Verimlilik Arayışında: 9 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:18

"DPAK" Boyutunda BUCK Dönüştürücü

Genellikle, elektronik tasarımcılığına yeni başlayanlar veya bir hobici, baskılı devre kartı veya breadboard'da bir voltaj regülatörüne ihtiyacımız var. Ne yazık ki basitlikten dolayı lineer bir voltaj regülatörü kullanıyoruz ama tamamen kötü değil çünkü uygulamalara bağlı olmak hiç önemli değil.

Örneğin hassas analog cihazlarda (ölçüm ekipmanı gibi) lineer voltaj regülatörü (gürültü sorunlarını en aza indirmek için) her zamankinden daha iyi kullanır. Ancak, bir lamba LED'i gibi güç elektroniği cihazlarında veya lineer regülatörler aşaması için bir ön regülatör (verimliliği artırmak için), ana besleme olarak bir DC/DC BUCK dönüştürücü voltaj regülatörü kullanmak daha iyidir, çünkü bu cihazlar bir lineer regülatörden daha verimlidir. yüksek akım çıkışlarında veya sert yükte.

Çok şık olmayan ama hızlı olan bir diğer seçenek ise prefabrik modüllerde DC/DC dönüştürücüler kullanmak ve bunları sadece baskı devremizin üzerine eklemek ama bu devre kartını çok daha büyük kılıyor.

Meraklısına veya elektroniğe yeni başlayanlara önerdiğim çözüm, yüzeye monte edilen ancak yerden tasarruf sağlayan bir modül DC/DC BUCK dönüştürücü kullanıyor.

Gereçler

• 1 Buck anahtarlama dönüştürücü 3A --- RT6214.
• 1 İndüktör 4.7uH/2.9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 Kondansatör 0805 22uF/25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 Kondansatör 0402 100nF/50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 Kondansatör 0402 68pF/50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 Direnç 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Direnç 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

Adım 1: En İyi Biniciyi Seçme

DC/DC BUCK Dönüştürücünün Seçilmesi

Bir DC/DC Buck dönüştürücü tasarlamanın ilk adımı, uygulamamız için en iyi çözümü bulmaktır. Daha hızlı çözüm, bir anahtarlama denetleyicisi kullanmak yerine bir anahtarlama düzenleyicisi kullanmaktır.

Bu iki seçenek arasındaki fark aşağıda gösterilmiştir.

Anahtarlama regülatörü

1. Çoğu zaman monolitiktirler.
2. Verimlilik daha iyidir.
3. Çok yüksek çıkış akımlarını desteklemezler.
4. Stabilize edilmeleri daha kolaydır (Yalnızca bir devre RC gerektirir).
5. Kullanıcının devre tasarımı yapmak için DC/DC dönüştürücü hakkında çok fazla bilgiye ihtiyacı yoktur.
6. Yalnızca belirli bir topolojide çalışacak şekilde önceden yapılandırılmıştır.
7. Nihai fiyat daha düşüktür.

Anahtarlama Düzenleyicisi tarafından küçültülmüş bir örneği aşağıda gösterin [Bu adımdaki ilk görüntü].

Anahtarlama denetleyicisi

1. MOSFET'ler ve Diyotlar gibi birçok harici bileşen gerektirir.
2. Daha karmaşıktırlar ve kullanıcının devre tasarımı yapmak için DC/DC dönüştürücü hakkında daha fazla bilgiye ihtiyacı vardır.
3. Daha fazla topoloji kullanabilirler.
4. Çok yüksek bir çıkış akımını destekleyin.
5. Nihai fiyat daha yüksektir.

Anahtarlama Kontrolörünün tipik bir uygulama devresini aşağıda gösterin [Bu adımdaki ikinci resim]

• Aşağıdaki noktaları göz önünde bulundurarak.

  1. Maliyet.
  2. Boşluk [Güç çıkışı buna bağlıdır].
  3. Güç çıkışı.
  4. Yeterlik.
  5. Karmaşıklık.

Bu durumda, bir Richtek RT6214 kullanıyorum [Sürekli mod için A, ağır yük için daha iyidir ve B seçeneği, hafif yük için daha iyi olan ve düşük çıkış akımlarında verimliliği artıran kesintili modda çalıştığı] bir DC olan /DC Buck Dönüştürücü monolitik [ve dolayısıyla Güç MOSFET'leri ve Schottky diyotları gibi harici bileşenlere ihtiyacımız yok çünkü dönüştürücü entegre MOSFET anahtarlarına ve Diyot gibi çalışan diğer MOSFET'lere sahiptir].

