Ieškant efektyvumo .: 9 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:45

BUCK keitiklis „DPAK“dydžiui

Paprastai pradedančiajam elektronikos dizaineriui ar mėgėjui mums reikia įtampos reguliatoriaus spausdintinėje plokštėje arba duonos plokštėje. Deja, dėl paprastumo mes naudojame linijinį įtampos reguliatorių, tačiau jie nėra visiškai blogi, nes kada nors viskas priklauso nuo taikymo.

Pavyzdžiui, tiksliuose analoginiuose prietaisuose (pvz., Matavimo įrangoje) vis geriau naudojamas linijinis įtampos reguliatorius (siekiant sumažinti triukšmo problemas). Tačiau galios elektronikos prietaisuose, tokiuose kaip lempos šviesos diodas arba išankstinis reguliatorius linijiniams reguliatorių etapams (siekiant pagerinti efektyvumą), geriau naudoti DC/DC BUCK keitiklio įtampos reguliatorių kaip pagrindinį maitinimo šaltinį, nes šie prietaisai yra geresni nei linijinis reguliatorius esant didelės srovės išėjimams arba sunkiai įkraunant.

Kitas variantas, kuris nėra toks elegantiškas, bet greitas, yra naudoti DC / DC keitiklius surenkamuose moduliuose ir tiesiog pridėti juos prie spausdintinės grandinės, tačiau tai daro plokštę daug didesnę.

Mėgėjui ar elektronikos pradedančiajam siūlamas sprendimas naudoja DC/DC BUCK modulio keitiklį, kuris yra ant paviršiaus montuojamas modulis, tačiau taupo vietą.

Prekės

• 1 „Buck“perjungimo keitiklis 3A --- RT6214.
• 1 Induktorius 4.7uH/2.9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 Kondensatorius 0805 22uF/25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 Kondensatorius 0402 100nF/50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 Kondensatorius 0402 68pF/50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 rezistorius 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Rezistorius 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

1 žingsnis: geriausio raitelio pasirinkimas

DC/DC BUCK keitiklio pasirinkimas

Pirmasis žingsnis kuriant DC/DC Buck keitiklį yra rasti geriausią sprendimą mūsų programai. Greitesnis sprendimas yra naudoti perjungimo reguliatorių, o ne perjungimo valdiklį.

Skirtumas tarp šių dviejų variantų parodytas žemiau.

Perjungimo reguliatorius

1. Daug kartų jie yra monolitiniai.
2. Efektyvumas yra geresnis.
3. Jie nepalaiko labai didelių išėjimo srovių.
4. Juos lengviau stabilizuoti (reikia tik grandinės RC).
5. Norėdami sukurti grandinės dizainą, vartotojui nereikėjo daug žinių apie DC/DC keitiklį.
6. Yra iš anksto sukonfigūruoti veikti tik pagal konkrečią topologiją.
7. Galutinė kaina yra mažesnė.

Žemiau parodykite perjungimo reguliatoriaus sumažintą pavyzdį [Pirmasis šio veiksmo vaizdas].

Perjungimo valdiklis

1. Reikalauti daug išorinių komponentų, tokių kaip MOSFET ir diodai.
2. Jie yra sudėtingesni ir vartotojui reikia daugiau žinių apie DC/DC keitiklį, kad būtų sukurta grandinė.
3. Jie gali naudoti daugiau topologijų.
4. Palaikykite labai didelę išėjimo srovę.
5. Galutinė kaina yra didesnė.

Žemiau parodykite tipišką perjungimo valdiklio taikymo grandinę [Antrasis šio veiksmo vaizdas]

• Atsižvelgiant į šiuos dalykus.

  1. Kaina.
  2. Erdvė [Galia priklauso nuo to].
  3. Galia.
  4. Efektyvumas.
  5. Sudėtingumas.

Šiuo atveju aš naudoju „Richtek RT6214“[A nuolatiniam režimui geriau tinka sunkiai apkrovai, o parinktis B, kad ji veiktų nepertraukiamu režimu, kuris geriau tinka mažai apkrovai ir pagerina efektyvumą esant mažoms išėjimo srovėms], tai yra nuolatinė srovė /DC Buck Converter monolitinis [ir todėl mums nereikia jokių išorinių komponentų, tokių kaip maitinimo MOSFET ir diodai Schottky, nes keitiklyje yra integruoti MOSFET jungikliai ir kiti MOSFET, kurie veikia, pvz., Diodas].

