В търсене на ефективност .: 9 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:51

BUCK конвертор на размер "DPAK"

Обикновено начинаещите дизайнерски електронни или любители се нуждаем от регулатор на напрежението в печатна платка или макет. За съжаление, поради простотата, ние използваме линеен регулатор на напрежение, но те не са напълно лоши, защото винаги е в зависимост от приложенията е важно.

Например в прецизни аналогови устройства (като измервателно оборудване) все по -добре се използва линеен регулатор на напрежението (за минимизиране на проблемите с шума). Но в устройствата за силова електроника като лампа LED, или предварително регулатор за етап на линейни регулатори (за подобряване на ефективността) е по-добре да се използва DC/DC BUCK преобразувател регулатор на напрежението като основно захранване, тъй като тези устройства са с по-добра ефективност, отколкото линеен регулатор при силни токови изходи или натоварване силно.

Друг вариант, който не е толкова елегантен, но е бърз, е да използвате DC / DC преобразуватели в сглобяеми модули и просто да ги добавите върху нашата печатна схема, но това прави платката много по -голяма.

Решението, което предлагам на любителите или начинаещите в електрониката, използва модул DC/DC BUCK преобразувател, който е модул, който се монтира на повърхността, но спестява място.

Консумативи

• 1 Buck превключващ преобразувател 3A --- RT6214.
• 1 Индуктор 4.7uH/2.9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 кондензатор 0805 22uF/25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 кондензатор 0402 100nF/50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 кондензатор 0402 68pF/50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 резистор 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Резистор 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

Стъпка 1: Избор на най -добрия ездач

Избор на DC/DC BUCK конвертор

Първата стъпка към проектирането на DC/DC конвертор на Buck е да намерим най -доброто решение за нашето приложение. Решението е по -бързо да се използва превключващ регулатор, вместо да се използва превключващ контролер.

Разликата между тези две опции е показана по -долу.

Превключващ регулатор

1. Много пъти те са монолитни.
2. Ефективността е по -добра.
3. Те не поддържат много високи изходни токове.
4. Те са по -лесни за стабилизиране (изискват само верига RC).
5. Потребителят не се нуждае от много познания за DC/DC конвертора, за да направи схемата.
6. Предварително са конфигурирани да работят само в определена топология.
7. Крайната цена е по -ниска.

Покажете по -долу пример, намален с превключващ регулатор [Първото изображение на тази стъпка].

Превключващ контролер

1. Изискват много външни компоненти като MOSFET и диоди.
2. Те са по -сложни и потребителят се нуждае от повече познания за DC/DC преобразувател, за да направи схемата.
3. Те могат да използват повече топологии.
4. Поддържа много висок изходен ток.
5. Крайната цена е по -висока.

Покажете по -долу типична приложна схема на превключващ контролер [Второто изображение на тази стъпка]

• Като се имат предвид следните точки.

  1. Разходи.
  2. Пространство [Изходната мощност зависи от това].
  3. Изходна мощност.
  4. Ефективност.
  5. Сложност.

В този случай използвам Richtek RT6214 [A за непрекъснат режим е по -добър за тежко натоварване и опция B, че работи в прекъснат режим, който е по -добър за леко натоварване и подобряване на ефективността при ниски изходни токове], който е DC /DC Buck Converter монолитен [и по този начин не се нуждаем от външни компоненти като Power MOSFETs и диоди Шотки, защото конверторът има интегрирани MOSFET ключове и други MOSFET, които работят като Diode].

По -подробна информация може да бъде намерена на следните връзки: Buck_converter_guide, Сравняване на топологии на Buck Converter, Buck Converter Критерии за избор

Стъпка 2: Индукторът е вашият най -добър съюзник в DC/DC конвертора

Разбиране на индуктора [Анализ на листа с данни]

Като се има предвид мястото в моята верига, аз използвам ECS-MPI4040R4-4R7-R с 4.7uH, номинален ток 2.9A и ток на насищане 3.9A и DC съпротивление 67m ома.

Номинален ток

Номиналният ток е текущата стойност, при която индукторът не губи свойства като индуктивност и не увеличава значително температурата на околната среда.

Ток на насищане

Токът на насищане в индуктора е текущата стойност, при която индукторът губи свойствата си и не работи за съхранение на енергия в магнитно поле.

Размер срещу съпротива

Неговото нормално поведение, че пространството и съпротивлението зависят един от друг, защото ако е необходимо спестява място, трябва да спестим място, намалявайки стойността на AWG в магнитния проводник и ако искам да загубя съпротивление, трябва да увелича стойността на AWG в магнитния проводник.

Саморезонансна честота

Честотата на саморезонанса се постига, когато честотата на превключване отмени индуктивността и едва сега съществува паразитният капацитет. Много производители препоръчват поддържането на честотата на превключване като индуктор за поне десетилетие под честотата на саморезонанса. Например

Саморезонансна честота = 10MHz.

f-превключване = 1MHz.

