Op zoek naar efficiëntie: 9 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:15

BUCK-converter op "DPAK"-formaat

Meestal, de beginnende elektronische ontwerper of een hobbyist, hebben we een spanningsregelaar in printplaat of een breadboard nodig. Helaas gebruiken we door de eenvoud een lineaire spanningsregelaar, maar die zijn niet helemaal slecht, omdat het altijd afhankelijk is van de toepassingen.

Zo wordt in precisie analoge apparaten (zoals meetapparatuur) steeds beter gebruik gemaakt van een lineaire spanningsregelaar (om ruisproblemen te minimaliseren). Maar in vermogenselektronica-apparaten zoals een lamp-LED of een voorregelaar voor lineaire regelaars is het beter om een DC / DC BUCK-converter-spanningsregelaar als hoofdvoeding te gebruiken, omdat deze apparaten een betere efficiëntie hebben dan een lineaire regelaar in hoge stroomuitgangen of zwaar belast.

Een andere optie die niet zo elegant maar wel snel is, is om DC / DC-converters in geprefabriceerde modules te gebruiken en deze gewoon bovenop onze printplaat toe te voegen, maar dit maakt de printplaat veel groter.

De oplossing die ik de hobbyist of de elektronica-beginner voorstel, maakt gebruik van een module DC/DC BUCK-converter die een module is die op het oppervlak wordt gemonteerd, maar die ruimte bespaart.

Benodigdheden

• 1 Buck schakelomvormer 3A --- RT6214.
• 1 Inductor 4.7uH/2.9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 Condensator 0805 22uF/25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 Condensator 0402 100nF/50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 condensator 0402 68pF/50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 Weerstand 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Weerstand 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

Stap 1: De beste Ridder selecteren

De DC/DC BUCK-converter selecteren

De eerste stap bij het ontwerpen van een DC/DC Buck-converter is het vinden van de beste oplossing voor onze toepassing. De snellere oplossing is om een schakelregelaar te gebruiken in plaats van een schakelregelaar.

Het verschil tussen deze twee opties wordt hieronder weergegeven.

Schakelende regelaar

1. Vaak zijn ze monolithisch.
2. De efficiëntie is beter.
3. Ze ondersteunen geen zeer hoge uitgangsstromen.
4. Ze zijn gemakkelijker te stabiliseren (alleen een circuit RC nodig).
5. De gebruiker heeft niet veel kennis over de DC/DC-converter nodig om het circuitontwerp te maken.
6. Zijn voorgeconfigureerd om alleen in een specifieke topologie te werken.
7. De uiteindelijke prijs is lager.

Toon hieronder een voorbeeld verminderd met een Switching Regulator [De eerste afbeelding op deze stap].

Schakelende regelaar

1. Vereisen veel externe componenten zoals MOSFET's en diodes.
2. Ze zijn complexer en de gebruiker heeft meer kennis nodig over de DC/DC-converter om het circuitontwerp te maken.
3. Ze kunnen meer topologieën gebruiken.
4. Ondersteuning van een zeer hoge uitgangsstroom.
5. De uiteindelijke prijs is hoger.

Toon hieronder een typisch toepassingscircuit van een schakelcontroller [De tweede afbeelding bij deze stap]

• Gezien de volgende punten.

  1. Kosten.
  2. Ruimte [Het vermogen is hiervan afhankelijk].
  3. Vermogen.
  4. efficiëntie.
  5. Complexiteit.

In dit geval gebruik ik een Richtek RT6214 [A voor continue modus is beter voor de harde belasting, en de optie B dat het werkt in de discontinue modus, wat beter is voor lichte belasting en de efficiëntie verbetert bij lage uitgangsstromen] dat is een DC /DC Buck Converter monolithisch [en dus hebben we geen externe componenten nodig zoals Power MOSFET's en diodes Schottky omdat de converter MOSFET-switches en andere MOSFET's heeft die werken zoals Diode].