Išsamesnės informacijos rasite šiose nuorodose: „Buck_converter_guide“, „Buck Converter“topologijų palyginimas, „Buck Converter“pasirinkimo kriterijai

2 žingsnis: Induktorius yra geriausias jūsų sąjungininkas DC/DC keitiklyje

Induktoriaus supratimas [Duomenų lapo analizė]

Atsižvelgdamas į mano grandinės erdvę, naudoju ECS-MPI4040R4-4R7-R su 4,7uH, vardinė srovė 2,9A, soties srovė 3,9A, o nuolatinės srovės varža 67m omų.

Nominali srovė

Nominali srovė yra dabartinė vertė, kai induktorius nepraranda tokių savybių kaip induktyvumas ir reikšmingai nepadidina aplinkos temperatūros.

Prisotinimo srovė

Induktoriaus soties srovė yra dabartinė vertė, kai induktorius praranda savo savybes ir neveikia, kad kauptų energiją magnetiniame lauke.

Dydis vs atsparumas

Įprastas elgesys, kad erdvė ir pasipriešinimas priklauso vienas nuo kito, nes, jei reikia, sutaupoma vietos, turime sutaupyti vietos, sumažindami magnetinio laido AWG vertę, o jei noriu prarasti atsparumą, turėčiau padidinti magnetinio laido AWG vertę.

Savaiminio rezonanso dažnis

Savaiminio rezonanso dažnis pasiekiamas, kai perjungimo dažnis atšaukia induktyvumą ir tik dabar egzistuoja parazitinė talpa. Daugelis gamintojų rekomendavo induktoriaus perjungimo dažnį išlaikyti bent dešimtmetį žemiau savirezonansinio dažnio. Pavyzdžiui

Savaiminio rezonanso dažnis = 10MHz.

f-perjungimas = 1MHz.

Dešimtmetis = žurnalas [10 bazė] (savaiminio rezonanso dažnis / f - perjungimas)

Dešimtmetis = žurnalas [10 bazė] (10 MHz / 1 MHz)

Dešimtmetis = 1

Jei norite sužinoti daugiau apie induktorius, patikrinkite šias nuorodas: „Self_resonance_inductor“, „Saturation_current_vs nominal_current“

3 žingsnis: induktorius yra širdis

Pasirinkite idealų induktorių

Induktorius yra nuolatinės / nuolatinės srovės keitiklių širdis, todėl norint pasiekti gerą įtampos reguliatoriaus veikimą, labai svarbu atsižvelgti į šiuos dalykus.

Reguliatoriaus įtampos, vardinės srovės, prisotinimo srovės ir pulsavimo srovės išėjimo srovė

Šiuo atveju gamintojas pateikia lygtis, kad apskaičiuotų idealų induktorių pagal pulsavimo srovę, išėjimo įtampą, įtampos įėjimą, perjungimo dažnį. Lygtis parodyta žemiau.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-komutavimo x pulsavimo srovė.

Ripple srovė = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-perjungimas x L.

IL (smailė) = Iout (maks.) + Pulsavimo srovė / 2.

Taikant pulsavimo srovės lygtį mano induktoriui [vertės yra ankstesniame žingsnyje], rezultatai bus parodyti žemiau.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-perjungimas = 500 kHz.

L = 4,7uH.

Iout = 1,5A.

Ideali pulsavimo srovė = 1,5A * 50%

Ideali pulsavimo srovė = 0,750A

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

Ripple srovė = 0,95A*

IL (smailė) = 1,5A + 0,95A / 2

IL (smailė) = 1,975A **

*Rekomenduojama naudoti pulsavimo srovę beveik 20% - 50% išėjimo srovės. Bet tai nėra bendra taisyklė, nes tai priklauso nuo perjungimo reguliatoriaus reakcijos laiko. Kai mums reikia greito laiko atsako, turėtume naudoti mažą induktyvumą, nes induktoriaus įkrovimo laikas yra trumpas, o kai mums reikia lėto atsako, turėtume naudoti didelį induktyvumą, nes įkrovimo laikas yra ilgas, o tai sumažina EMI.

