Tehokkuuden etsinnässä .: 9 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:00

BUCK -muunnin "DPAK" -koko

Yleensä aloittelijaelektroniikan suunnittelija tai harrastaja tarvitsemme jännitesäätimen piirilevylle tai leipälevylle. Valitettavasti yksinkertaisuuden vuoksi käytämme lineaarista jännitesäädintä, mutta ne eivät ole täysin huonoja, koska koskaan riippuu sovelluksista on tärkeää.

Esimerkiksi analogisissa tarkkuuslaitteissa (kuten mittauslaitteissa) käytetään yhä paremmin lineaarista jännitesäädintä (minimoimaan meluongelmat). Mutta tehoelektroniikkalaitteissa, kuten lampun LED-valossa tai lineaarisen säätimen vaiheen esisäätimessä (tehokkuuden parantamiseksi), on parempi käyttää DC/DC BUCK -muuntimen jännitesäädintä päävirtalähteenä, koska nämä laitteet ovat tehokkaampia kuin lineaarinen säädin suurissa virtalähdöissä tai kuormita kovaa.

Toinen vaihtoehto, joka ei ole niin tyylikäs mutta nopea, on käyttää DC / DC -muuntimia esivalmistetuissa moduuleissa ja lisätä ne vain painetun piirimme päälle, mutta tämä tekee piirilevystä paljon suuremman.

Ratkaisu, jota ehdotan harrastajalle tai elektroniikan aloittelijalle, käyttää moduuli DC/DC BUCK -muunninta, joka on pinta -asennettava mutta tilaa säästävä moduuli.

Tarvikkeet

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

Vaihe 1: Paras ratsastaja

DC/DC BUCK -muuntimen valinta

Ensimmäinen askel DC/DC Buck -muuntimen suunnittelussa on löytää paras ratkaisu sovellukseemme. Ratkaisu nopeammin on käyttää kytkinsäädintä kytkentäohjaimen sijaan.

Ero näiden kahden vaihtoehdon välillä on esitetty alla.

Kytkimen säädin

1. Usein ne ovat monoliittisia.
2. Tehokkuus on parempi.
3. Ne eivät tue erittäin suuria lähtövirtoja.
4. Ne on helpompi vakauttaa (vaativat vain piirin RC).
5. Käyttäjä ei ole tarvinnut paljon tietoa DC/DC -muuntimesta piirin suunnittelussa.
6. Esikonfiguroitu toimimaan vain tietyllä topologialla.
7. Lopullinen hinta on alhaisempi.

Näytä alla esimerkki, jota on pienennetty kytkentäsäätimellä [Ensimmäinen kuva tässä vaiheessa].

Kytkentäohjain

1. Vaatii paljon ulkoisia komponentteja, kuten MOSFETit ja diodit.
2. Ne ovat monimutkaisempia ja käyttäjä tarvitsee enemmän tietoa DC/DC -muuntimesta piirin suunnittelun tekemiseksi.
3. He voivat käyttää enemmän topologioita.
4. Tukee erittäin suurta lähtövirtaa.
5. Lopullinen hinta on korkeampi.

Näytä alla kytkentäohjaimen tyypillinen sovelluspiiri [Toinen kuva tässä vaiheessa]

• Ottaen huomioon seuraavat kohdat.

  1. Kustannus.
  2. Space [Teho riippuu tästä].
  3. Teho.
  4. Tehokkuus.
  5. Monimutkaisuus.

Tässä tapauksessa käytän Richtek RT6214: tä [A jatkuvaan tilaan on parempi kovalle kuormalle, ja vaihtoehto B, että se toimii epäjatkuvassa tilassa, joka on parempi kevyelle kuormalle ja parantaa tehokkuutta pienillä lähtövirroilla], joka on DC /DC Buck Converter monoliittinen [emmekä tarvitse ulkoisia komponentteja, kuten Power MOSFET -laitteita ja Schottky -diodeja, koska muuntimessa on integroidut MOSFET -kytkimet ja muut MOSFET -laitteet, kuten diodi].

