Στην αναζήτηση της αποτελεσματικότητας .: 9 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:33

Μετατροπέας BUCK σε μέγεθος "DPAK"

Συνήθως, ο αρχάριος σχεδιαστής ηλεκτρονικός ή ένας χομπίστας χρειαζόμαστε έναν ρυθμιστή τάσης στον πίνακα κυκλώματος τυπωμένο ή ένα breadboard. Δυστυχώς, λόγω απλότητας, χρησιμοποιούμε έναν γραμμικό ρυθμιστή τάσης, αλλά δεν είναι εντελώς κακό, επειδή η εξάρτηση από τις εφαρμογές είναι σημαντική.

Για παράδειγμα, σε αναλογικές συσκευές ακριβείας (όπως ο εξοπλισμός μέτρησης) χρησιμοποιείται καλύτερα ένας γραμμικός ρυθμιστής τάσης (για την ελαχιστοποίηση των προβλημάτων θορύβου). Αλλά σε ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος, όπως μια λυχνία LED ή έναν προρυθμιστή για στάδιο γραμμικών ρυθμιστών (για βελτίωση της απόδοσης), είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείτε έναν ρυθμιστή τάσης μετατροπέα DC/DC BUCK ως κύρια παροχή, επειδή αυτές οι συσκευές έχουν καλύτερη απόδοση από έναν γραμμικό ρυθμιστή σε υψηλές εξόδους ρεύματος ή φορτίστε σκληρά.

Μια άλλη επιλογή που δεν είναι τόσο κομψή αλλά είναι γρήγορη, είναι η χρήση μετατροπέων DC / DC σε προκατασκευασμένες μονάδες και απλώς να τους προσθέσετε πάνω στο τυπωμένο κύκλωμά μας, αλλά αυτό κάνει την πλακέτα πολύ μεγαλύτερη.

Η λύση που προτείνω στον χομπίστα ή στον αρχάριο ηλεκτρονικών συσκευών χρησιμοποιεί ένα μετατροπέα μονάδας DC/DC BUCK που είναι μια μονάδα που τοποθετείται στην επιφάνεια αλλά εξοικονομεί χώρο.

Προμήθειες

• 1 Μετατροπέας μεταγωγής Buck 3A --- RT6214.
• 1 επαγωγέας 4.7uH/2.9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 πυκνωτής 0805 22uF/25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 πυκνωτής 0402 100nF/50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 πυκνωτής 0402 68pF/50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 Αντίσταση 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Αντίσταση 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

Βήμα 1: Επιλογή του καλύτερου αναβάτη

Επιλογή του μετατροπέα DC/DC BUCK

Το πρώτο βήμα για το σχεδιασμό ενός μετατροπέα DC/DC Buck είναι να βρούμε την καλύτερη λύση για την εφαρμογή μας. Η λύση πιο γρήγορα είναι να χρησιμοποιήσετε έναν ρυθμιστή μεταγωγής αντί να χρησιμοποιήσετε έναν ελεγκτή μεταγωγής.

Η διαφορά μεταξύ αυτών των δύο επιλογών φαίνεται παρακάτω.

Αλλαγή ρυθμιστή

1. Πολλές φορές είναι μονολιθικά.
2. Η αποδοτικότητα είναι καλύτερη.
3. Δεν υποστηρίζουν πολύ υψηλά ρεύματα εξόδου.
4. Είναι πιο εύκολο να σταθεροποιηθούν (Απαιτείται μόνο κύκλωμα RC).
5. Ο χρήστης δεν χρειάζεται πολλές γνώσεις σχετικά με τον μετατροπέα DC/DC για να σχεδιάσει το κύκλωμα.
6. Είναι προκαθορισμένα ώστε να λειτουργούν μόνο σε συγκεκριμένη τοπολογία.
7. Η τελική τιμή είναι χαμηλότερη.

Παρουσιάστε παρακάτω ένα παράδειγμα που μειώθηκε από έναν ρυθμιστή εναλλαγής [Η πρώτη εικόνα σε αυτό το βήμα].

