Sa Paghahanap ng Kahusayan .: 9 Mga Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:11

BUCK Converter sa Laki ng "DPAK"

Karaniwan, ang mga nagsisimula na taga-disenyo ng electronic o isang hobbyist kailangan namin ng isang boltahe regulator sa circuit board na naka-print o isang breadboard. Sa kasamaang palad sa pamamagitan ng pagiging simple, gumagamit kami ng isang linear voltage regulator ngunit walang ganap na masama dahil kailanman ay depende sa mga aplikasyon ay mahalaga.

Halimbawa sa mga eksaktong aparato ng analog (tulad ng kagamitan sa pagsukat) na mas mahusay na gumagamit ng isang linear voltage regulator (upang mabawasan ang mga problema sa ingay). Ngunit sa mga aparato ng electronics na kagaya ng isang LED lampara, o isang pre-regulator para sa mga linear na regulator yugto (upang mapabuti ang kahusayan) ay mas mahusay na gumamit ng isang DC / DC BUCK converter voltage regulator bilang pangunahing supply dahil ang mga aparatong ito ay mas mahusay na kahusayan na isang linear regulator sa mataas na kasalukuyang output o pag-load nang husto.

Ang isa pang pagpipilian na hindi gaanong matikas ngunit mabilis, ay ang paggamit ng mga converter ng DC / DC sa mga prefabricated na module at idagdag lamang ang mga ito sa tuktok ng aming naka-print na circuit ngunit ginagawa nitong mas malaki ang circuit board.

Ang solusyon na iminumungkahi ko sa hobbyist o ang nagsisimula sa electronics ay gumagamit ng isang module DC / DC BUCK converter na isang module na nasa itaas na mount ngunit, nakakatipid ng puwang.

Mga gamit

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

Hakbang 1: Ang pagpili ng Pinakamahusay na Ridder

Pagpili ng DC / DC BUCK Converter

Ang unang hakbang sa pagdidisenyo ng isang DC / DC Buck converter ay upang mahanap ang pinakamahusay na solusyon para sa aming application. Ang solusyon na mas mabilis ay ang paggamit ng isang switching regulator sa halip na gumamit ng isang switching controller.

Ang pagkakaiba sa pagitan ng dalawang pagpipilian na ito ay ipinapakita sa ibaba.

Paglipat ng regulator

1. Maraming beses na sila ay monolithic.
2. Ang kahusayan ay mas mahusay.
3. Hindi nila sinusuportahan ang napakataas na mga alon ng output.
4. Mas madali silang patatagin (Nangangailangan lamang ng isang circuit RC).
5. Ang gumagamit ay hindi nangangailangan ng maraming kaalaman tungkol sa DC / DC converter upang gawin ang disenyo ng circuit.
6. Na-configure muna upang gumana lamang sa isang tukoy na topology.
7. Ang huling presyo ay mas mababa.

Ipakita sa ibaba ang isang halimbawang binawasan ng isang Switching Regulator [Ang unang imahe sa hakbang na ito].

Paglipat ng controller

1. Mangangailangan ng maraming mga panlabas na sangkap tulad ng MOSFETs at Diode.
2. Mas kumplikado ang mga ito at kailangan ng gumagamit ng maraming kaalaman tungkol sa DC / DC converter upang gawin ang disenyo ng circuit.
3. Maaari silang gumamit ng higit pang mga topology.
4. Sumuporta sa isang napakataas na kasalukuyang output.
5. Ang huling presyo ay mas mataas.

Ipakita sa ibaba ang isang karaniwang circuit ng application ng isang Switching Controller [Ang pangalawang imahe sa hakbang na ito]

• Isinasaalang-alang ang mga sumusunod na puntos.

  1. Gastos
  2. Space [Ang output output ay nakasalalay dito].
  3. Output ng kuryente.
  4. Kahusayan.
  5. Pagiging kumplikado

Sa kasong ito, gumagamit ako ng isang Richtek RT6214 [A para sa tuluy-tuloy na mode ay mas mahusay para sa matitigas na pag-load, at ang pagpipiliang B na gumagana ito sa hindi nagpapatuloy na mode na mas mahusay para sa magaan na pag-load at pagbutihin ang kahusayan sa mababang mga alon ng output] na isang DC / DC Buck Converter monolithic [at sa gayon ay hindi namin kailangan ng anumang panlabas na mga sangkap tulad ng Power MOSFETs at diode Schottky dahil ang converter ay isinama ang mga switch ng MOSFET at iba pang MOSFET na gumagana tulad ng Diode].

Ang mas detalyadong impormasyon ay matatagpuan sa mga sumusunod na link: Buck_converter_guide, Paghahambing ng Mga Topology ng Buck Converter, Pamantayan sa Pagpili ng Buck Converter

Hakbang 2: Ang Inductor Ay Iyong Pinakamahusay na Kaalyado sa DC / DC Converter

Pag-unawa sa inductor [Pagsusuri ng datasheet]

Isinasaalang-alang ang puwang sa aking circuit, gumagamit ako ng isang ECS-MPI4040R4-4R7-R na may isang 4.7uH, nominal na kasalukuyang 2.9A, at isang kasalukuyang saturation ng 3.9A at DC paglaban 67m ohms.

