Efektivitātes meklējumos .: 9 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:53

BUCK pārveidotājs par "DPAK" izmēru

Parasti iesācējiem elektroniski dizaineriem vai hobijiem mums ir nepieciešams sprieguma regulators iespiestajā shēmas plates vai maizes plāksnē. Diemžēl vienkāršības dēļ mēs izmantojam lineāru sprieguma regulatoru, taču tas nav pilnīgi slikti, jo jebkad ir atkarīgs no pielietojuma.

Piemēram, precīzās analogās ierīcēs (piemēram, mērīšanas iekārtās) arvien labāk tiek izmantots lineārais sprieguma regulators (lai samazinātu trokšņa problēmas). Bet jaudas elektronikas ierīcēs, piemēram, lampas LED vai lineārā regulatoru posma priekšregulatorā (efektivitātes uzlabošanai), labāk kā galveno barošanas avotu izmantot DC/DC BUCK pārveidotāja sprieguma regulatoru, jo šīs ierīces ir efektīvākas nekā lineārais regulators lielās strāvas izejās vai smagi noslogot.

Vēl viena iespēja, kas nav tik eleganta, bet ātra, ir izmantot līdzstrāvas / līdzstrāvas pārveidotājus saliekamos moduļos un vienkārši pievienot tos virs mūsu drukātās shēmas, taču tas padara shēmas plati daudz lielāku.

Risinājums, ko es piedāvāju hobijam vai elektronikas iesācējam, izmanto moduļa DC/DC BUCK pārveidotāju, kas ir uz virsmas montējams modulis, bet ietaupa vietu.

Piegādes

• 1 Buck komutācijas pārveidotājs 3A --- RT6214.
• 1 Induktors 4.7uH/2.9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 Kondensators 0805 22uF/25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 Kondensators 0402 100nF/50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 kondensators 0402 68pF/50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 Rezistors 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Rezistors 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

1. darbība. Labākā braucēja izvēle

DC/DC BUCK pārveidotāja izvēle

Pirmais solis DC/DC Buck pārveidotāja projektēšanā ir atrast mūsu lietojumprogrammai labāko risinājumu. Ātrāks risinājums ir pārslēgšanas regulatora izmantošana, nevis komutācijas kontrolieris.

Atšķirība starp šīm divām iespējām ir parādīta zemāk.

Pārslēgšanas regulators

1. Daudzas reizes tie ir monolīti.
2. Efektivitāte ir labāka.
3. Tie neatbalsta ļoti lielas izejas strāvas.
4. Tos ir vieglāk stabilizēt (nepieciešama tikai ķēdes RC).
5. Lai izveidotu ķēdes dizainu, lietotājam nav vajadzīgas lielas zināšanas par līdzstrāvas/līdzstrāvas pārveidotāju.
6. Ir iepriekš konfigurēti darbam tikai noteiktā topoloģijā.
7. Galīgā cena ir zemāka.

Tālāk parādiet piemēru, kas samazināts ar komutācijas regulatoru [Pirmais attēls šajā solī].

Pārslēgšanas kontrolieris

1. Nepieciešams daudz ārēju komponentu, piemēram, MOSFET un diodes.
2. Tie ir sarežģītāki, un, lai izveidotu ķēdes dizainu, lietotājam ir vajadzīgas vairāk zināšanu par līdzstrāvas/līdzstrāvas pārveidotāju.
3. Viņi var izmantot vairāk topoloģiju.
4. Atbalsta ļoti lielu izejas strāvu.
5. Galīgā cena ir augstāka.

Parādiet zemāk tipisku komutācijas kontrollera pielietojuma shēmu [Otrais attēls šajā solī]

• Ņemot vērā šādus punktus.

  1. Izmaksas.
  2. Space [Jauda ir atkarīga no tā].
  3. Jauda.
  4. Efektivitāte.
  5. Sarežģītība.

Šajā gadījumā es izmantoju Richtek RT6214 [A nepārtrauktam režīmam ir labāks smagajai slodzei, un opcija B, ka tā darbojas pārtrauktajā režīmā, kas ir labāka nelielai slodzei un uzlabo efektivitāti pie zemām izejas strāvām], tas ir, līdzstrāva /DC Buck Converter monolīts [un līdz ar to mums nav nepieciešami nekādi ārēji komponenti, piemēram, strāvas MOSFET un Schottky diodes, jo pārveidotājam ir integrēti MOSFET slēdži un citi MOSFET, kas darbojas, piemēram, diode].

