A la recerca de l’eficiència .: 9 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Convertidor BUCK a la mida "DPAK"

Normalment, els dissenyadors principiants electrònics o aficionats necessitem un regulador de voltatge a la placa de circuits impresos o una placa de control. Malauradament, per simplicitat, fem servir un regulador de tensió lineal, però no hi ha res dolent, ja que depèn de les aplicacions és important.

Per exemple, en dispositius analògics de precisió (com equips de mesura) cada vegada s’utilitza millor un regulador de tensió lineal (per minimitzar els problemes de soroll). Però en dispositius electrònics de potència, com ara un LED de llum, o un pre-regulador per a la fase de reguladors lineals (per millorar l’eficiència), és millor utilitzar un regulador de voltatge del convertidor CC / CC BUCK com a subministrament principal perquè aquests dispositius tenen una eficiència millor que un regulador lineal. en sortides de corrent elevat o amb càrrega dura.

Una altra opció que no és tan elegant, però és ràpida, és utilitzar convertidors de CC / CC en mòduls prefabricats i afegir-los a sobre del nostre circuit imprès, però això fa que la placa de circuit sigui molt més gran.

La solució que proposo a l’aficionat o a l’iniciador de l’electrònica utilitza un mòdul convertidor CC / CC BUCK que un mòdul que es pot muntar a la superfície però estalviant espai.

Subministraments

• 1 convertidor de commutació Buck 3A --- RT6214.
• 1 inductor 4.7uH / 2.9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 Condensador 0805 22uF / 25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 Condensador 0402 100nF / 50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 condensador 0402 68pF / 50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 resistència 0402 7,32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Resistència 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

Pas 1: Selecció del millor timó

Selecció del convertidor BUCK DC / DC

El primer pas per dissenyar un convertidor Buck DC / DC és trobar la millor solució per a la nostra aplicació. La solució més ràpida és utilitzar un regulador de commutació en lloc d’utilitzar un controlador de commutació.

A continuació es mostra la diferència entre aquestes dues opcions.

Regulador de commutació

1. Moltes vegades són monolítics.
2. L’eficiència és millor.
3. No admeten corrents de sortida molt elevats.
4. Són més fàcils d’estabilitzar (només requereixen un circuit RC).
5. L’usuari no ha necessitat molts coneixements sobre el convertidor CC / CC per fer el disseny del circuit.
6. Estan preconfigurats per a obres només en una topologia específica.
7. El preu final és inferior.

Mostra a continuació un exemple reduït per un regulador de commutació [La primera imatge d’aquest pas].

Controlador de commutació

1. Requereixen molts components externs, com ara MOSFET i díodes.
2. Són més complexes i l’usuari necessita més coneixements sobre el convertidor CC / CC per fer el disseny del circuit.
3. Poden utilitzar més topologies.
4. Admet un corrent de sortida molt alt.
5. El preu final és més alt.

Mostra a continuació un circuit d'aplicació típic d'un controlador de commutació [La segona imatge d'aquest pas]

• Tenint en compte els següents punts.

  1. Cost.
  2. Espai [La potència de sortida en depèn].
  3. Potència de sortida.
  4. Eficiència.
  5. Complexitat.

En aquest cas, faig servir un Richtek RT6214 [A per al mode continu és millor per a la càrrega dura i l'opció B que funciona en mode discontinu, que és millor per a càrregues lleugeres i millora l'eficiència a baixos corrents de sortida], que és un CC / DC Buck Converter monolític [i, per tant, no necessitem components externs, com ara Power MOSFET i díodes Schottky, perquè el convertidor té interruptors MOSFET integrats i altres MOSFET que funcionen com el díode].

Podeu trobar informació més detallada als següents enllaços: Buck_converter_guide, Comparació de topologies de convertidors Buck, Criteris de selecció de convertidors Buck

Pas 2: l’inductor és el millor aliat del convertidor CC / CC

Comprensió de l’inductor [Anàlisi del full de dades]

Tenint en compte l’espai del meu circuit, faig servir un ECS-MPI4040R4-4R7-R amb 4.7uH, un corrent nominal de 2.9A i un corrent de saturació de 3.9A i una resistència de CC de 67m ohms.

Corrent nominal

El corrent nominal és el valor actual en què l’inductor no perd propietats com la inductància i no incrementa significativament la temperatura ambiental.

Corrent de saturació

El corrent de saturació de l’inductor és el valor actual en què l’inductor perd les seves propietats i no funciona per emmagatzemar energia en un camp magnètic.

Mida vs Resistència

El seu comportament normal és que l’espai i la resistència depenen l’un de l’altre, perquè si la necessitat estalvia espai, hem d’estalviar espai reduint el valor AWG al fil d’imant i, si vull perdre resistència, hauria d’incrementar el valor d’AWG al fil d’imant.

Freqüència d’autorresonància

La freqüència d’autorresonància s’aconsegueix quan la freqüència de commutació cancel·la la inductància i només existeix ara la capacitat paràsita. Molts fabricants van recomanar mantenir una freqüència de commutació com a inductor almenys una dècada per sota de la freqüència d’autorresonància. Per exemple

Freqüència d’autorresonància = 10 MHz.

commutació f = 1 MHz.