Tarkemmat tiedot löytyvät seuraavista linkeistä: Buck_converter_guide, Buck -muuntimen topologioiden vertailu, Buck -muunninvalintakriteerit

Vaihe 2: Induktori on paras liittolainen DC/DC -muuntimessa

Induktorin ymmärtäminen [Tietolomakkeen analyysi]

Kun otetaan huomioon piirini tila, käytän ECS-MPI4040R4-4R7-R: tä, jonka 4.7uH, nimellisvirta 2.9A ja kyllästysvirta 3.9A ja DC-vastus 67m ohmia.

Nimellisvirta

Nimellisvirta on nykyinen arvo, jossa induktori ei menetä ominaisuuksia, kuten induktanssia, eikä lisää merkittävästi ympäristön lämpötilaa.

Kylläisyysvirta

Induktorin kyllästysvirta on nykyarvo, jossa induktori menettää ominaisuutensa eikä toimi energian varastoimiseksi magneettikenttään.

Koko vs vastus

Sen normaali käyttäytyminen, että tila ja vastus ovat riippuvaisia toisistaan, koska jos tarve säästää tilaa, meidän on säästettävä tilaa pienentämällä AWG -arvoa magneettilangassa ja jos haluan menettää vastusta, minun on lisättävä AWG -arvoa magneettijohdossa.

Itseresonanssitaajuus

Itseresonanssitaajuus saavutetaan, kun kytkentätaajuus peruutti induktanssin ja loiskapasitanssi on vasta nyt. Monet valmistajat suosittelivat induktorin kytkentätaajuuden säilyttämistä vähintään kymmenen vuoden ajan itseresonanssitaajuuden alapuolella. Esimerkiksi

Itseresonanssitaajuus = 10MHz.

f-kytkentä = 1MHz.

Vuosikymmen = loki [kanta 10] (itseresonanssitaajuus / f - kytkentä)

Vuosikymmen = loki [kanta 10] (10 MHz / 1 MHz)

Vuosikymmen = 1

Jos haluat tietää enemmän induktoreista, tarkista seuraavat linkit: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Vaihe 3: Induktori on sydän

Valitse ihanteellinen induktori

Induktori on DC / DC -muuntimien sydän, joten on erittäin tärkeää pitää mielessä seuraavat seikat, jotta saavutetaan hyvä jännitesäätimen suorituskyky.

Säätimen jännitteen, nimellisvirran, kylläisyysvirran ja aaltovirran lähtövirta

Tässä tapauksessa valmistaja tarjoaa yhtälöt ihanteellisen induktorin laskemiseksi aaltovirran, jännitelähdön, jännitetulon ja kytkentätaajuuden mukaan. Yhtälö on esitetty alla.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-kytkentä x aaltovirta.

Aaltovirta = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-kytkentä x L.

IL (huippu) = Iout (Max) + aaltovirta / 2.

Soveltamalla aaltoiluvirran yhtälöä induktoriini [Arvot ovat edellisessä vaiheessa] tulokset näytetään alla.

Vin = 9 V.

Vout = 5V.

f-kytkentä = 500 kHz.

L = 4,7uH.

Iout = 1,5A.

Ihanteellinen aaltovirta = 1,5A * 50%

Ihanteellinen aaltovirta = 0,750A

Aaltovirta = 5V (9V - 5V) / 9V x 500kHz x 4.7uH

Aaltovirta = 0,95A*

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

IL (huippu) = 1,975A **

*On suositeltavaa käyttää aaltovirtaa lähellä 20% - 50% lähtövirrasta. Mutta tämä ei ole yleinen sääntö, koska se riippuu kytkentäsäätimen vasteajasta. Kun tarvitsemme nopeaa aikavastetta, meidän on käytettävä matalaa induktanssia, koska induktorin varausaika on lyhyt, ja kun tarvitsemme hidasta aikavastetta, meidän on käytettävä suurta induktanssia, koska latausaika on pitkä, ja tämä vähentää EMI: tä.

** Valmistajan suosittelema ei ylitä laitetta tukevaa suurinta laaksovirtaa turvallisen kantaman ylläpitämiseksi. Tällöin laakson suurin virta on 4,5 A.