Ελεγκτής αλλαγής

1. Απαιτούνται πολλά εξωτερικά εξαρτήματα όπως MOSFET και δίοδοι.
2. Είναι πιο πολύπλοκα και ο χρήστης χρειάζεται περισσότερη γνώση σχετικά με το μετατροπέα DC/DC για να κάνει το σχέδιο κυκλώματος.
3. Μπορούν να χρησιμοποιήσουν περισσότερες τοπολογίες.
4. Υποστηρίξτε ένα πολύ υψηλό ρεύμα εξόδου.
5. Η τελική τιμή είναι υψηλότερη.

Εμφάνιση παρακάτω ένα τυπικό κύκλωμα εφαρμογής ενός ελεγκτή εναλλαγής [Η δεύτερη εικόνα σε αυτό το βήμα]

• Λαμβάνοντας υπόψη τα ακόλουθα σημεία.

  1. Κόστος.
  2. Χώρος [Η ισχύς εξόδου εξαρτάται από αυτό].
  3. Ισχύς εξόδου.
  4. Αποδοτικότητα.
  5. Περίπλοκο.

Σε αυτήν την περίπτωση, χρησιμοποιώ ένα Richtek RT6214 [το A για συνεχή λειτουργία είναι καλύτερο για το σκληρό φορτίο, και η επιλογή Β ότι λειτουργεί σε ασυνεχή λειτουργία, η οποία είναι καλύτερη για ελαφρύ φορτίο και βελτιώνει την απόδοση σε χαμηλά ρεύματα εξόδου], δηλαδή DC /DC Buck Converter μονολιθικός [και έτσι δεν χρειαζόμαστε εξωτερικά εξαρτήματα όπως Power MOSFET και διόδους Schottky επειδή ο μετατροπέας έχει ενσωματωμένους διακόπτες MOSFET και άλλα MOSFET που λειτουργούν όπως η Δίοδος].

Αναλυτικότερες πληροφορίες μπορείτε να βρείτε στους ακόλουθους συνδέσμους: Buck_converter_guide, Σύγκριση τοπολογιών Buck Converter, Κριτήρια επιλογής Buck Converter

Βήμα 2: Ο επαγωγέας είναι ο καλύτερός σας σύμμαχος στον μετατροπέα DC/DC

Κατανόηση του επαγωγέα [Ανάλυση φύλλου δεδομένων]

Λαμβάνοντας υπόψη τον χώρο στο κύκλωμά μου, χρησιμοποιώ ένα ECS-MPI4040R4-4R7-R με 4.7uH, ονομαστικό ρεύμα 2.9A και ρεύμα κορεσμού 3.9A και DC αντίσταση 67m ohms.

Ονομαστικό ρεύμα

Το ονομαστικό ρεύμα είναι η τρέχουσα τιμή όπου ο επαγωγέας δεν χάνει τις ιδιότητες όπως η επαγωγή και δεν αυξάνει σημαντικά τη θερμοκρασία περιβάλλοντος.

Ρεύμα κορεσμού

Το ρεύμα κορεσμού στον επαγωγέα είναι η τιμή ρεύματος όπου ο επαγωγέας χάνει τις ιδιότητές του και δεν λειτουργεί για να αποθηκεύσει ενέργεια σε μαγνητικό πεδίο.

Μέγεθος έναντι Αντίστασης

Η φυσιολογική του συμπεριφορά ότι ο χώρος και η αντίσταση εξαρτώνται μεταξύ τους γιατί αν η ανάγκη εξοικονομεί χώρο πρέπει να εξοικονομήσουμε χώρο μειώνοντας την τιμή AWG στο σύρμα μαγνήτη και αν θέλω να χάσω αντίσταση θα πρέπει να αυξήσω την τιμή AWG στο σύρμα μαγνήτη.

Συχνότητα αυτοσυντονισμού

Η συχνότητα αυτοσυντονισμού επιτυγχάνεται όταν η συχνότητα μεταγωγής ακύρωσε την επαγωγή και μόνο τώρα υπάρχει η παρασιτική χωρητικότητα. Πολλοί κατασκευαστές συνέστησαν τη διατήρηση της συχνότητας μεταγωγής ενός επαγωγέα για τουλάχιστον μια δεκαετία κάτω από τη συχνότητα αυτοτονισμού. Για παράδειγμα

Συχνότητα αυτοσυντονισμού = 10MHz.

f-switching = 1MHz.