Dècada = registre [base 10] (freqüència d’autorresonància / f - commutació)

Dècada = registre [base 10] (10 MHz / 1 MHz)

Dècada = 1

Si voleu saber més inductors, consulteu els enllaços següents: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Pas 3: l’inductor és el cor

Selecció de l’inductor ideal

L’inductor és el cor dels convertidors CC / CC, per tant, és extremadament important tenir en compte els següents punts per aconseguir un bon rendiment del regulador de voltatge.

El corrent de sortida del voltatge, corrent nominal, corrent de saturació i corrent de regulació del regulador

En aquest cas, el fabricant proporciona equacions per calcular l’inductor ideal segons el corrent d’ondulació, la sortida de tensió, l’entrada de tensió i la freqüència de commutació. L’equació es mostra a continuació.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x commutació f x corrent ondulat.

Corrent d'ondulació = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-commutació x L.

IL (pic) = Iout (Max) + corrent d'ondulació / 2.

Aplicant l'equació del corrent d'ondulació al meu inductor [Els valors es troben al pas anterior], els resultats es mostren a continuació.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

commutació f = 500 kHz.

L = 4,7 uH.

Iout = 1,5A.

Corrent d'ondulació ideal = 1,5A * 50%

Corrent d’ondulació ideal = 0,750A

Corrent d'ondulació = 5V (9V - 5V) / 9V x 500kHz x 4,7uH

Corrent d'ondulació = 0,95A *

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

IL (pic) = 1.975A **

* Es recomana utilitzar el corrent d'ondulació proper al 20% - 50% del corrent de sortida. Però aquesta no és una regla general perquè depèn del temps de resposta del regulador de commutació. Quan necessitem una resposta de temps ràpida hauríem d’utilitzar una inductància baixa perquè el temps de càrrega de l’inductor és curt i quan necessitem una resposta de temps lenta hauríem d’utilitzar una inductància alta perquè el temps de càrrega és llarg i, amb això, reduïm l’EMI.

** El fabricant recomanat no supera el corrent màxim de vall que admet el dispositiu per mantenir un abast segur. En aquest cas, el corrent màxim de la vall és de 4,5A.

Aquests valors es poden consultar al següent enllaç: Fitxa tècnica_RT6214, Fitxa tècnica_Inductor

Pas 4: el futur és ara

Utilitzeu REDEXPERT per seleccionar el millor inductor per al vostre convertidor de dòlars

REDEXPERT és una gran eina quan necessiteu saber quin és el millor inductor per al vostre convertidor de buck, convertidor boost, convertidor sèptic, etc. Aquesta eina admet múltiples topologies per simular el comportament del vostre inductor, però aquesta eina només admet números de peça de Würth Electronik. En aquesta eina, podem veure en gràfics l’increment de temperatura vs corrent i les pèrdues d’inductància vs corrent a l’inductor. Només necessita paràmetres d'entrada simples com es mostra a continuació.

• Voltatge d'entrada
• tensió de sortida
• sortida actual
• freqüència de commutació
• corrent d’ondulació

L’enllaç és el següent: REDEXPERT Simulator

Pas 5: la nostra necessitat és important

Càlcul dels valors de sortida

És molt senzill calcular la tensió de sortida, només cal definir un divisor de tensió definit per la següent equació. Només necessitem un R1 i definim una sortida de tensió.

Vref = 0,8 [RT6214A / BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Es mostra a continuació un exemple amb un RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vot = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5 k

Pas 6: gran eina per a un gran dissenyador d'electrònica

Utilitzeu les eines del fabricant

He utilitzat les eines de simulació proporcionades per Richtek. En aquest entorn, podeu veure el comportament del convertidor CC / CC en anàlisis d'estat estacionari, anàlisi transitòria i anàlisi d'inici.

I els resultats es poden consultar a les imatges, documents i simulacions de vídeo.

Pas 7: dos són millors que un

Disseny de PCB a Eagle and Fusion 360

El disseny de PCB es fa a Eagle 9.5.6 en col·laboració amb Fusion 360 Sincronitzo el disseny 3D amb el disseny de PCB per obtenir una visió real del disseny del circuit.

Es mostren a sota dels punts importants per crear un PCB a Eagle CAD.

• Creació de biblioteca.
• Disseny esquemàtic.
• Disseny de PCB o disseny de maquetació
• Genera una vista 2D real.
• Afegiu un model 3D al dispositiu en el disseny de disseny.
• Sincronitzeu el PCB Eagle amb Fusion 360.

Nota: Tot el punt important està il·lustrat per les imatges que trobareu al principi d’aquest pas.

Podeu descarregar aquest circuit al dipòsit de GitLab:

Pas 8: un problema, una solució

Intenteu tenir en compte totes les variables

El més senzill no és mai millor … Ho vaig dir això quan el meu projecte escalfava fins a 80ºC. Sí, si necessiteu un corrent de sortida relativament alt, no utilitzeu reguladors lineals perquè dissipen molta energia.

El meu problema … el corrent de sortida. La solució … utilitza un convertidor CC / CC per substituir un regulador de tensió lineal en un paquet DPAK.

Perquè a això vaig anomenar el projecte Buck DPAK

Pas 9: Conclusió

Els convertidors CC / CC són sistemes molt eficients per regular la tensió a corrents molt elevats, tot i que a corrents baixos generalment són menys eficients però no menys eficients que un regulador lineal.

Avui en dia és molt fàcil dissenyar un convertidor CC / CC gràcies al fet que els fabricants han facilitat la manera de controlar-los i utilitzar-los.