Näihin arvoihin voi tutustua seuraavassa linkissä: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

Vaihe 4: Tulevaisuus on nyt

Käytä REDEXPERTiä valitaksesi parhaan induktorin buck -muuntimellesi

REDEXPERT on loistava työkalu, kun sinun on tiedettävä, mikä on paras induktori buck -muuntimellesi, boost -muuntimellesi, sepic -muuntimellesi jne. Tämä työkalu tukee useita topologioita, jotka simuloivat induktorin käyttäytymistä, mutta tämä työkalu tukee vain Würth Electronikin osanumeroita. Tässä työkalussa voimme tarkastella kaavioina lämpötilan nousua vs. virtaa ja induktanssin häviöitä suhteessa virtaan induktorissa. Se tarvitsee vain yksinkertaisia syöttöparametreja, kuten alla on esitetty.

• Tulojännite
• ulostulojännite
• nykyinen lähtö
• kytkentätaajuus
• aaltovirta

Linkki on seuraava: REDEXPERT Simulator

Vaihe 5: Tarpeemme on tärkeä

Lähtöarvojen laskeminen

Lähtöjännitteen laskeminen on hyvin yksinkertaista, meidän on vain määritettävä seuraavan yhtälön määrittämä jännitteenjakaja. Tarvitsemme vain R1: n ja määritämme jännitelähdön.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Alla olevassa esimerkissä RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5 kt

Vaihe 6: Erinomainen työkalu loistavalle elektroniikkasuunnittelijalle

Käytä valmistajan työkaluja

Käytin Richtekin tarjoamia simulaatiotyökaluja. Tässä ympäristössä voit tarkastella DC/DC-muuntimen käyttäytymistä vakaan tilan analyysissä, ohimenevässä analyysissä ja käynnistysanalyysissä.

Ja tuloksia voidaan tarkastella kuvissa, asiakirjoissa ja videosimulaatiossa.

Vaihe 7: Kaksi on parempi kuin yksi

PCB -suunnittelu Eagle- ja Fusion 360 -malleissa

Piirilevy on tehty Eagle 9.5.6: ssa yhteistyössä Fusion 360 I: n kanssa ja synkronoi 3D -suunnittelu PCB -suunnittelun kanssa saadaksesi todellisen kuvan piirin suunnittelusta.

Alla on esitetty tärkeät kohdat piirilevyn luomiseksi Eagle CAD: iin.

• Kirjasto luoda.
• Kaavamainen suunnittelu.
• PCB -suunnittelu tai asettelu
• Luo todellinen 2D -näkymä.
• Lisää 3D -malli laitteeseen ulkoasun suunnittelussa.
• Synkronoi Eagle -piirilevy Fusion 360: een.

Huomautus: Kaikki tärkeät kohdat on kuvattu tämän vaiheen alussa löydetyillä kuvilla.

Voit ladata tämän piirin GitLab-arkistosta:

Vaihe 8: Yksi ongelma, yksi ratkaisu

Yritä ottaa huomioon kaikki muuttujat

Yksinkertaisin ei ole koskaan parempi … Sanoin tämän itselleni, kun projektini lämmitti jopa 80ºC. Kyllä, jos tarvitset suhteellisen korkean lähtövirran, älä käytä lineaarisia säätimiä, koska ne tuhlaavat paljon virtaa.

Ongelmani … lähtövirta. Ratkaisu… käyttää DC/DC -muunninta lineaarisen jännitesäätimen korvaamiseen DPAK -paketissa.

Koska tätä kutsuin Buck DPAK -projektiksi

Vaihe 9: Johtopäätös

DC / DC -muuntimet ovat erittäin tehokkaita järjestelmiä jännitteen säätämiseksi erittäin suurilla virroilla, mutta pienillä virroilla ne ovat yleensä vähemmän tehokkaita mutta eivät vähemmän tehokkaita kuin lineaarinen säädin.

Nykyään DC / DC -muuntimen suunnittelu on erittäin helppoa, koska valmistajat ovat helpottaneet tapaa, jolla niitä ohjataan ja käytetään.