Δεκαετία = log [βάση 10] (Συχνότητα αυτόματου συντονισμού / f - εναλλαγή)

Δεκαετία = log [βάση 10] (10MHz / 1MHz)

Δεκαετία = 1

Αν θέλετε να μάθετε περισσότερα για επαγωγείς, ελέγξτε τους ακόλουθους συνδέσμους: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Βήμα 3: Ο επαγωγέας είναι η καρδιά

Επιλογή του Ιδανικού Επαγωγέα

Ο επαγωγέας είναι η καρδιά των μετατροπέων DC / DC, επομένως είναι εξαιρετικά σημαντικό να λάβετε υπόψη τα ακόλουθα σημεία για να επιτύχετε καλή απόδοση ρυθμιστή τάσης.

Το ρεύμα εξόδου της τάσης του ρυθμιστή, το ονομαστικό ρεύμα, το ρεύμα κορεσμού και το ρεύμα κυματισμού

Σε αυτήν την περίπτωση, ο κατασκευαστής παρέχει εξισώσεις για τον υπολογισμό του ιδανικού επαγωγέα σύμφωνα με το ρεύμα κυματισμού, την έξοδο τάσης, την είσοδο τάσης, τη συχνότητα μεταγωγής. Η εξίσωση φαίνεται παρακάτω.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-switching x κυματισμός ρεύματος.

Ρεύμα κυματισμού = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-switching x L.

IL (κορυφή) = Iout (Max) + ρεύμα κυματισμού / 2.

Εφαρμόζοντας την εξίσωση του ρεύματος κυματισμού στον επαγωγέα μου [Οι τιμές είναι στο προηγούμενο βήμα] τα αποτελέσματα εμφανίζονται παρακάτω.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-Switching = 500kHz.

L = 4,7uH.

Iout = 1,5Α

Ιδανικό ρεύμα κυματισμού = 1.5A * 50%

Ιδανικό ρεύμα κυματισμού = 0,750Α

Ρεύμα κυματισμού = 5V (9V - 5V) / 9V x 500kHz x 4.7uH

Ρεύμα κυματισμού = 0,95Α*

IL (κορυφή) = 1,5Α + 0,95Α / 2

IL (κορυφή) = 1,975A **

*Συνιστάται να χρησιμοποιείτε το ρεύμα κυματισμού κοντά στο 20% - 50% του ρεύματος εξόδου. Αλλά αυτό δεν είναι ένας γενικός κανόνας επειδή εξαρτάται από τον χρόνο απόκρισης του ρυθμιστή μεταγωγής. Όταν χρειαζόμαστε γρήγορη απόκριση χρόνου θα πρέπει να χρησιμοποιούμε χαμηλή επαγωγή επειδή ο χρόνος φόρτισης στον επαγωγέα είναι μικρός και όταν χρειαζόμαστε αργή απόκριση χρόνου θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε υψηλή επαγωγή επειδή ο χρόνος φόρτισης είναι μεγάλος και με αυτό μειώνουμε το EMI.

** Ο προτεινόμενος κατασκευαστής δεν υπερβαίνει το μέγιστο ρεύμα κοιλάδας που υποστηρίζει τη συσκευή για να διατηρεί ένα ασφαλές εύρος. Σε αυτή την περίπτωση, το μέγιστο ρεύμα κοιλάδας είναι 4,5Α.

Μπορείτε να συμβουλευτείτε αυτές τις τιμές στον ακόλουθο σύνδεσμο: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

Βήμα 4: Το μέλλον είναι τώρα

Χρησιμοποιήστε το REDEXPERT για να επιλέξετε τον καλύτερο επαγωγέα για τον μετατροπέα buck σας

Το REDEXPERT είναι ένα εξαιρετικό εργαλείο όταν πρέπει να γνωρίζετε ποιος είναι ο καλύτερος επαγωγέας για τον μετατροπέα buck, τον μετατροπέα ώθησης, τον μετατροπέα σηπτικών κ.λπ. Σε αυτό το εργαλείο, μπορούμε να δούμε σε γραφήματα την αύξηση θερμοκρασίας έναντι ρεύματος και τις απώλειες επαγωγής έναντι ρεύματος στον επαγωγέα. Χρειάζεται μόνο απλές παραμέτρους εισόδου, όπως φαίνεται παρακάτω.

