Dalam Pencarian Kecekapan .: 9 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:08

BUCK Converter pada Ukuran "DPAK"

Biasanya, perancang pemula elektronik atau penggemar kita memerlukan pengatur voltan di papan litar yang dicetak atau papan roti. Sayangnya dengan kesederhanaan, kami menggunakan pengatur voltan linier tetapi tidak ada yang benar-benar buruk kerana selalu bergantung pada aplikasi itu penting.

Sebagai contoh dalam alat analog ketepatan (seperti peralatan pengukuran) lebih baik menggunakan pengatur voltan linier (untuk mengurangkan masalah kebisingan). Tetapi dalam peranti elektronik kuasa seperti lampu LED, atau pra-pengatur untuk tahap pengatur linier (untuk meningkatkan kecekapan) lebih baik menggunakan pengatur voltan penukar DC / DC BUCK sebagai bekalan utama kerana peranti ini adalah kecekapan yang lebih baik daripada pengatur linier dalam arus keluaran tinggi atau beban keras.

Pilihan lain yang tidak begitu elegan tetapi pantas, adalah menggunakan penukar DC / DC dalam modul pasang siap dan hanya menambahkannya di atas litar bercetak kami tetapi ini menjadikan papan litar jauh lebih besar.

Penyelesaian yang saya cadangkan kepada penggemar atau pemula elektronik menggunakan penukar modul DC / DC BUCK bahawa modul yang dipasang di permukaan tetapi, menjimatkan ruang.

Bekalan

• Penukar beralih 1 Buck 3A --- RT6214.
• 1 Induktor 4.7uH / 2.9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 Kapasitor 0805 22uF / 25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 Kapasitor 0402 100nF / 50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 Kapasitor 0402 68pF / 50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 Perintang 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Perintang 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

Langkah 1: Memilih Penunggang Terbaik

Memilih Penukar BUCK DC / DC

Langkah pertama untuk merancang penukar DC / DC Buck adalah mencari penyelesaian terbaik untuk aplikasi kita. Penyelesaiannya lebih cepat adalah dengan menggunakan pengatur beralih dan bukannya menggunakan pengawal peralihan.

Perbezaan antara dua pilihan ini ditunjukkan di bawah.

Pengatur pertukaran

1. Berkali-kali mereka monolitik.
2. Kecekapannya lebih baik.
3. Mereka tidak menyokong arus keluaran yang sangat tinggi.
4. Mereka lebih mudah stabil (Hanya memerlukan litar RC).
5. Pengguna tidak memerlukan banyak pengetahuan mengenai penukar DC / DC untuk membuat reka bentuk litar.
6. Dikonfigurasi untuk berfungsi hanya dalam topologi tertentu.
7. Harga akhir lebih rendah.

Tunjukkan di bawah contoh yang dikurangkan oleh Switching Regulator [Gambar pertama pada langkah ini].

Pengawal beralih

1. Memerlukan banyak komponen luaran seperti MOSFET dan Diod.
2. Mereka lebih kompleks dan pengguna memerlukan lebih banyak pengetahuan mengenai penukar DC / DC untuk membuat reka bentuk litar.
3. Mereka boleh menggunakan lebih banyak topologi.
4. Menyokong arus keluaran yang sangat tinggi.
5. Harga akhir lebih tinggi.

Tunjukkan di bawah litar aplikasi khas Pengawal Beralih [Gambar kedua pada langkah ini]

• Dengan mempertimbangkan perkara berikut.

  1. Kos.
  2. Ruang [Output kuasa bergantung pada ini].
  3. Output kuasa.
  4. Kecekapan.
  5. Kerumitan.

Dalam kes ini, saya menggunakan Richtek RT6214 [A untuk mod berterusan lebih baik untuk beban keras, dan pilihan B bahawa ia berfungsi dalam mod tak putus yang lebih baik untuk beban ringan dan meningkatkan kecekapan pada arus keluaran rendah] yang merupakan DC / DC Buck Converter monolitik [dan oleh itu kita tidak memerlukan komponen luaran seperti Power MOSFETs dan diodes Schottky kerana penukar telah mengintegrasikan suis MOSFET dan MOSFET lain yang berfungsi seperti Diod].

