Op soek na doeltreffendheid: 9 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:24

BUCK -omskakelaar op "DPAK" -grootte

Gewoonlik, die beginnersontwerper elektronies of 'n stokperdjie, benodig ons 'n spanningsreguleerder in 'n printplaat of 'n broodbord. Ongelukkig gebruik ons eenvoudig 'n lineêre spanningsreguleerder, maar dit is nie heeltemal sleg nie, want dit hang altyd af van die toepassings.

Byvoorbeeld, in presisie -analoge toestelle (soos meetapparatuur), word 'n lineêre spanningsreguleerder steeds beter gebruik (om geraasprobleme tot die minimum te beperk). Maar in kragelektronika, soos 'n lamp-LED of 'n voorreguleerder vir lineêre reguleerders, is dit beter om 'n DC/DC BUCK-omskakelaarspanningsreguleerder as hoofspanning te gebruik omdat hierdie toestelle beter doeltreffend is as 'n lineêre reguleerder in hoë stroomuitsette of hard laai.

'N Ander opsie wat nie so elegant is nie, maar vinnig is, is om DC / DC -omsetters in voorafvervaardigde modules te gebruik en dit net bo -op ons gedrukte kring te voeg, maar dit maak die printplaat baie groter.

Die oplossing wat ek aan die stokperdjie of die elektroniese beginner voorstel, gebruik 'n module DC/DC BUCK -omskakelaar, 'n module wat op die oppervlak gemonteer is, maar spaar ruimte.

Voorrade

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

Stap 1: Kies die beste ridder

Kies die DC/DC BUCK -omskakelaar

Die eerste stap om 'n DC/DC Buck -omskakelaar te ontwerp, is om die beste oplossing vir ons toepassing te vind. Die vinniger oplossing is om 'n skakelreguleerder te gebruik in plaas van 'n skakelkontroleerder.

Die verskil tussen hierdie twee opsies word hieronder getoon.

Skakel reguleerder

1. Baie keer is dit monolities.
2. Die doeltreffendheid is beter.
3. Hulle ondersteun nie baie hoë uitsetstrome nie.
4. Dit is makliker om te stabiliseer (benodig slegs 'n kring RC).
5. Die gebruiker het nie baie kennis oor die DC/DC -omskakelaar nodig gehad om die stroombaanontwerp te maak nie.
6. Is vooraf gekonfigureer om slegs in 'n spesifieke topologie te werk.
7. Die finale prys is laer.

Toon hieronder 'n voorbeeld wat verminder is deur 'n skakelreguleerder [Die eerste prent op hierdie stap].

Skakel beheerder

1. Vereis baie eksterne komponente soos MOSFET's en diodes.
2. Hulle is meer kompleks en die gebruiker benodig meer kennis oor DC/DC -omvormer om die stroombaanontwerp te maak.
3. Hulle kan meer topologieë gebruik.
4. Ondersteun 'n baie hoë uitsetstroom.
5. Die finale prys is hoër.

Wys hieronder 'n tipiese toepassingsbaan van 'n skakelkontroleerder [Die tweede prent op hierdie stap]

• Met inagneming van die volgende punte.

  1. Koste.
  2. Ruimte [Die kraglewering is hiervan afhanklik].
  3. Krag uitset.
  4. Doeltreffendheid.
  5. Kompleksiteit.

In hierdie geval gebruik ek 'n Richtek RT6214 [A vir deurlopende modus is beter vir die harde las, en die opsie B dat dit in die diskontinue modus werk, wat beter is vir ligte las en die doeltreffendheid by lae uitsetstrome], dit is 'n DC /DC Buck Converter monolities [en ons het dus geen eksterne komponente nodig nie, soos Power MOSFET's en diodes Schottky, omdat die omskakelaar geïntegreerde MOSFET -skakelaars en ander MOSFET -funksies soos Diode het].

Meer gedetailleerde inligting kan gevind word op die volgende skakels: Buck_converter_guide, vergelyking van Buck Converter Topologies, Buck Converter -seleksiekriteria

Stap 2: Die induktor is u beste bondgenoot in die DC/DC -omskakelaar

Begrip van die induktor [Analise van datablad]

Met inagneming van die ruimte op my stroombaan, gebruik ek 'n ECS-MPI4040R4-4R7-R met 'n nominale stroom van 4.7uH, 2.9A en 'n versadigingsstroom van 3.9A en GS-weerstand van 67 m ohm.

Nominale stroom

Die nominale stroom is die huidige waarde waar die induktor nie die eienskappe soos induktansie verloor nie en nie die omringende temperatuur verhoog nie.

Versadigingsstroom

Die versadigingsstroom in die induktor is die huidige waarde waar die induktor sy eienskappe verloor en nie werk om energie in 'n magnetiese veld op te slaan nie.

Grootte vs weerstand

Sy normale gedrag dat ruimte en weerstand van mekaar afhanklik is, want as dit ruimte spaar, moet ons ruimte bespaar, wat die AWG -waarde in die magneetdraad verminder, en as ek weerstand wil verloor, moet ek die AWG -waarde in die magneetdraad verhoog.

Selfresonansiefrekwensie

Die selfresonansfrekwensie word bereik wanneer die skakelfrekwensie die induktansie kanselleer en nou eers die parasitiese kapasitansie bestaan. Baie vervaardigers beveel aan dat die skakelfrekwensie minstens 'n dekade laer as die selfresonansiefrekwensie as 'n induktor gehou word. Byvoorbeeld

Selfresonansiefrekwensie = 10 MHz.

f-skakel = 1 MHz.