• Τάση εισόδου
• τάση εξόδου
• τρέχουσα έξοδο
• συχνότητα μεταγωγής
• κυματισμός ρεύματος

Ο σύνδεσμος είναι ο επόμενος: REDEXPERT Simulator

Βήμα 5: Η ανάγκη μας είναι σημαντική

Υπολογισμός των τιμών εξόδου

Είναι πολύ απλό να υπολογίσουμε την τάση εξόδου, απλά πρέπει να ορίσουμε ένα διαχωριστή τάσης που ορίζεται από την ακόλουθη εξίσωση. Μόνο που χρειαζόμαστε ένα R1 και ορίζουμε μια έξοδο τάσης.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Παρουσιάζεται παρακάτω ένα παράδειγμα χρησιμοποιώντας ένα RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5k

Βήμα 6: Εξαιρετικό εργαλείο για έναν σπουδαίο σχεδιαστή ηλεκτρονικών ειδών

Χρησιμοποιήστε τα εργαλεία του κατασκευαστή

Χρησιμοποίησα τα εργαλεία προσομοίωσης που παρείχε ο Richtek. Σε αυτό το περιβάλλον, μπορείτε να δείτε τη συμπεριφορά του μετατροπέα DC/DC σε ανάλυση σταθερής κατάστασης, ανάλυση παροδικών, ανάλυση εκκίνησης.

Και τα αποτελέσματα μπορούν να εξεταστούν στις εικόνες, τα έγγραφα και την προσομοίωση βίντεο.

Βήμα 7: Δύο είναι καλύτερα από ένα

Σχεδιασμός PCB σε Eagle και Fusion 360

Ο σχεδιασμός PCB είναι κατασκευασμένος στο Eagle 9.5.6 σε συνεργασία με το Fusion 360 Συγχρονίζω το σχέδιο 3D με το σχέδιο PCB για να αποκτήσω μια πραγματική εικόνα του σχεδίου κυκλώματος.

Εμφανίζεται κάτω από τα σημαντικά σημεία για τη δημιουργία ενός PCB στο Eagle CAD.

• Δημιουργία βιβλιοθήκης.
• Σχηματική σχεδίαση.
• Σχεδιασμός PCB ή Σχεδιασμός διάταξης
• Δημιουργήστε πραγματική 2D προβολή.
• Προσθέστε τρισδιάστατο μοντέλο στη συσκευή σε σχεδιασμό διάταξης.
• Συγχρονίστε το Eagle PCB με το Fusion 360.

Σημείωση: Όλα τα σημαντικά σημεία απεικονίζονται με εικόνες που θα βρείτε στην αρχή αυτού του βήματος.

Μπορείτε να κατεβάσετε αυτό το κύκλωμα στο αποθετήριο GitLab:

Βήμα 8: Ένα πρόβλημα, μία λύση

Προσπαθήσατε πάντα να λάβετε υπόψη όλες τις μεταβλητές

Το πιο απλό δεν είναι ποτέ καλύτερο… Το είπα αυτό στον εαυτό μου όταν το έργο μου θερμαίνεται έως και 80ºC. Ναι, εάν χρειάζεστε ένα σχετικά υψηλό ρεύμα εξόδου, μην χρησιμοποιείτε γραμμικούς ρυθμιστές επειδή διαχέουν μεγάλη ισχύ.

Το πρόβλημά μου … το ρεύμα εξόδου. Η λύση… χρησιμοποιεί μετατροπέα DC/DC για αντικατάσταση γραμμικού ρυθμιστή τάσης σε πακέτο DPAK.

Επειδή αυτό ονόμασα το έργο Buck DPAK

Βήμα 9: Συμπέρασμα

Οι μετατροπείς DC / DC είναι πολύ αποτελεσματικά συστήματα για τη ρύθμιση της τάσης σε πολύ υψηλά ρεύματα, ωστόσο σε χαμηλά ρεύματα είναι γενικά λιγότερο αποδοτικοί αλλά όχι λιγότερο αποδοτικοί από έναν γραμμικό ρυθμιστή.

Σήμερα είναι πολύ εύκολο να μπορείς να σχεδιάσεις έναν μετατροπέα DC / DC χάρη στο γεγονός ότι οι κατασκευαστές διευκόλυναν τον τρόπο με τον οποίο ελέγχονται και χρησιμοποιούνται.