Maklumat lebih terperinci boleh didapati di pautan berikut: Buck_converter_guide, Membandingkan Topologi Penukar Buck, Kriteria Pemilihan Penukar Buck

Langkah 2: Induktor adalah Sekutu Terbaik anda dalam Penukar DC / DC

Memahami induktor [Analisis lembar data]

Memandangkan ruang di litar saya, saya menggunakan ECS-MPI4040R4-4R7-R dengan mempunyai 4.7uH, arus nominal 2.9A, dan arus tepu 3.9A dan rintangan DC 67m ohm.

Arus nominal

Arus nominal adalah nilai semasa di mana induktor tidak kehilangan sifat seperti induktansi dan tidak meningkatkan kenaikan suhu secara signifikan.

Ketepuan semasa

Arus tepu di induktor adalah nilai semasa di mana induktor kehilangan sifatnya dan tidak berfungsi untuk menyimpan tenaga di medan magnet.

Saiz vs Rintangan

Tingkah laku normalnya bahawa ruang dan rintangan bergantung antara satu sama lain kerana jika memerlukan penjimatan ruang, kita perlu menjimatkan ruang mengurangkan nilai AWG dalam wayar magnet dan jika saya ingin kehilangan rintangan, saya harus menambah nilai AWG dalam wayar magnet.

Kekerapan resonans kendiri

Frekuensi resonans diri dicapai apabila frekuensi beralih membatalkan induktansi dan hanya kini terdapat kapasitansi parasit. Banyak pengeluar mengesyorkan mengekalkan frekuensi beralih sebagai induktor sekurang-kurangnya satu dekad di bawah frekuensi resonans diri. Sebagai contoh

Frekuensi resonans kendiri = 10MHz.

pertukaran f = 1MHz.

Dekad = log [asas 10] (Kekerapan resonans kendiri / f - beralih)

Dekad = log [asas 10] (10MHz / 1MHz)

Dekad = 1

Sekiranya anda ingin mengetahui lebih lanjut mengenai induktor, sila periksa pautan berikut: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Langkah 3: Induktor Adalah Jantung

Pemilihan Induktor Ideal

Induktor adalah nadi penukar DC / DC, oleh itu sangat penting untuk mengingat perkara-perkara berikut untuk mencapai prestasi pengatur voltan yang baik.

Arus keluaran voltan pengatur, arus nominal, arus tepu, dan arus riak

Dalam kes ini, pengeluar memberikan persamaan untuk mengira induktor ideal mengikut arus riak, output voltan, input voltan, frekuensi beralih. Persamaan ditunjukkan di bawah.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-beralih x arus riak.

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

IL (puncak) = Iout (Maks) + arus riak / 2.

Menerapkan persamaan arus riak pada induktor saya [Nilai berada di Langkah sebelumnya] hasilnya ditunjukkan di bawah.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-Switching = 500kHz.

L = 4.7uH.

Iout = 1.5A.

Arus riak yang ideal = 1.5A * 50%

Arus riak yang ideal = 0.750A

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

Arus riak = 0.95A *

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

IL (puncak) = 1.975A **

* Disarankan menggunakan arus riak hampir 20% - 50% dari arus keluaran. Tetapi ini bukan peraturan umum kerana bergantung pada masa tindak balas pengatur beralih. Apabila kita memerlukan tindak balas masa yang cepat, kita harus menggunakan induktansi yang rendah kerana masa pengecasan pada induktor adalah pendek dan ketika kita memerlukan tindak balas waktu yang perlahan kita harus menggunakan induktansi yang tinggi kerana masa casnya panjang dan dengan ini, kita mengurangkan EMI.

** Pengilang yang disyorkan tidak melebihi arus lembah maksimum yang menyokong peranti untuk menjaga jarak yang selamat. Dalam kes ini, arus lembah maksimum ialah 4.5A.

