Tõhususe otsingul .: 9 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:47

BUCK Converter "DPAK" suuruses

Tavaliselt vajame algajatele elektroonilistele disaineritele või harrastajatele trükkplaadile trükitud pingeregulaatorit või leivaplaati. Kahjuks kasutame lihtsuse tõttu lineaarset pingeregulaatorit, kuid see pole täiesti halb, sest kunagi sõltub rakendustest.

Näiteks täppisanaloogseadmetes (nagu mõõteseadmed) kasutatakse üha paremini lineaarset pingeregulaatorit (müraprobleemide minimeerimiseks). Kuid toiteelektroonikaseadmetes, nagu lambi LED või lineaarsete regulaatorite etapi eelregulaator (tõhususe parandamiseks), on parem kasutada põhitoiteallikana DC/DC BUCK-muunduri pingeregulaatorit, kuna need seadmed on lineaarse regulaatoriga võrreldes tõhusamad. suure voolutugevusega väljundites või raskelt koormata.

Teine võimalus, mis pole nii elegantne, kuid kiire, on kasutada alalisvoolu / alalisvoolu muundureid kokkupandavates moodulites ja lihtsalt lisada need meie trükitud vooluringi peale, kuid see muudab trükkplaadi palju suuremaks.

Lahendus, mida ma harrastajale või elektroonika algajale pakun, kasutab mooduli DC/DC BUCK muundurit, mis on pinnale paigaldatav, kuid säästab ruumi.

Tarvikud

• 1 Buck lülitusmuundur 3A --- RT6214.
• 1 Induktor 4.7uH/2.9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 Kondensaator 0805 22uF/25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 Kondensaator 0402 100nF/50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 Kondensaator 0402 68pF/50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 takisti 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Takisti 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

1. samm: parima ratsutaja valimine

DC/DC BUCK muunduri valimine

DC/DC Buck muunduri projekteerimise esimene samm on leida meie rakendusele parim lahendus. Kiirem lahendus on lülitusregulaatori asemel lülitusregulaatori kasutamine.

Nende kahe valiku erinevus on näidatud allpool.

Lüliti regulaator

1. Mitu korda on need monoliitsed.
2. Tõhusus on parem.
3. Nad ei toeta väga suuri väljundvoolu.
4. Neid on lihtsam stabiliseerida (vajavad ainult vooluahela RC -d).
5. Vooluahela disaini tegemiseks pole kasutajal vaja palju teadmisi alalisvoolu/alalisvoolu muunduri kohta.
6. On eelkonfigureeritud töötama ainult kindla topoloogia järgi.
7. Lõplik hind on madalam.

Näidake allpool näidet, mida on vähendatud lülitusregulaatoriga [Selle pildi esimene pilt].

Lüliti kontroller

1. Nõua palju väliseid komponente, nagu MOSFET ja dioodid.
2. Need on keerukamad ja kasutaja vajab vooluahela kujundamiseks rohkem teadmisi alalisvoolu/alalisvoolu muunduri kohta.
3. Nad saavad kasutada rohkem topoloogiaid.
4. Toetage väga suurt väljundvoolu.
5. Lõplik hind on kõrgem.

Näidake allpool lülituskontrolleri tüüpilist rakendusahelat [Teine pilt sellel sammul]

• Arvestades järgmisi punkte.

  1. Maksumus.
  2. Ruum [Väljundvõimsus sõltub sellest].
  3. Võimsus.
  4. Tõhusus.
  5. Keerukus.

Sel juhul kasutan Richtek RT6214 [A pideva režiimi jaoks on parem kõva koormuse jaoks ja valik B, et see töötab katkestatud režiimis, mis sobib paremini väikese koormuse korral ja parandab efektiivsust madalate väljundvoolude korral], see on alalisvool /DC Buck Converter monoliitne [ja seega ei vaja me väliseid komponente, nagu toite MOSFETid ja dioodid Schottky, kuna muunduril on integreeritud MOSFET -lülitid ja muu MOSFET, mis töötab, näiteks diood].

Üksikasjalikumat teavet leiate järgmistelt linkidelt: Buck_converter_guide, Buck Converter topoloogiate võrdlemine, Buck Converter valiku kriteeriumid

2. samm: Induktor on teie parim liitlane alalisvoolu/alalisvoolu muunduris

Induktori mõistmine [andmelehe analüüs]

Arvestades oma vooluahela ruumi, kasutan ECS-MPI4040R4-4R7-R, millel on 4,7uH, nimivool 2,9A ja küllastusvool 3,9A ning alalisvoolu takistus 67m oomi.

Nimivool

Nominaalvool on praegune väärtus, kus induktiivpool ei kaota selliseid omadusi nagu induktiivsus ja ei suurenda oluliselt ümbritseva õhu temperatuuri.

Küllastusvool

Induktori küllastusvool on praegune väärtus, kus induktor kaotab oma omadused ja ei tööta energia salvestamiseks magnetväljas.

Suurus vs vastupidavus

Selle tavapärane käitumine, et ruum ja takistus sõltuvad üksteisest, sest vajadusel säästame ruumi, peame säästma ruumi, vähendades magnettraadi AWG väärtust ja kui ma tahan kaotada takistuse, peaksin suurendama magnettraadi AWG väärtust.

Eneserezonantsi sagedus

Iseresonantssagedus saavutatakse siis, kui lülitussagedus tühistas induktiivsuse ja alles praegu eksisteerib parasiitmahtuvus. Paljud tootjad soovitasid hoida induktiivpooluse lülitussagedust vähemalt kümme aastat eneserezonantsi sagedusest madalamal. Näiteks

Iseresonantssagedus = 10MHz.

f-lülitus = 1MHz.