Dekade = log [basis 10] (Selfresonansiefrekwensie / f - skakel)

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

Dekade = 1

As u meer wil weet oor induktors, gaan na die volgende skakels: Self_resonansie_induktor, Saturation_current_vs nominal_current

Stap 3: Die induktor is die hart

Kies die ideale induktor

Die induktor is die hart van DC / DC -omsetters, daarom is dit uiters belangrik om die volgende punte in gedagte te hou om goeie prestasie van die spanningsreguleerder te behaal.

Die uitsetstroom van die regulatorspanning, nominale stroom, versadigingsstroom en rimpelstroom

In hierdie geval verskaf die vervaardiger vergelykings om die ideale induktor te bereken volgens die rimpelstroom, spanningsuitset, spanningsinvoer, skakelfrekwensie. Die vergelyking word hieronder getoon.

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

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

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

Deur die vergelyking van rimpelstroom op my induktor toe te pas [Die waardes is in die vorige stap], word die resultate hieronder getoon.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-Skakeling = 500kHz.

L = 4,7uH.

Iout = 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 **

*Word aanbeveel dat die rimpelstroom naby 20% - 50% van die uitsetstroom gebruik word. Maar dit is nie 'n algemene reël nie, want dit hang af van die reaksietyd van die skakelreguleerder. As ons 'n vinnige tydsreaksie benodig, moet ons 'n lae induktansie gebruik, omdat die laai tyd op die induktor kort is, en as ons 'n stadige reaksie benodig, moet ons 'n hoë induktansie gebruik, omdat die laaityd lank is en daarmee die EMI verminder.

** Die aanbevole vervaardiger oorskry nie die maksimum dalstroom wat die toestel ondersteun om 'n veilige reikafstand te handhaaf nie. In hierdie geval is die maksimum dalstroom 4,5A.

Hierdie waardes kan geraadpleeg word in die volgende skakel: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

Stap 4: Die toekoms is nou

Gebruik REDEXPERT om die beste induktor vir u omskakelaar te kies

REDEXPERT is 'n uitstekende hulpmiddel as u moet weet wat die beste induktor vir u omskakelaar, hupstootomskakelaar, sepiese omskakelaar, ens is. Hierdie hulpmiddel ondersteun verskeie topologieë om u spoelgedrag na te boots, maar hierdie hulpmiddel ondersteun slegs onderdeelnommers van Würth Electronik. In hierdie hulpmiddel kan ons in grafieke die temperatuurverhoging teenoor stroom en die verliese van induktansie teenoor stroom in die induktor sien. Dit benodig slegs eenvoudige invoerparameters, soos hieronder getoon.

• Insetspanning
• uitsetspanning
• huidige uitset
• skakelfrekwensie
• rimpelstroom

Die skakel is die volgende: REDEXPERT Simulator

Stap 5: Ons behoefte is belangrik

Bereken die uitsetwaardes

Dit is baie eenvoudig om die uitsetspanning te bereken; ons hoef net 'n spanningsverdeler te definieer wat gedefinieer word deur die volgende vergelyking. Net ons benodig 'n R1 en definieer 'n spanningsuitset.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Hieronder 'n voorbeeld met 'n RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5k

Stap 6: 'n Goeie hulpmiddel vir 'n uitstekende elektroniese ontwerper

Gebruik die gereedskap van die vervaardiger

Ek het die simulasiehulpmiddels gebruik wat Richtek verskaf het. In hierdie omgewing kan u die gedrag van die DC/DC-omskakelaar in steady-state analise, kortstondige analise, opstartanalise sien.

En die resultate kan geraadpleeg word in die beelde, dokumente en videosimulasie.

Stap 7: Twee is beter as een

PCB -ontwerp in Eagle and Fusion 360

Die PCB -ontwerp is gemaak op Eagle 9.5.6 in samewerking met Fusion 360. Ek sinchroniseer die 3D -ontwerp met die PCB -ontwerp om 'n werklike beeld van die kringontwerp te kry.

Onder die belangrike punte om 'n PCB in Eagle CAD te skep.

• Biblioteek skep.
• Skematiese ontwerp.
• PCB -ontwerp of uitlegontwerp
• Genereer regte 2D -aansig.
• Voeg 'n 3D -model by die toestel in die uitlegontwerp.
• Sinkroniseer die Eagle PCB met Fusion 360.

Opmerking: al die belangrike punte word geïllustreer deur beelde wat u aan die begin van hierdie stap vind.

U kan hierdie kring aflaai op GitLab-bewaarplek:

Stap 8: Een probleem, een oplossing

Probeer ooit om al die veranderlikes in ag te neem

Die eenvoudigste is nooit beter nie … Ek het dit vir myself gesê toe my projek tot 80ºC verhit het. Ja, as u 'n relatief hoë uitsetstroom benodig, moet u nie lineêre reguleerders gebruik nie, want dit versprei baie krag.

My probleem … die uitsetstroom. Die oplossing … gebruik 'n DC/DC -omskakelaar om 'n lineêre spanningsreguleerder in 'n DPAK -pakket te vervang.

Omdat ek die Buck DPAK -projek genoem het

Stap 9: Gevolgtrekking

DC / DC -omsetters is baie doeltreffende stelsels om spanning by baie hoë strome te reguleer, maar by lae strome is dit oor die algemeen minder doeltreffend, maar nie minder doeltreffend as 'n lineêre reguleerder nie.

Dit is deesdae baie maklik om 'n DC / DC -omvormer te ontwerp, te danke aan die feit dat die vervaardigers die manier waarop dit beheer en gebruik word, vergemaklik het.