Daha detaylı bilgi aşağıdaki bağlantılarda bulunabilir: Buck_converter_guide, Buck Dönüştürücü Topolojilerini Karşılaştırma, Buck Dönüştürücü Seçim Kriterleri

Adım 2: İndüktör, DC/DC Dönüştürücüdeki En İyi Müttefikinizdir

İndüktörü anlama [Veri sayfasının analizi]

Devremdeki alanı göz önünde bulundurarak, 4.7uH, nominal akımı 2.9A ve doyma akımı 3.9A ve DC direnci 67m ohm olan bir ECS-MPI4040R4-4R7-R kullanıyorum.

Nominal akım

Nominal akım, indüktörün endüktans gibi özelliklerini kaybetmediği ve ortam sıcaklığını önemli ölçüde artırmadığı akım değeridir.

Doyma akımı

İndüktördeki doyma akımı, indüktörün özelliklerini kaybettiği ve manyetik alanda enerji depolamak için çalışmadığı akım değeridir.

Boyut ve Direnç

Boşluk ve direncin birbirine bağlı olması normal davranışıdır, çünkü gerekirse yerden tasarruf etmemiz gerekiyorsa, mıknatıs telindeki AWG değerini azaltarak yerden tasarruf etmemiz gerekir ve eğer direnci kaybetmek istersem, mıknatıs telindeki AWG değerini artırmalıyım.

Kendinden rezonans frekansı

Kendinden rezonans frekansı, anahtarlama frekansı endüktansı iptal ettiğinde ve yalnızca parazitik kapasitans mevcut olduğunda elde edilir. Birçok üretici, kendi kendine rezonans frekansının en az on yıl altında bir indüktör anahtarlama frekansının korunmasını tavsiye etti. Örneğin

Kendinden rezonans frekansı = 10MHz.

f-anahtarlama = 1MHz.

On yıl = log[taban 10](Kendinden - Rezonans frekansı / f - anahtarlama)

On yıl = log[taban 10](10MHz / 1MHz)

on yıl = 1

Daha fazla indüktör bilmek istiyorsanız, lütfen aşağıdaki bağlantıları kontrol edin: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Adım 3: İndüktör Kalptir

İdeal İndüktörün Seçimi

İndüktör, DC / DC dönüştürücülerin kalbidir, bu nedenle iyi bir voltaj regülatörü performansı elde etmek için aşağıdaki noktaları akılda tutmak son derece önemlidir.

Regülatör voltajı, nominal akım, doyma akımı ve dalgalanma akımının çıkış akımı

Bu durumda üretici, dalgalanma akımı, voltaj çıkışı, voltaj girişi, anahtarlama frekansına göre ideal indüktörü hesaplamak için denklemler sağlar. Denklem aşağıda gösterilmiştir.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-anahtarlama x dalgalanma akımı.

Dalgalanma akımı = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-anahtarlama x L.

IL(tepe) = Iout(Max) + dalgalanma akımı / 2.

İndüktörümde dalgalanma akımı denkleminin uygulanması [Değerler önceki Adımdadır], sonuçlar aşağıda gösterilmiştir.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-Anahtarlama = 500kHz.

L = 4.7uH.

Iout = 1.5A.

İdeal dalgalanma akımı = 1,5A * %50

İdeal dalgalanma akımı = 0.750A

Dalgalanma akımı = 5V (9V - 5V) / 9V x 500kHz x 4,7uH

Dalgalanma akımı = 0.95A*

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

IL(tepe) = 1.975A**

*Çıkış akımının %20 - %50'sine yakın dalgalanma akımı kullanılması önerilir. Ancak bu genel bir kural değildir çünkü anahtarlama düzenleyicisinin tepki süresine bağlıdır. Hızlı bir zaman yanıtına ihtiyacımız olduğunda düşük bir endüktans kullanmalıyız çünkü indüktördeki şarj süresi kısadır ve yavaş bir zaman yanıtına ihtiyacımız olduğunda yüksek bir endüktans kullanmalıyız çünkü şarj süresi uzundur ve bununla EMI'yi azaltıyoruz.

**Önerilen üretici, güvenli bir menzil sağlamak için cihazı destekleyen maksimum vadi akımını aşmaz. Bu durumda maksimum vadi akımı 4.5A'dır.

