W poszukiwaniu efektywności.: 9 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Konwerter BUCK w rozmiarze "DPAK"

Zwykle początkujący projektant elektroniki lub hobbysta potrzebuje regulatora napięcia w płytce drukowanej lub płytce stykowej. Niestety przez prostotę używamy liniowego regulatora napięcia, ale nie są one całkowicie złe, ponieważ zawsze zależy od aplikacji.

Na przykład w precyzyjnych urządzeniach analogowych (takich jak sprzęt pomiarowy) coraz lepiej stosuje się liniowy regulator napięcia (aby zminimalizować problemy z szumami). Jednak w urządzeniach energoelektronicznych, takich jak lampa LED, czy pre-regulator dla stopnia regulatorów liniowych (w celu poprawy wydajności) lepiej jest użyć jako głównego źródła przetwornicy napięcia przetwornicy DC/DC BUCK, ponieważ urządzenia te mają lepszą wydajność niż regulator liniowy w wyjściach wysokoprądowych lub obciążeniach twardych.

Inną opcją, która nie jest tak elegancka, ale jest szybka, jest użycie konwerterów DC/DC w prefabrykowanych modułach i po prostu dodanie ich na górze naszego obwodu drukowanego, ale dzięki temu płytka drukowana jest znacznie większa.

Rozwiązanie, które proponuję hobbystom lub początkującym elektronikom wykorzystuje moduł przetwornicy DC/DC BUCK czyli moduł do montażu powierzchniowego, ale oszczędzający miejsce.

Kieszonkowe dzieci

• 1 Konwerter przełączający Buck 3A --- RT6214.
• 1 cewka 4,7uH/2,9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 Kondensatory 0805 22uF/25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 Kondensatory 0402 100nF/50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 Kondensator 0402 68pF/50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 Rezystor 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Rezystor 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

Krok 1: Wybór najlepszego jeźdźca

Wybór konwertera DC/DC BUCK

Pierwszym krokiem do zaprojektowania przetwornicy DC/DC Buck jest znalezienie najlepszego rozwiązania dla naszej aplikacji. Szybszym rozwiązaniem jest zastosowanie regulatora przełączającego zamiast regulatora przełączającego.

Różnica między tymi dwiema opcjami jest pokazana poniżej.

Regulator przełączania

1. Często są monolityczne.
2. Wydajność jest lepsza.
3. Nie obsługują bardzo wysokich prądów wyjściowych.
4. Łatwiej je ustabilizować (Wymaga tylko obwodu RC).
5. Użytkownik nie potrzebował dużej wiedzy na temat przetwornika DC/DC do wykonania projektu obwodu.
6. Są wstępnie skonfigurowane do pracy tylko w określonej topologii.
7. Ostateczna cena jest niższa.

Pokaż poniżej przykład pomniejszony o regulator przełączania [Pierwszy obraz w tym kroku].

Sterownik przełączania

1. Wymagają wielu elementów zewnętrznych, takich jak tranzystory MOSFET i diody.
2. Są bardziej złożone i użytkownik potrzebuje więcej wiedzy na temat przetwornika DC/DC, aby zaprojektować obwód.
3. Mogą używać większej liczby topologii.
4. Obsługuje bardzo wysoki prąd wyjściowy.
5. Ostateczna cena jest wyższa.

Pokaż poniżej typowy obwód aplikacji kontrolera przełączającego [Drugi obraz w tym kroku]

• Biorąc pod uwagę następujące punkty.

  1. Koszt.
  2. Spacja [Od tego zależy moc wyjściowa].
  3. Moc wyjściowa.
  4. Efektywność.
  5. Złożoność.

W tym przypadku używam Richtek RT6214 [A dla trybu ciągłego jest lepsze dla dużego obciążenia, a opcja B, że pracuje w trybie nieciągłym, co jest lepsze dla lekkiego obciążenia i poprawia wydajność przy niskich prądach wyjściowych] czyli DC /DC Buck Converter monolityczny [dzięki czemu nie potrzebujemy żadnych elementów zewnętrznych, takich jak Power MOSFET i diody Schottky'ego, ponieważ konwerter ma zintegrowane przełączniki MOSFET i inne MOSFET, które działają, takie jak dioda].