Nilai-nilai ini dapat dilihat pada pautan berikut: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

Langkah 4: Masa Depan Sekarang

Gunakan REDEXPERT untuk memilih induktor terbaik untuk penukar wang anda

REDEXPERT adalah alat yang hebat apabila anda perlu mengetahui apakah induktor terbaik untuk penukar buck anda, boost converter, sepic converter, dll. Alat ini menyokong pelbagai topologi untuk mensimulasikan tingkah laku induktor anda, tetapi alat ini hanya menyokong nombor bahagian dari Würth Electronik. Dalam alat ini, kita dapat melihat dalam grafik kenaikan suhu vs arus dan kerugian induktansi vs arus di induktor. Ia hanya memerlukan parameter input sederhana seperti yang ditunjukkan di bawah.

• Voltan input
• voltan keluaran
• output semasa
• menukar frekuensi
• arus riak

Pautan adalah yang berikut: Simulator REDEXPERT

Langkah 5: Keperluan Kita Penting

Mengira nilai output

Sangat mudah untuk mengira voltan keluaran, kita hanya perlu menentukan pembahagi voltan yang ditentukan oleh persamaan berikut. Cuma kita memerlukan R1 dan menentukan output voltan.

Vref = 0.8 [RT6214A / BHGJ6F].

Vref = 0.765 [RT6214A / BHRGJ6 / 8F]

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Ditunjukkan di bawah contoh menggunakan RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vref = 0.8.

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

R1 = 52.5k

Langkah 6: Alat Hebat untuk Pereka Elektronik Hebat

Gunakan alat pengeluar

Saya menggunakan alat simulasi yang disediakan oleh Richtek. Dalam persekitaran ini, anda dapat melihat tingkah laku penukar DC / DC dalam analisis keadaan tetap, analisis sementara, analisis permulaan.

Hasilnya boleh dilihat dalam gambar, dokumen, dan simulasi video.

Langkah 7: Dua Lebih Baik Daripada Satu

Reka Bentuk PCB dalam Eagle dan Fusion 360

Reka bentuk PCB dibuat pada Eagle 9.5.6 bekerjasama dengan Fusion 360 I menyelaraskan reka bentuk 3D dengan reka bentuk PCB untuk mendapatkan pandangan sebenar reka bentuk litar.

Ditunjukkan di bawah perkara penting untuk membuat PCB di Eagle CAD.

• Perpustakaan membuat.
• Reka bentuk skematik.
• Reka bentuk PCB atau reka letak
• Menjana pandangan 2D Sebenar.
• Tambahkan model 3D ke peranti dalam reka bentuk susun atur.
• Segerakkan Eagle PCB ke Fusion 360.

Catatan: Semua perkara penting digambarkan oleh gambar yang anda dapati di awal langkah ini.

Anda boleh memuat turun litar ini di repositori GitLab:

Langkah 8: Satu Masalah, Satu Penyelesaian

Pernah cuba mempertimbangkan semua pemboleh ubah

Yang paling sederhana tidak pernah lebih baik … Saya mengatakannya kepada diri saya ini semasa projek saya memanaskan hingga 80ºC. Ya, jika anda memerlukan arus keluaran yang relatif tinggi, jangan gunakan pengatur linier kerana mereka menghabiskan banyak tenaga.

Masalah saya … arus keluaran. Penyelesaiannya… menggunakan penukar DC / DC untuk menggantikan pengatur voltan linier dalam paket DPAK.

Kerana ini saya memanggil projek Buck DPAK

Langkah 9: Kesimpulannya

Penukar DC / DC adalah sistem yang sangat cekap untuk mengatur voltan pada arus yang sangat tinggi, namun pada arus rendah pada amnya kurang efisien tetapi tidak kurang efisien daripada pengatur linier.

Pada masa kini sangat mudah untuk dapat merancang penukar DC / DC berkat fakta bahawa pengeluar telah memudahkan cara mereka dikendalikan dan digunakan.