В поисках эффективности: 9 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

Конвертер BUCK на размер "DPAK"

Обычно начинающим разработчикам электроники или любителям нужен стабилизатор напряжения на печатной плате или макете. К сожалению, из-за простоты мы используем линейный стабилизатор напряжения, но в нем нет ничего плохого, потому что все зависит от приложения.

Например, в прецизионных аналоговых устройствах (например, измерительном оборудовании) лучше использовать линейный регулятор напряжения (чтобы минимизировать проблемы с шумом). Но в устройствах силовой электроники, таких как светодиодная лампа или предварительный регулятор для ступени линейных регуляторов (для повышения эффективности), лучше использовать стабилизатор напряжения преобразователя DC / DC BUCK в качестве основного источника питания, потому что эти устройства имеют более высокий КПД, чем линейный регулятор. в сильноточных выходах или при жесткой нагрузке.

Другой вариант, который не так элегантен, но является быстрым, - это использовать преобразователи постоянного тока в постоянный ток в сборных модулях и просто добавлять их поверх нашей печатной схемы, но это делает печатную плату намного больше.

В решении, которое я предлагаю любителю или новичку в электронике, используется модуль DC / DC BUCK преобразователя, который монтируется на поверхность, но экономит место.

Запасы

• 1 понижающий коммутирующий преобразователь 3A --- RT6214.
• 1 индуктор 4,7 мкГн / 2,9 А --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 Конденсатор 0805 22uF / 25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 Конденсатор 0402 100 нФ / 50 В --- GRM155R71H104ME14D
• 1 Конденсатор 0402 68pF / 50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 Резистор 0402 7,32к --- CRCW04027K32FKED
• 3 Резистор 0402 10к --- RC0402JR-0710KL

Шаг 1: Выбор лучшего ездока

Выбор DC / DC BUCK Converter

Первый шаг к разработке понижающего преобразователя постоянного тока в постоянный - найти лучшее решение для нашего приложения. Более быстрое решение заключается в использовании импульсного регулятора вместо переключательного контроллера.

Разница между этими двумя вариантами показана ниже.

Регулятор переключения

1. Часто они монолитны.
2. Эффективность лучше.
3. Они не поддерживают очень высокие выходные токи.
4. Их легче стабилизировать (требуется только схема RC).
5. Пользователю не требовалось много знаний о преобразователе постоянного тока в постоянный для создания схемы.
6. Предварительно настроены на работу только в определенной топологии.
7. Окончательная цена ниже.

Покажите ниже пример, уменьшенный с помощью регулятора переключения [первое изображение на этом шаге].

Контроллер переключения

1. Требуется множество внешних компонентов, таких как полевые МОП-транзисторы и диоды.
2. Они более сложные, и пользователю нужно больше знаний о преобразователе постоянного тока в постоянный, чтобы разработать схему.
3. Они могут использовать больше топологий.
4. Поддерживает очень высокий выходной ток.
5. Окончательная цена выше.

Покажите ниже типичную прикладную схему контроллера переключения [второе изображение на этом этапе]

• Учитывая следующие моменты.

  1. Расходы.
  2. Пространство [От этого зависит выходная мощность].
  3. Выходная мощность.
  4. Эффективность.
  5. Сложность.

В этом случае я использую Richtek RT6214 [A для непрерывного режима лучше для жесткой нагрузки, а вариант B - он работает в прерывистом режиме, который лучше для легкой нагрузки и повышает эффективность при низких выходных токах], то есть постоянного тока / DC понижающий преобразователь монолитный [и поэтому нам не нужны никакие внешние компоненты, такие как силовые полевые МОП-транзисторы и диоды Шоттки, потому что преобразователь имеет встроенные переключатели полевых МОП-транзисторов и другие полевые МОП-транзисторы, которые работают, например диоды].

Более подробную информацию можно найти по следующим ссылкам: Buck_converter_guide, Сравнение топологий понижающего преобразователя, Критерии выбора понижающего преобразователя.

Шаг 2. Индуктор - ваш лучший союзник в преобразователе постоянного тока в постоянный

Понимание индуктора [Анализ таблицы данных]

Учитывая пространство в моей схеме, я использую ECS-MPI4040R4-4R7-R с емкостью 4,7 мкГн, номинальным током 2,9 А, током насыщения 3,9 А и сопротивлением постоянному току 67 Ом.

Номинальный ток

Номинальный ток - это значение тока, при котором катушка индуктивности не теряет таких свойств, как индуктивность, и не приводит к значительному увеличению температуры окружающей среды.

Ток насыщения

Ток насыщения в катушке индуктивности - это значение тока, при котором катушка индуктивности теряет свои свойства и не сохраняет энергию в магнитном поле.

Размер против сопротивления

Его нормальное поведение состоит в том, что пространство и сопротивление зависят друг от друга, потому что, если необходимо экономит место, нам нужно сэкономить место, уменьшив значение AWG в магнитном проводе, и если я хочу потерять сопротивление, я должен увеличить значение AWG в магнитном проводе.

Частота собственного резонанса

Частота собственного резонанса достигается, когда частота переключения отменяет индуктивность, и только теперь существует паразитная емкость. Многие производители рекомендовали поддерживать частоту коммутации индуктора как минимум на десять лет ниже собственной резонансной частоты. Например

Частота собственного резонанса = 10 МГц.

f-переключение = 1 МГц.