Bardziej szczegółowe informacje można znaleźć pod następującymi linkami: Buck_converter_guide, Porównanie topologii Buck Converter, Kryteria wyboru Buck Converter

Krok 2: Cewka indukcyjna jest Twoim najlepszym sprzymierzeńcem w konwerterze DC/DC

Zrozumienie cewki indukcyjnej [Analiza arkusza danych]

Biorąc pod uwagę miejsce na moim obwodzie, używam ECS-MPI4040R4-4R7-R z 4,7uH, prądem nominalnym 2,9A i prądem nasycenia 3,9A i rezystancją DC 67m omów.

Prąd nominalny

Prąd znamionowy to wartość prądu, przy której cewka nie traci właściwości takich jak indukcyjność i nie zwiększa znacząco temperatury otoczenia.

Prąd nasycenia

Prąd nasycenia w cewce to wartość prądu, przy której cewka traci swoje właściwości i nie gromadzi energii w polu magnetycznym.

Rozmiar a opór

Jego normalne zachowanie polega na tym, że przestrzeń i rezystancja są od siebie zależne, ponieważ w razie potrzeby oszczędzamy miejsce, musimy zaoszczędzić miejsce, zmniejszając wartość AWG w przewodzie magnetycznym, a jeśli chcę stracić rezystancję, powinienem zwiększyć wartość AWG w przewodzie magnetycznym.

Częstotliwość rezonansu własnego

Częstotliwość rezonansu własnego jest osiągana, gdy częstotliwość przełączania znosi indukcyjność i dopiero teraz istnieje pojemność pasożytnicza. Wielu producentów zalecało utrzymanie częstotliwości przełączania cewki indukcyjnej przez co najmniej dekadę poniżej częstotliwości rezonansu własnego. Na przykład

Częstotliwość rezonansu własnego = 10MHz.

f-przełączanie = 1 MHz.

Dekada = log[podstawa 10](Self - Częstotliwość rezonansowa / f - przełączanie)

Dekada = log[podstawa 10](10MHz / 1MHz)

Dekada = 1

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o cewkach indukcyjnych, sprawdź następujące linki: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Krok 3: Induktor to serce

Wybór idealnej cewki indukcyjnej

Cewka indukcyjna jest sercem przetwornic DC/DC, dlatego niezwykle ważne jest, aby pamiętać o poniższych punktach, aby uzyskać dobre działanie regulatora napięcia.

Prąd wyjściowy napięcia regulatora, prąd znamionowy, prąd nasycenia i prąd tętnienia

W takim przypadku producent dostarcza równania do obliczenia idealnej cewki indukcyjnej zgodnie z prądem tętnienia, wyjściem napięciowym, wejściem napięciowym, częstotliwością przełączania. Równanie pokazano poniżej.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f przełączanie x prąd tętnienia.

Prąd tętnienia = Vout (Vin-Vout) / Vin x f przełączanie x L.

IL(szczyt) = Iout(Max) + prąd tętnienia / 2.

Stosując równanie prądu tętnienia na mojej cewki indukcyjnej [Wartości są w poprzednim kroku] wyniki zostaną pokazane poniżej.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

Przełączanie f = 500 kHz.

L = 4,7uH.

Iwy = 1,5A.

Idealny prąd tętnienia = 1,5 A * 50%

Idealny prąd tętnienia = 0,750A

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

Prąd tętnienia = 0,95A*

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

IL(szczyt) = 1,975A**

*Zaleca się stosowanie prądu tętnienia w pobliżu 20% - 50% prądu wyjściowego. Nie jest to jednak ogólna zasada, ponieważ zależy to od czasu odpowiedzi regulatora przełączającego. Kiedy potrzebujemy szybkiej odpowiedzi czasowej, powinniśmy użyć niskiej indukcyjności, ponieważ czas ładowania na cewce jest krótki, a gdy potrzebujemy wolnej odpowiedzi czasowej, powinniśmy użyć wysokiej indukcyjności, ponieważ czas ładowania jest długi i dzięki temu zmniejszamy EMI.