** Gamintojo rekomenduojama neviršyti maksimalios slėnio srovės, kuri palaiko įrenginį, kad būtų išlaikytas saugus diapazonas. Šiuo atveju didžiausia slėnio srovė yra 4,5 A.

Su šiomis vertėmis galite susipažinti šioje nuorodoje: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

4 žingsnis: Ateitis yra dabar

Naudokite REDEXPERT, kad pasirinktumėte geriausią indukcinį keitiklį

„REDEXPERT“yra puikus įrankis, kai jums reikia žinoti, koks induktorius yra geriausias jūsų pinigų konverteriui, padidinimo keitikliui, sepsiniam keitikliui ir pan. Šis įrankis palaiko kelias topologijas, kad imituotų jūsų induktoriaus elgesį, tačiau šis įrankis palaiko tik „Würth Electronik“dalių numerius. Naudodami šį įrankį, grafikuose galime matyti temperatūros prieaugį ir srovę bei induktyvumo ir srovės nuostolius induktoriuje. Tam reikia tik paprastų įvesties parametrų, tokių kaip parodyta žemiau.

• Įėjimo įtampa
• išėjimo įtampa
• srovės išėjimas
• perjungimo dažnis
• banguota srovė

Nuoroda yra tokia: REDEXPERT Simulator

5 žingsnis: mūsų poreikis yra svarbus

Išvesties verčių apskaičiavimas

Išvesties įtampą apskaičiuoti labai paprasta, mums tereikia apibrėžti įtampos daliklį, apibrėžtą tokia lygtimi. Tik mums reikia R1 ir apibrėžti išėjimo įtampą.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Žemiau pateiktas pavyzdys naudojant RT6214AHGJ6F.

R2 = 10 tūkst.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5 tūkst

6 žingsnis: puikus įrankis puikiam elektronikos dizaineriui

Naudokite gamintojo įrankius

Aš naudoju „Richtek“pateiktus modeliavimo įrankius. Šioje aplinkoje galite peržiūrėti DC/DC keitiklio elgseną, kai atliekama pastovios būsenos analizė, trumpalaikė analizė, paleidimo analizė.

Su rezultatais galima susipažinti vaizdų, dokumentų ir vaizdo įrašų modeliavimo metu.

7 žingsnis: du yra geresni už vieną

PCB dizainas „Eagle“ir „Fusion 360“

PCB dizainas sukurtas „Eagle 9.5.6“, bendradarbiaujant su „Fusion 360 I“, sinchronizuojant 3D dizainą su PCB dizainu, kad būtų galima iš tikrųjų pamatyti grandinės dizainą.

Žemiau pateikiami svarbūs punktai, skirti sukurti PCB „Eagle CAD“.

• Bibliotekos kūrimas.
• Scheminis dizainas.
• PCB dizainas arba maketo dizainas
• Sukurkite tikrą 2D vaizdą.
• Pridėkite 3D modelį prie įrenginio, kurdami maketą.
• Sinchronizuokite „Eagle“PCB su „Fusion 360“.

Pastaba: visas svarbus dalykas iliustruotas paveikslėliais, kuriuos rasite šio veiksmo pradžioje.

Šią grandinę galite atsisiųsti „GitLab“saugykloje:

8 žingsnis: viena problema, vienas sprendimas

Kada nors pabandykite atsižvelgti į visus kintamuosius

Paprasčiausias niekada nėra geresnis … Aš tai pasakiau sau, kai mano projektas įkaista iki 80ºC. Taip, jei jums reikia palyginti didelės išėjimo srovės, nenaudokite linijinių reguliatorių, nes jie išsklaido daug energijos.

Mano problema … išėjimo srovė. Sprendimas… naudoja DC/DC keitiklį, kad pakeistų linijinį įtampos reguliatorių DPAK pakuotėje.

Nes tai aš pavadinau „Buck DPAK“projektu

9 žingsnis: Išvada

Nuolatinės / nuolatinės srovės keitikliai yra labai efektyvios sistemos, skirtos įtampai reguliuoti esant labai didelei srovei, tačiau esant žemai srovei jos paprastai yra mažiau veiksmingos, bet ne mažiau efektyvios nei linijinis reguliatorius.

Šiais laikais labai lengva sukurti DC / DC keitiklį, nes gamintojai palengvino jų valdymą ir naudojimą.