Bu değerlere aşağıdaki bağlantıdan bakılabilir: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

Adım 4: Gelecek Şimdidir

Para dönüştürücünüz için en iyi indüktörü seçmek için REDEXPERT kullanın

REDEXPERT, para dönüştürücünüz, yükseltici dönüştürücü, sepik dönüştürücü vb. için en iyi indüktörün ne olduğunu bilmeniz gerektiğinde harika bir araçtır. Bu araç, indüktör davranışınızı simüle etmek için birden fazla topolojiyi destekler, ancak bu araç yalnızca Würth Electronik'ten parça numaralarını destekler. Bu araçta, akıma karşı sıcaklık artışını ve indüktördeki akıma karşı endüktans kayıplarını grafikler halinde görebiliriz. Yalnızca aşağıda gösterildiği gibi basit giriş parametrelerine ihtiyaç duyar.

• Giriş gerilimi
• çıkış voltajı
• akım çıkışı
• frekans değiştirme
• dalgalanma akımı

Bağlantı bir sonraki: REDEXPERT Simülatörü

Adım 5: İhtiyacımız Önemli

Çıkış değerlerinin hesaplanması

Çıkış voltajını hesaplamak çok basittir, sadece aşağıdaki denklemle tanımlanan bir voltaj bölücü tanımlamamız gerekir. Sadece bir R1'e ihtiyacımız var ve bir voltaj çıkışı tanımlıyoruz.

Vref = 0.8 [RT6214A/BHGJ6F].

Vref = 0.765 [RT6214A/BHRGJ6/8F]

R1= R2 (Vout - Vref) / Vref

Aşağıda RT6214AHGJ6F kullanan bir örnek gösterilmiştir.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vref = 0.8.

R1 = 10k (5 - 0.8) / 0.8.

R1 = 52.5k

Adım 6: Harika Bir Elektronik Tasarımcısı için Harika Bir Araç

Üreticinin araçlarını kullanın

Richtek tarafından sağlanan simülasyon araçlarını kullandım. Bu ortamda, DC/DC dönüştürücünün kararlı durum analizi, geçici durum analizi, başlangıç analizindeki davranışını görüntüleyebilirsiniz.

Ve sonuçlara görüntülerde, belgelerde ve video simülasyonunda danışılabilir.

Adım 7: İkisi Birden Daha İyidir

Eagle ve Fusion 360'ta PCB Tasarımı

PCB tasarımı, Fusion 360 ile işbirliği içinde Eagle 9.5.6 üzerinde yapılmıştır. Devre tasarımının gerçek bir görünümünü elde etmek için 3D tasarımı PCB tasarımı ile senkronize ediyorum.

Eagle CAD'de PCB oluşturmak için önemli noktalar aşağıda gösterilmiştir.

• Kütüphane oluştur.
• Şematik tasarım.
• PCB tasarımı veya Düzen tasarımı
• Gerçek 2D görünüm oluşturun.
• Düzen tasarımında cihaza 3B model ekleyin.
• Eagle PCB'yi Fusion 360 ile senkronize edin.

Not: Tüm önemli noktalar, bu adımın başında bulduğunuz resimlerle gösterilmiştir.

Bu devreyi GitLab deposundan indirebilirsiniz:

Adım 8: Tek Sorun, Tek Çözüm

Hiç tüm değişkenleri göz önünde bulundurmaya çalışın

En basiti daha iyi değil… Projem 80ºC'ye kadar ısınırken bunu kendime söyledim. Evet, nispeten yüksek bir çıkış akımına ihtiyacınız varsa, çok fazla güç harcadıkları için doğrusal regülatörler kullanmayın.

Benim sorunum… çıkış akımı. Çözüm… bir DPAK paketindeki doğrusal voltaj regülatörünü değiştirmek için bir DC/DC dönüştürücü kullanır.

Çünkü buna Buck DPAK projesi adını verdim.

Adım 9: Sonuç

DC / DC dönüştürücüler, çok yüksek akımlarda voltajı düzenlemek için çok verimli sistemlerdir, ancak düşük akımlarda genellikle daha az verimlidirler ancak doğrusal bir regülatörden daha az verimli değildirler.

Günümüzde üreticilerin kontrol ve kullanım şekillerini kolaylaştırmış olmaları sayesinde bir DC/DC dönüştürücü tasarlayabilmek çok kolaydır.