Десятилетие = log [основание 10] (частота саморезонанса / f - переключение)

Десятилетие = журнал [основание 10] (10 МГц / 1 МГц)

Десятилетие = 1

Если вы хотите узнать больше об индукторах, проверьте следующие ссылки: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Шаг 3. Индуктор - это сердце

Выбор идеального индуктора

Катушка индуктивности является сердцем преобразователей постоянного / постоянного тока, поэтому чрезвычайно важно помнить о следующих моментах, чтобы добиться хороших характеристик регулятора напряжения.

Выходной ток регулятора напряжения, номинальный ток, ток насыщения и ток пульсации

В этом случае производитель предоставляет уравнения для расчета идеальной катушки индуктивности в зависимости от тока пульсаций, выходного напряжения, входного напряжения и частоты переключения. Уравнение показано ниже.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-переключение x ток пульсации.

Ток пульсации = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-переключение x L.

IL (пик) = Iout (макс.) + Ток пульсации / 2.

Применяя уравнение пульсирующего тока к моей катушке индуктивности [значения указаны в предыдущем шаге], результаты будут показаны ниже.

Вин = 9В.

Vout = 5В.

f-переключение = 500 кГц.

L = 4,7 мкГн.

Iout = 1,5 А.

Идеальный ток пульсаций = 1,5 А * 50%

Идеальный ток пульсаций = 0,750 А

Ток пульсации = 5 В (9 В - 5 В) / 9 В x 500 кГц x 4,7 мкГн

Ток пульсации = 0,95 А *

IL (пик) = 1,5 А + 0,95 А / 2

IL (пик) = 1,975 А **

* Рекомендуется использовать пульсирующий ток около 20% - 50% выходного тока. Но это не общее правило, потому что оно зависит от времени отклика переключающего регулятора. Когда нам нужен быстрый отклик, мы должны использовать низкую индуктивность, потому что время заряда индуктора короткое, а когда нам нужно медленное время отклика, мы должны использовать высокую индуктивность, потому что время зарядки велико, и с этим мы уменьшаем EMI.

** Рекомендуемый производителем не превышает максимальный ток впадины, который поддерживает устройство для поддержания безопасного диапазона. В этом случае максимальный ток впадины составляет 4,5 А.

С этими значениями можно ознакомиться по следующей ссылке: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor.

Шаг 4: будущее наступило

Используйте REDEXPERT, чтобы выбрать лучшую катушку индуктивности для вашего понижающего преобразователя

REDEXPERT - отличный инструмент, когда вам нужно знать, какой индуктор лучше всего подходит для вашего понижающего преобразователя, повышающего преобразователя, отдельного преобразователя и т. Д. Этот инструмент поддерживает несколько топологий для моделирования поведения вашего индуктора, но этот инструмент поддерживает только номера деталей от Würth Electronik. В этом инструменте мы можем просматривать графики зависимости приращения температуры от тока и потерь индуктивности от тока в катушке индуктивности. Для этого нужны только простые входные параметры, такие как показано ниже.

• Входное напряжение
• выходное напряжение
• текущий выход
• частота переключения
• пульсирующий ток

Ссылка следующая: РЕДЭКСПЕРТ Симулятор

Шаг 5: наша потребность важна

Расчет выходных значений

Вычислить выходное напряжение очень просто, нам просто нужно определить делитель напряжения, определяемый следующим уравнением. Только нам нужен R1 и определение выхода напряжения.

Vref = 0,8 [RT6214A / BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Ниже показан пример использования RT6214AHGJ6F.

R2 = 10к.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

R1 = 10к (5 - 0,8) / 0,8.

R1 = 52,5 тыс.

Шаг 6: отличный инструмент для великого дизайнера электроники

Используйте инструменты производителя

Я использовал инструменты моделирования, предоставленные Richtek. В этой среде вы можете просматривать поведение преобразователя постоянного тока в постоянный, анализ переходных процессов и анализ запуска.

А с результатами можно ознакомиться в изображениях, документах и видео симуляции.

Шаг 7: два лучше, чем один

Дизайн печатной платы в Eagle и Fusion 360

Дизайн печатной платы выполнен в Eagle 9.5.6 в сотрудничестве с Fusion 360. Я синхронизирую трехмерный дизайн с дизайном печатной платы, чтобы получить реальное представление о схемотехнике.

Ниже показаны важные моменты для создания печатной платы в Eagle CAD.

• Библиотека создать.
• Схематический дизайн.
• Дизайн печатной платы или дизайн макета
• Создание реального 2D-вида.
• Добавьте 3D-модель к устройству в макете.
• Синхронизируйте плату Eagle с Fusion 360.

Примечание: все важные моменты иллюстрированы изображениями, которые вы найдете в начале этого шага.

Вы можете скачать эту схему в репозитории GitLab:

Шаг 8: одна проблема, одно решение

Всегда пытайтесь учесть все переменные

Самое простое никогда не бывает лучше… Я сказал себе это, когда мой проект нагревался до 80ºC. Да, если вам нужен относительно высокий выходной ток, не используйте линейные регуляторы, потому что они рассеивают большую мощность.

Моя проблема… выходной ток. Решение… использует преобразователь постоянного тока в постоянный вместо линейного регулятора напряжения в корпусе DPAK.

Потому что это я назвал проект Buck DPAK

Шаг 9: Заключение

Преобразователи постоянного тока в постоянный представляют собой очень эффективные системы для регулирования напряжения при очень высоких токах, однако при низких токах они обычно менее эффективны, но не менее эффективны, чем линейный регулятор.

В настоящее время очень легко разработать преобразователь постоянного тока в постоянный, благодаря тому, что производители упростили способ их управления и использования.