Aastakümne = log [baas 10] (iseresonantssagedus / f - lülitus)

Aastakümne = log [baas 10] (10 MHz / 1 MHz)

Aastakümne = 1

Kui soovite rohkem teada saada induktiivpoolidest, vaadake järgmisi linke: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

3. samm: Induktor on süda

Valige ideaalne induktor

Induktor on alalis- / alalisvoolu muundurite süda, seetõttu on pingeregulaatori hea jõudluse saavutamiseks äärmiselt oluline meeles pidada järgmisi punkte.

Regulaatori pinge, nimivoolu, küllastusvoolu ja pulsatsioonivoolu väljundvool

Sel juhul esitab tootja võrrandid ideaalse induktiivpooli arvutamiseks vastavalt pulsatsioonivoolule, pingeväljundile, pingesisendile, lülitussagedusele. Võrrand on näidatud allpool.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-lülitus x pulsatsioonivool.

Ripple praegune = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-lülitus x L.

IL (tipp) = Iout (Max) + pulsatsioonivool / 2.

Kui rakendan oma induktiivpoolile pulsatsioonivoolu võrrandit [Väärtused on eelmises etapis], kuvatakse tulemused allpool.

Vin = 9 V.

Vout = 5V.

f-lülitus = 500 kHz.

L = 4,7 uH.

Väljund = 1,5A.

Ideaalne pulsatsioonivool = 1,5A * 50%

Ideaalne pulsatsioonivool = 0,750A

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

Ripple'i vool = 0,95A*

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

IL (tipp) = 1,975A **

*Soovitatav on kasutada pulsatsioonivoolu 20–50% väljundvoolust. Kuid see ei ole üldine reegel, sest see sõltub lülitusregulaatori reageerimisajast. Kui vajame kiiret reageerimist, peaksime kasutama madalat induktiivsust, kuna induktiivpooli laadimisaeg on lühike ja aeglase reageerimise korral peaksime kasutama suurt induktiivsust, kuna laadimisaeg on pikk ja sellega vähendame EMI -d.

** Tootja soovitus ei ületa maksimaalset oruvoolu, mis toetab seadet, et säilitada turvaline vahemik. Sellisel juhul on oru maksimaalne vool 4,5A.

Nende väärtustega saate tutvuda järgmisel lingil: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

Samm: tulevik on praegu

Kasutage REDEXPERT -i, et valida oma buck -muundurile parim induktiivpool

REDEXPERT on suurepärane tööriist, kui peate teadma, milline on teie buck -muunduri, võimendusmuunduri, septilise muunduri jne jaoks parim induktor. See tööriist toetab mitut topoloogiat, et simuleerida teie induktiivpoolse käitumist, kuid see tööriist toetab ainult Würth Electroniku osade numbreid. Selle tööriista abil saame graafikutena vaadata temperatuuri tõusu vs voolu ning induktiivsuse ja voolu kadusid induktiivpoolis. See vajab ainult lihtsaid sisendparameetreid, nagu allpool näidatud.

• Sisendpinge
• väljundpinge
• praegune väljund
• lülitussagedus
• lainetusvool

Link on järgmine: REDEXPERT Simulator

Samm: meie vajadus on oluline

Väljundväärtuste arvutamine

Väljundpinge arvutamine on väga lihtne, peame lihtsalt määratlema järgmise võrrandiga määratletud pingejaguri. Vajame ainult R1 ja määratleme väljundpinge.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Allpool on toodud näide, kasutades seadet RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5 tuhat

6. samm: suurepärane tööriist suurepärasele elektroonikakujundajale

Kasutage tootja tööriistu

Kasutasin Richteki pakutavaid simulatsioonivahendeid. Selles keskkonnas saate vaadata alalisvoolu/alalisvoolu muunduri käitumist püsiseisundi analüüsis, mööduvas analüüsis ja käivitusanalüüsis.

Ja tulemusi saab vaadata piltide, dokumentide ja videosimulatsiooni abil.

Samm: kaks on paremad kui üks

PCB disain Eagle'is ja Fusion 360 -s

PCB disain on tehtud Eagle 9.5.6 -s koostöös Fusion 360 I -ga, sünkroonides 3D -disaini PCB -disainiga, et saada tegelik ülevaade vooluahela kujundusest.

Allpool on toodud olulised punktid PCB loomiseks Eagle CAD -is.

• Raamatukogu loomine.
• Skeemiline disain.
• PCB disain või paigutuse kujundus
• Loo tõeline 2D -vaade.
• Lisage küljendusdisaini seadmesse 3D -mudel.
• Sünkroonige Eagle PCB Fusion 360 -ga.

Märkus. Kõiki olulisi punkte illustreerivad selle sammu alguses leitud pildid.

Selle vooluahela saate alla laadida GitLabi hoidlast:

8. samm: üks probleem, üks lahendus

Püüdke kunagi arvesse võtta kõiki muutujaid

Lihtsaim pole kunagi parem … Ütlesin seda endale, kui mu projekt soojendas kuni 80ºC. Jah, kui vajate suhteliselt suurt väljundvoolu, ärge kasutage lineaarseid regulaatoreid, kuna need hajutavad palju energiat.

Minu probleem … väljundvool. Lahendus… kasutab DC/DC muundurit, et asendada lineaarne pingeregulaator DPAK pakendis.

Sest seda ma kutsusin Buck DPAK projektiks

9. samm: järeldus

Alalisvoolu / alalisvoolu muundurid on väga tõhusad süsteemid pinge reguleerimiseks väga suurtel vooludel, kuid madalate voolude korral on need üldiselt vähem tõhusad, kuid mitte vähem tõhusad kui lineaarne regulaator.

Tänapäeval on DC / DC muunduri projekteerimine väga lihtne tänu sellele, et tootjad on hõlbustanud nende juhtimist ja kasutamist.