** Zalecany przez producenta nie przekracza maksymalnego prądu dolnego, który obsługuje urządzenie, aby utrzymać bezpieczny zasięg. W tym przypadku maksymalny prąd w dolinie wynosi 4,5A.

Wartości te można sprawdzić pod następującym linkiem: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

Krok 4: Przyszłość jest teraz

Użyj REDEXPERT, aby wybrać najlepszą cewkę indukcyjną do konwertera buck

REDEXPERT to świetne narzędzie, gdy chcesz wiedzieć, jaka jest najlepsza cewka indukcyjna dla konwertera buck, konwertera doładowania, konwertera sepic itp. To narzędzie obsługuje wiele topologii do symulacji zachowania cewki indukcyjnej, ale to narzędzie obsługuje tylko numery części z Würth Electronik. W tym narzędziu możemy zobaczyć na wykresach przyrost temperatury w funkcji prądu oraz straty indukcyjności w funkcji prądu w cewce. Wymaga tylko prostych parametrów wejściowych, takich jak pokazano poniżej.

• Napięcie wejściowe
• napięcie wyjściowe
• wyjście prądowe
• częstotliwość przełączania
• prąd tętnienia

Link jest następny: Symulator REDEXPERT

Krok 5: Nasza potrzeba jest ważna

Obliczanie wartości wyjściowych

Obliczenie napięcia wyjściowego jest bardzo proste, wystarczy zdefiniować dzielnik napięcia określony następującym równaniem. Tylko potrzebujemy R1 i definiujemy wyjście napięciowe.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

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

R1= R2 (Vout - Vref) / Vref

Poniżej pokazano przykład z użyciem RT6214AHGJ6F.

R2 = 10 tys.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5k

Krok 6: Świetne narzędzie dla wielkiego projektanta elektroniki

Skorzystaj z narzędzi producenta

Skorzystałem z narzędzi symulacyjnych dostarczonych przez firmę Richtek. W tym środowisku można zobaczyć zachowanie przetwornika DC/DC w analizie stanu ustalonego, analizie stanu nieustalonego, analizie rozruchu.

Wyniki można sprawdzić na zdjęciach, dokumentach i symulacji wideo.

Krok 7: Dwa są lepsze niż jeden

Projektowanie PCB w Eagle i Fusion 360

Projekt PCB jest wykonany na Eagle 9.5.6 we współpracy z Fusion 360. Synchronizuję projekt 3D z projektem PCB, aby uzyskać rzeczywisty widok projektu obwodu.

Poniżej przedstawiono ważne punkty tworzenia płytki drukowanej w Eagle CAD.

• Tworzenie biblioteki.
• Schematyczny projekt.
• Projekt PCB lub projekt układu
• Generuj rzeczywisty widok 2D.
• Dodaj model 3D do urządzenia w projekcie układu.
• Zsynchronizuj PCB Eagle z Fusion 360.

Uwaga: Wszystkie ważne punkty są zilustrowane obrazami, które znajdziesz na początku tego kroku.

Możesz pobrać ten obwód z repozytorium GitLab:

Krok 8: Jeden problem, jedno rozwiązanie

Zawsze staraj się brać pod uwagę wszystkie zmienne

Najprostsze nigdy nie jest lepsze… Powiedziałem to sobie, gdy mój projekt grzeje do 80ºC. Tak, jeśli potrzebujesz stosunkowo wysokiego prądu wyjściowego, nie używaj regulatorów liniowych, ponieważ rozpraszają one dużo mocy.

Mój problem… prąd wyjściowy. Rozwiązanie… wykorzystuje konwerter DC/DC do zastąpienia liniowego regulatora napięcia w pakiecie DPAK.

Bo to nazwałem projektem Buck DPAK

Krok 9: Wniosek

Przetwornice DC/DC są bardzo wydajnymi układami regulacji napięcia przy bardzo dużych prądach, jednak przy niskich prądach są generalnie mniej wydajne, ale nie mniej wydajne niż regulator liniowy.

W dzisiejszych czasach bardzo łatwo jest zaprojektować przetwornicę DC/DC dzięki temu, że producenci ułatwili sposób ich sterowania i użytkowania.