Meer gedetailleerde informatie is te vinden via de volgende links: Buck_converter_guide, Buck Converter-topologieën vergelijken, Buck Converter-selectiecriteria

Stap 2: De inductor is uw beste bondgenoot in de DC/DC-converter

De inductor begrijpen [Analyse van datasheet]

Gezien de ruimte op mijn circuit, gebruik ik een ECS-MPI4040R4-4R7-R met een 4.7uH, nominale stroom van 2.9A en een verzadigingsstroom van 3.9A en DC-weerstand 67m ohm.

Nominale stroom

De nominale stroom is de huidige waarde waarbij de inductor de eigenschappen zoals inductantie niet verliest en de omgevingstemperatuur niet significant verhoogt.

Verzadigingsstroom

De verzadigingsstroom in de inductor is de stroomwaarde waarbij de inductor zijn eigenschappen verliest en niet werkt om energie op te slaan in een magnetisch veld.

Grootte versus weerstand

Het is normaal dat ruimte en weerstand van elkaar afhankelijk zijn, want als dat nodig is, moeten we ruimte besparen door de AWG-waarde in de magneetdraad te verminderen en als ik weerstand wil verliezen, moet ik de AWG-waarde in de magneetdraad verhogen.

Zelfresonantiefrequentie

De zelfresonantiefrequentie wordt bereikt wanneer de schakelfrequentie de inductantie opheft en nu pas de parasitaire capaciteit bestaat. Veel fabrikanten adviseerden om de schakelfrequentie van een inductor minstens tien jaar onder de zelfresonantiefrequentie te houden. Bijvoorbeeld

Zelfresonantiefrequentie = 10 MHz.

f-schakelen = 1MHz.

Decennium = log [basis 10] (Zelf - Resonantiefrequentie / f - schakelend)

Decennium = log [basis 10] (10 MHz / 1 MHz)

Decennium = 1

Als je meer wilt weten over inductoren, kijk dan op de volgende links: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominale_current

Stap 3: De inductor is het hart

Selectie van de ideale inductor

De inductor is het hart van DC / DC-converters, daarom is het uiterst belangrijk om de volgende punten in gedachten te houden om goede prestaties van de spanningsregelaar te bereiken.

De uitgangsstroom van regelaarspanning, nominale stroom, verzadigingsstroom en rimpelstroom

In dit geval biedt de fabrikant vergelijkingen om de ideale inductor te berekenen op basis van de rimpelstroom, uitgangsspanning, spanningsingang, schakelfrequentie. De vergelijking wordt hieronder weergegeven.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-schakelend x rimpelstroom.

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

IL (piek) = Iout (Max) + rimpelstroom / 2.

Door de vergelijking van de rimpelstroom op mijn inductor toe te passen [De waarden zijn in de vorige stap] worden de resultaten hieronder weergegeven.

Vin = 9V.

Uit = 5V.

f-Schakelen = 500kHz.

L = 4,7uH.

Uit = 1.5A.

Ideale rimpelstroom = 1.5A * 50%

Ideale rimpelstroom = 0,750A

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

Rimpelstroom = 0,95A*

IL (piek) = 1.5A + 0.95A / 2

IL(piek) = 1.975A**

*Het wordt aanbevolen om de rimpelstroom te gebruiken in de buurt van 20% - 50% van de uitgangsstroom. Maar dit is geen algemene regel omdat het afhangt van de reactietijd van de schakelende regelaar. Als we een snelle respons nodig hebben, moeten we een lage inductantie gebruiken omdat de oplaadtijd op de inductor kort is en als we een langzame respons nodig hebben, moeten we een hoge inductantie gebruiken omdat de oplaadtijd lang is en hierdoor verminderen we de EMI.

**De aanbevolen fabrikant overschrijdt de maximale dalstroom die het apparaat ondersteunt niet om een veilig bereik te behouden. In dit geval is de maximale dalstroom 4,5 A.