Sīkāku informāciju var atrast šādās saitēs: Buck_converter_guide, Buck Converter topoloģiju salīdzināšana, Buck Converter izvēles kritēriji.

2. solis: Induktors ir jūsu labākais sabiedrotais DC/DC pārveidotājā

Induktora izpratne [Datu lapas analīze]

Ņemot vērā vietu manā ķēdē, es izmantoju ECS-MPI4040R4-4R7-R ar 4.7uH, nominālo strāvu 2.9A un piesātinājuma strāvu 3.9A un līdzstrāvas pretestību 67m omi.

Nominālā strāva

Nominālā strāva ir pašreizējā vērtība, kurā induktors nezaudē tādas īpašības kā induktivitāte un būtiski nepaaugstina apkārtējās vides temperatūru.

Piesātinājuma strāva

Piesātinājuma strāva induktorā ir pašreizējā vērtība, kurā induktors zaudē savas īpašības un nedarbojas, lai uzglabātu enerģiju magnētiskajā laukā.

Izmērs pret pretestību

Tā parastā uzvedība, ka telpa un pretestība ir atkarīgas viena no otras, jo, ja nepieciešams, tiek ietaupīta vieta, mums ir jātaupa vieta, samazinot AWG vērtību magnēta vadā, un, ja vēlos zaudēt pretestību, man jāpalielina AWG vērtība magnēta vadā.

Pašrezonanses frekvence

Pašrezonanses frekvence tiek sasniegta, kad pārslēgšanās frekvence atcēla induktivitāti un tikai tagad pastāv parazītiskā kapacitāte. Daudzi ražotāji ieteica induktora pārslēgšanas frekvenci saglabāt vismaz desmit gadus zem pašrezonanses frekvences. Piemēram

Pašrezonanses frekvence = 10MHz.

f-komutācija = 1MHz.

Desmitgades = žurnāls [bāze 10] (pašrezonanses frekvence / f - pārslēgšanās)

Desmitgades = žurnāls [bāze 10] (10 MHz / 1 MHz)

Desmitgades = 1

Ja vēlaties uzzināt vairāk par induktoriem, lūdzu, pārbaudiet šīs saites: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

3. solis: Induktors ir sirds

Izvēlieties ideālo induktoru

Induktors ir līdzstrāvas / līdzstrāvas pārveidotāju sirds, tādēļ, lai sasniegtu labu sprieguma regulatora darbību, ir ārkārtīgi svarīgi paturēt prātā šādus punktus.

Regulatora sprieguma, nominālās strāvas, piesātinājuma strāvas un pulsācijas strāvas izejas strāva

Šajā gadījumā ražotājs nodrošina vienādojumus, lai aprēķinātu ideālo induktoru atbilstoši pulsācijas strāvai, sprieguma izejai, sprieguma ieejai, pārslēgšanās frekvencei. Vienādojums ir parādīts zemāk.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-komutācijas x pulsācijas strāva.

Ripple strāva = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-komutācija x L.

IL (maksimums) = Iout (Max) + pulsācijas strāva / 2.

Piemērojot pulsācijas strāvas vienādojumu manam induktoram [Vērtības ir iepriekšējā solī], rezultāti tiks parādīti zemāk.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-komutācija = 500 kHz.

L = 4,7uH.

Iout = 1,5A.

Ideāla pulsācijas strāva = 1,5A * 50%

Ideāla pulsācijas strāva = 0,750A

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

Ripple strāva = 0,95A*

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

IL (maksimums) = 1,975A **

*Ieteicams izmantot pulsācijas strāvu tuvu 20% - 50% no izejas strāvas. Bet tas nav vispārējs noteikums, jo tas ir atkarīgs no komutācijas regulatora reakcijas laika. Ja mums nepieciešama ātra laika reakcija, mums jāizmanto zema induktivitāte, jo induktora uzlādes laiks ir īss, un, ja mums nepieciešama lēna laika reakcija, mums jāizmanto augsta induktivitāte, jo uzlādes laiks ir garš, un līdz ar to mēs samazinām EMI.