Десетилетие = log [основа 10] (Честота на саморезонанс / f - превключване)

Десетилетие = дневник [база 10] (10MHz / 1MHz)

Десетилетие = 1

Ако искате да знаете повече за индуктори, моля, проверете следните връзки: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Стъпка 3: Индукторът е сърцето

Изберете идеалния индуктор

Индукторът е сърцето на DC / DC преобразувателите, поради което е изключително важно да се имат предвид следните точки, за да се постигне добра производителност на регулатора на напрежението.

Изходният ток на напрежението на регулатора, номиналният ток, токът на насищане и токът на вълните

В този случай производителят предоставя уравнения за изчисляване на идеалния индуктор според пулсационния ток, изходното напрежение, входното напрежение, честотата на превключване. Уравнението е показано по -долу.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-превключване x ток на вълни.

Ток на пулсации = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-превключване x L.

IL (пик) = Iout (Макс) + ток на пулсации / 2.

Прилагайки уравнението на пулсационния ток върху моя индуктор [Стойностите са в предишната стъпка] резултатите ще бъдат показани по -долу.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-Switching = 500kHz.

L = 4.7uH.

Iout = 1,5А.

Идеален пулсационен ток = 1.5A * 50%

Идеален ток на пулсации = 0,750A

Ток на пулсации = 5V (9V - 5V) / 9V x 500kHz x 4.7uH

Ток на пулсации = 0.95A*

IL (пик) = 1.5A + 0.95A / 2

IL (пик) = 1.975A **

*Препоръчва се използването на пулсационния ток близо до 20% - 50% от изходния ток. Но това не е общо правило, защото зависи от времето за реакция на превключващия регулатор. Когато се нуждаем от бърза реакция по време, трябва да използваме ниска индуктивност, тъй като времето на зареждане на индуктора е кратко, а когато се нуждаем от бавно време, трябва да използваме висока индуктивност, тъй като времето на зареждане е дълго и с това намаляваме EMI.

** Препоръчаният от производителя не надвишава максималния ток на долината, който поддържа устройството за поддържане на защитен обхват. В този случай максималният ток на долината е 4,5А.

Тези стойности могат да бъдат разгледани в следната връзка: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

Стъпка 4: Бъдещето е сега

Използвайте REDEXPERT, за да изберете най -добрия индуктор за вашия долар конвертор

REDEXPERT е чудесен инструмент, когато трябва да знаете кой е най -добрият индуктор за вашия доларов конвертор, усилващ преобразувател, сепичен преобразувател и др. Този инструмент поддържа множество топологии за симулиране на поведението на индуктора, но този инструмент поддържа само номера на части от Würth Electronik. В този инструмент можем да видим в графики температурния прираст спрямо тока и загубите на индуктивност срещу ток в индуктора. Необходими са само прости входни параметри, както е показано по -долу.

• Входен волтаж
• изходно напрежение
• токов изход
• честота на превключване
• пулсационен ток

Връзката е следната: REDEXPERT Simulator

Стъпка 5: Необходимостта ни е важна

Изчисляване на изходните стойности

Изчисляването на изходното напрежение е много просто, просто трябва да определим делител на напрежение, дефиниран от следното уравнение. Само ние се нуждаем от R1 и дефинираме изходно напрежение.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Показан по -долу пример, използващ RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5k

Стъпка 6: Страхотен инструмент за велик дизайнер на електроника

Използвайте инструментите на производителя

Използвах инструментите за симулация, предоставени от Richtek. В тази среда можете да видите поведението на DC/DC конвертора в стационарен анализ, преходен анализ, анализ при стартиране.

Резултатите могат да бъдат разгледани в изображенията, документите и видео симулацията.

Стъпка 7: Двама са по -добри от един

Дизайн на печатни платки в Eagle и Fusion 360

Дизайнът на печатни платки е направен на Eagle 9.5.6 в сътрудничество с Fusion 360.

По -долу са показани важните точки за създаване на печатна платка в Eagle CAD.

• Създаване на библиотека.
• Схематичен дизайн.
• Дизайн на печатни платки или дизайн на оформление
• Генерирайте истински 2D изглед.
• Добавете 3D модел към устройството в дизайна на оформлението.
• Синхронизирайте Eagle PCB към Fusion 360.

Забележка: Всички важни моменти са илюстрирани със снимки, които ще намерите в началото на тази стъпка.

Можете да изтеглите тази схема от хранилището на GitLab:

Стъпка 8: Един проблем, едно решение

Опитвайте се да вземете предвид всички променливи

Най -простото никога не е по -добро … Казах това за себе си, когато проектът ми се нагрява до 80ºC. Да, ако имате нужда от относително висок изходен ток, не използвайте линейни регулатори, защото те разсейват много енергия.

Моят проблем … изходният ток. Решението … използва DC/DC преобразувател за замяна на линеен регулатор на напрежение в пакет DPAK.

Защото това нарекох проекта Buck DPAK

Стъпка 9: Заключение

DC / DC преобразувателите са много ефективни системи за регулиране на напрежението при много високи токове, но при ниски токове те обикновено са по -малко ефективни, но не по -малко ефективни от линеен регулатор.

В днешно време е много лесно да можете да проектирате DC / DC преобразувател благодарение на факта, че производителите са улеснили начина, по който те се контролират и използват.