Deze waarden zijn te raadplegen via de volgende link: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

Stap 4: De toekomst is nu

Gebruik REDEXPERT om de beste spoel voor uw buck-converter te selecteren

REDEXPERT is een geweldig hulpmiddel als u wilt weten wat de beste inductor is voor uw buck-converter, boost-converter, sepic-converter, enz. Deze tool ondersteunt meerdere topologieën om uw inductorgedrag te simuleren, maar deze tool ondersteunt alleen onderdeelnummers van Würth Electronik. In deze tool kunnen we in grafieken de temperatuurstijging versus stroom en de verliezen van inductantie versus stroom in de inductor bekijken. Het heeft alleen eenvoudige invoerparameters nodig, zoals hieronder weergegeven.

• Ingangsspanning
• uitgangsspanning
• huidige uitgang
• schakelfrequentie:
• rimpelstroom

De link is de volgende: REDEXPERT Simulator

Stap 5: Onze behoefte is belangrijk

Berekenen van de uitgangswaarden

Het is heel eenvoudig om de uitgangsspanning te berekenen, we hoeven alleen maar een spanningsdeler te definiëren die wordt gedefinieerd door de volgende vergelijking. Alleen hebben we een R1 nodig en definiëren we een uitgangsspanning.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

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

R1= R2 (Vout - Vref) / Vref

Hieronder een voorbeeld met een RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vuit = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5 k

Stap 6: Geweldig hulpmiddel voor een geweldige elektronica-ontwerper

Gebruik het gereedschap van de fabrikant

Ik heb de simulatietools van Richtek gebruikt. In deze omgeving kunt u het gedrag van de DC/DC-converter bekijken in steady-state analyse, transiënte analyse, opstartanalyse.

En de resultaten zijn te raadplegen in de afbeeldingen, documenten en videosimulatie.

Stap 7: Twee zijn beter dan één

PCB-ontwerp in Eagle en Fusion 360

Het PCB-ontwerp is gemaakt op Eagle 9.5.6 in samenwerking met Fusion 360. Ik synchroniseer het 3D-ontwerp met het PCB-ontwerp om een echt beeld van het circuitontwerp te krijgen.

Hieronder de belangrijke punten om een PCB te maken in Eagle CAD.

• Bibliotheek maken.
• Schematisch ontwerp.
• PCB-ontwerp of lay-outontwerp
• Genereer echte 2D-weergave.
• Voeg 3D-model toe aan apparaat in lay-outontwerp.
• Synchroniseer de Eagle-printplaat met Fusion 360.

Opmerking: alle belangrijke punten worden geïllustreerd door afbeeldingen die u aan het begin van deze stap vindt.

Je kunt dit circuit downloaden op de GitLab-repository:

Stap 8: één probleem, één oplossing

Probeer ooit alle variabelen te overwegen

Het eenvoudigste is nooit beter… Dat zei ik tegen mezelf toen mijn project opwarmde tot 80ºC. Ja, als je een relatief hoge uitgangsstroom nodig hebt, gebruik dan geen lineaire regelaars omdat ze veel vermogen verdrijven.

Mijn probleem… de uitgangsstroom. De oplossing… gebruikt een DC/DC-converter om een lineaire spanningsregelaar in een DPAK-pakket te vervangen.

Omdat ik dit het Buck DPAK-project noemde

Stap 9: Conclusie

DC / DC-converters zijn zeer efficiënte systemen voor het regelen van spanning bij zeer hoge stromen, maar bij lage stromen zijn ze over het algemeen minder efficiënt maar niet minder efficiënt dan een lineaire regelaar.

Tegenwoordig is het heel eenvoudig om een DC / DC-converter te kunnen ontwerpen, dankzij het feit dat de fabrikanten de manier waarop ze worden aangestuurd en gebruikt, hebben vergemakkelijkt.