** Ražotāja ieteiktais nepārsniedz maksimālo ielejas strāvu, kas atbalsta ierīci, lai saglabātu drošu diapazonu. Šajā gadījumā maksimālā ielejas strāva ir 4,5A.

Ar šīm vērtībām var iepazīties, izmantojot šo saiti: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

4. solis: nākotne ir tagad

Izmantojiet REDEXPERT, lai izvēlētos labāko induktors jūsu buck pārveidotājs

REDEXPERT ir lielisks rīks, ja jums jāzina, kāds ir labākais jūsu buka pārveidotāja, pastiprinātāja pārveidotāja, septiskā pārveidotāja uc induktors. Šis rīks atbalsta vairākas topoloģijas, lai simulētu jūsu induktora uzvedību, taču šis rīks atbalsta tikai Würth Electronik detaļu numurus. Šajā rīkā mēs grafikos varam redzēt temperatūras pieaugumu pret strāvu un induktivitātes zudumus pret strāvu induktorā. Tam nepieciešami tikai vienkārši ievades parametri, kā parādīts zemāk.

• Ieejas spriegums
• izejas spriegums
• pašreizējā izeja
• pārslēgšanās frekvence
• pulsējoša strāva

Saite ir šāda: REDEXPERT Simulator

5. darbība. Mūsu vajadzības ir svarīgas

Izejas vērtību aprēķināšana

Izejas sprieguma aprēķināšana ir ļoti vienkārša, mums vienkārši jānosaka sprieguma dalītājs, kas definēts ar šādu vienādojumu. Tikai mums ir nepieciešams R1 un jānosaka sprieguma izeja.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Tālāk parādīts piemērs, izmantojot RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5k

6. solis: lielisks rīks lieliskam elektronikas dizaineram

Izmantojiet ražotāja instrumentus

Es izmantoju Richtek piedāvātos simulācijas rīkus. Šajā vidē jūs varat apskatīt līdzstrāvas/līdzstrāvas pārveidotāja uzvedību līdzsvara stāvokļa analīzē, pārejošā analīzē, palaišanas analīzē.

Un ar rezultātiem var iepazīties attēlos, dokumentos un video simulācijā.

7. solis: divi ir labāki par vienu

PCB dizains Eagle un Fusion 360

PCB dizains ir veidots uz Eagle 9.5.6 sadarbībā ar Fusion 360 I, lai sinhronizētu 3D dizainu ar PCB dizainu, lai iegūtu reālu priekšstatu par shēmas dizainu.

Tālāk ir parādīti svarīgi punkti, lai izveidotu PCB Eagle CAD.

• Bibliotēkas izveide.
• Shematisks dizains.
• PCB dizains vai izkārtojuma dizains
• Ģenerēt reālu 2D skatu.
• Izkārtojuma dizainā pievienojiet ierīcei 3D modeli.
• Sinhronizējiet Eagle PCB ar Fusion 360.

Piezīme: visu svarīgo punktu ilustrē attēli, kas atrodami šīs darbības sākumā.

Šo shēmu varat lejupielādēt GitLab krātuvē:

8. solis: viena problēma, viens risinājums

Kādreiz mēģiniet ņemt vērā visus mainīgos

Vienkāršākais nekad nav labāks … To es sev teicu, kad mans projekts uzsilda līdz 80ºC. Jā, ja jums nepieciešama salīdzinoši liela izejas strāva, neizmantojiet lineāros regulatorus, jo tie izkliedē daudz enerģijas.

Mana problēma … izejas strāva. Risinājums… izmanto DC/DC pārveidotāju, lai aizstātu lineāro sprieguma regulatoru DPAK iepakojumā.

Tāpēc, ka es to saucu par Buka DPAK projektu

9. solis. Secinājums

Līdzstrāvas / līdzstrāvas pārveidotāji ir ļoti efektīvas sistēmas sprieguma regulēšanai pie ļoti lielām strāvām, tomēr pie zemām strāvām tie parasti ir mazāk efektīvi, bet ne mazāk efektīvi nekā lineārais regulators.

Mūsdienās ir ļoti viegli izveidot DC / DC pārveidotāju, pateicoties tam, ka ražotāji ir atvieglojuši to vadību un izmantošanu.