U potrazi za učinkovitošću .: 9 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:34

BUCK pretvarač na veličini "DPAK"

Obično, za početnike, dizajnere elektronike ili za hobiste, potreban nam je regulator napona na tiskanoj 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 s bukom). No, u uređajima za energetsku elektroniku poput LED žarulje 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 učinkovitiji od linearnog regulatora u 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 dodajte na naš tiskani krug, ali to čini pločicu 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.

Pribor

• 1 Buck sklopni 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 jahača

Odabir DC/DC BUCK pretvarača

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

Razlika između ove dvije opcije prikazana je u nastavku.

Prekidački regulator

1. Mnogo puta su monolitni.
2. Učinkovitost 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 funkcioniranje samo u određenoj topologiji.
7. Konačna cijena je niža.

U nastavku prikazujte 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 tipični aplikacijski krug sklopnog upravljača [Druga slika u ovom koraku]

• Uzimajući u obzir sljedeće točke.

  1. Trošak.
  2. Prostor [Izlazna snaga ovisi o tome].
  3. Izlazna snaga.
  4. Učinkovitost.
  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 niskim izlaznim strujama], to jest istosmjerni /DC Buck pretvarač monolitni [i stoga nam ne trebaju nikakve vanjske komponente kao što su Power MOSFET -ovi i diode Schottky jer je pretvarač integrirao MOSFET sklopke i druge MOSFET -ove koji funkcioniraju poput diode].

Detaljnije informacije mogu se pronaći na sljedećim vezama: 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 ima 4,7uH, nominalnu struju od 2,9A i struju zasićenja od 3,9A i istosmjerni otpor 67m ohma.

Nazivna struja

Nominalna struja je vrijednost struje u kojoj induktor ne gubi svojstva poput induktiviteta 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 vs otpor

Normalno je da prostor i otpor međusobno ovise 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 vlastite rezonancije

Frekvencija vlastite rezonancije postiže se kad 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 vlastite rezonancije = 10MHz.

f-prebacivanje = 1MHz.

Desetljeće = dnevnik [baza 10] (Samorezonantna frekvencija / f - prebacivanje)

Desetljeće = zapisnik [baza 10] (10MHz / 1MHz)

Desetljeće = 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 iznimno 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. Jednadžba je prikazana u nastavku.

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

Strujanje valova = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-prebacivanje x L.

IL (vrh) = Iout (Max) + struja valovitosti / 2.

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

Vin = 9V.

Izlaz = 5V.

f-Prebacivanje = 500kHz.

L = 4,7 uH.

Iout = 1,5A.

Idealna struja valovitosti = 1,5A * 50%

Idealna struja valovitosti = 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 (pik) = 1,975A **

*Preporučuje se korištenje strujanja valova blizu 20% - 50% izlazne struje. Ali ovo nije opće pravilo jer ovisi o vremenu odziva sklopnog regulatora. Kad nam je potreban brz odziv vremena, trebali bismo koristiti nizak induktivitet jer je vrijeme punjenja na induktoru kratko, a kada nam je potreban spor odziv vremena, trebali bismo koristiti visoku induktivnost jer je vrijeme punjenja dugo, a time smanjujemo EMI.

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

Ove se vrijednosti mogu pronaći 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 izvrstan 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 induktiviteta u odnosu na struju u induktoru. Potrebni su samo jednostavni ulazni parametri kao što je prikazano u nastavku.

• Ulazni napon
• izlazni napon
• strujni izlaz
• frekvencija uključivanja
• strujanje valovitosti

Veza je sljedeća: REDEXPERT Simulator

Korak 5: Naša potreba je važna

Izračunavanje izlaznih vrijednosti

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

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Dolje je prikazan primjer pomoću RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5 k

Korak 6: Izvrstan alat za velikog dizajnera elektronike

Koristite alate proizvođača

Koristio sam simulacijske alate koje nudi Richtek. U tom okruženju možete vidjeti ponašanje DC/DC pretvarača u ustaljenoj 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 Eagleu i Fusionu 360

Dizajn tiskane ploče izrađen je na Eagleu 9.5.6 u suradnji s Fusion 360 I sinkroniziram 3D dizajn s dizajnom PCB -a kako bih dobio pravi prikaz dizajna kruga.

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

• Stvaranje knjižnice.
• Shematski dizajn.
• PCB dizajn ili Layout dizajn
• Generirajte pravi 2D prikaz.
• Dodajte 3D model uređaju u dizajn izgleda.
• Sinkronizirajte Eagle PCB s Fusion 360.

Napomena: Sve važne točke 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 si rekao kad sam se projekt zagrijavao do 80ºC. Da, ako vam je potrebna relativno visoka izlazna struja, nemojte koristiti linearne regulatore jer oni rasipaju veliku snagu.

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

Zato što sam to nazvao projekt Buck DPAK

Korak 9: Zaključak

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

U današnje vrijeme vrlo je lako moći projektirati DC / DC pretvarač zahvaljujući činjenici da su proizvođači olakšali način na koji se njima upravlja i koristi.