLab:

Krok 8: Jeden problém, jedno řešení

Zkuste někdy zvážit všechny proměnné

Nejjednodušší není nikdy lepší … Řekl jsem si to, když se můj projekt zahříval až na 80 ° C. Ano, pokud potřebujete relativně vysoký výstupní proud, nepoužívejte lineární regulátory, protože rozptylují spoustu energie.

Můj problém … výstupní proud. Řešení… používá měnič DC/DC k nahrazení lineárního regulátoru napětí v sadě DPAK.

Protože tomu jsem říkal projekt Buck DPAK

Krok 9: Závěr

Převodníky DC / DC jsou velmi účinné systémy pro regulaci napětí při velmi vysokých proudech, avšak při nízkých proudech jsou obecně méně účinné, ale ne méně účinné než lineární regulátor.

V dnešní době je velmi snadné navrhnout převodník DC / DC díky tomu, že výrobci usnadnili způsob jejich ovládání a používání.