Kasalukuyang nominal

Ang kasalukuyang nominal ay ang kasalukuyang halaga kung saan ang inductor ay hindi mawawala ang mga pag-aari tulad ng inductance at hindi makahulugan na pagdaragdag ng temperatura sa paligid.

Kasalukuyang saturation

Ang kasalukuyang saturation sa inductor ay ang kasalukuyang halaga kung saan nawawala ang mga katangian nito ng inductor at hindi gumagana upang mag-imbak ng enerhiya sa isang magnetic field.

Laki vs Paglaban

Normal na pag-uugali na ang puwang at paglaban ay nakasalalay sa bawat isa dahil kung ang pag-save ay nangangailangan ng space kailangan namin upang makatipid ng puwang na binabawasan ang halaga ng AWG sa magnet wire at kung nais kong mawala ang paglaban dapat kong dagdagan ang halaga ng AWG sa magnet wire.

Dalas ng self-resonance

Ang dalas ng self-resonance ay nakakamit kapag kinansela ng dalas ng paglipat ang inductance at ngayon lamang umiiral ang capacitance na parasitiko. Inirerekomenda ng maraming mga tagagawa ang pagpapanatili ng dalas ng paglipat ng isang inductor nang hindi bababa sa isang dekada sa ibaba ng dalas ng self-resonance. Halimbawa

Dalas ng self-resonance = 10MHz.

f-switching = 1MHz.

Decade = log [base 10] (Sarili - Dalas ng resonance / f - switching)

Decade = log [base 10] (10MHz / 1MHz)

Dekada = 1

Kung nais mong malaman ang higit pa sa mga inductors, mangyaring suriin ang mga sumusunod na link: Self_resonance_inductor, saturation_current_vs nominal_current

Hakbang 3: Ang Inductor Ay Ang Puso

Piliin ang Ideal Inductor

Ang inductor ay ang puso ng mga converter ng DC / DC, samakatuwid napakahalagang tandaan ang mga sumusunod na puntos upang makamit ang mahusay na pagganap ng boltahe na regulator.

Ang kasalukuyang output ng boltahe ng regulator, kasalukuyang nominal, kasalukuyang saturation, at kasalukuyang ripple

Sa kasong ito, nagbibigay ang tagagawa ng mga equation upang makalkula ang perpektong inductor ayon sa kasalukuyang ripple, output ng boltahe, input ng boltahe, dalas ng paglipat. Ang equation ay ipinapakita sa ibaba.

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

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

IL (rurok) = Iout (Max) + ripple kasalukuyang / 2.

Ang paglalapat ng equation ng ripple kasalukuyang sa aking inductor [Ang mga halaga ay nasa nakaraang Hakbang] ang mga resulta ay ipinapakita sa ibaba.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-Switching = 500kHz.

L = 4.7uH.

Iout = 1.5A.

Tamang-tama kasalukuyang ripple = 1.5A * 50%

Mainam na kasalukuyang ripple = 0.750A

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

Ripple kasalukuyang = 0.95A *

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

IL (rurok) = 1.975A **

* Inirerekumenda na gamitin ang ripple kasalukuyang malapit sa 20% - 50% ng kasalukuyang output. Ngunit hindi ito isang pangkalahatang tuntunin dahil nakasalalay ito sa oras ng pagtugon ng switching regulator. Kapag kailangan namin ng mabilis na tugon sa oras dapat gumamit kami ng isang mababang inductance dahil ang oras ng pagsingil sa inductor ay maikli at kapag kailangan namin ng isang mabagal na oras na pagtugon dapat kaming gumamit ng isang mataas na inductance dahil ang oras ng pagsingil ay mahaba at dito, binabawasan namin ang EMI.

** Inirerekumenda ng gumawa na hindi lalampas sa maximum na kasalukuyang lambak na sumusuporta sa aparato upang mapanatili ang isang ligtas na saklaw. Sa kasong ito, ang maximum na kasalukuyang lambak ay 4.5A.

Ang mga halagang ito ay maaaring konsulta sa sumusunod na link: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

Hakbang 4: Ang Hinaharap Ay Ngayon

Gumamit ng REDEXPERT upang piliin ang pinakamahusay na inductor para sa iyong buck converter

Ang REDEXPERT ay isang mahusay na tool kapag kailangan mong malaman kung ano ang pinakamahusay na inductor para sa iyong buck converter, boost converter, sepic converter, atbp. Sinusuportahan ng tool na ito ang maraming mga topology upang gayahin ang iyong pag-uugali ng inductor, ngunit sinusuportahan lamang ng tool na ito ang mga bilang ng bahagi mula sa Würth Electronik. Sa tool na ito, maaari naming tingnan sa mga graph ang pagtaas ng temperatura kumpara sa kasalukuyan at ang mga pagkawala ng inductance vs kasalukuyang sa inductor. Kailangan lang nito ng mga simpleng parameter ng pag-input tulad ng ipinakita sa ibaba.

• Boltahe ng pag-input
• output boltahe
• kasalukuyang output
• dalas ng paglipat
• kasalukuyang alon

Ang link ay ang susunod: REDEXPERT Simulator

Hakbang 5: Mahalaga ang aming Kailangan

Kinakalkula ang mga halaga ng output

Napakadali upang kalkulahin ang output boltahe, kailangan lamang naming tukuyin ang isang divider ng boltahe na tinukoy ng sumusunod na equation. Kailangan lamang namin ang isang R1 at tukuyin ang isang output ng boltahe.

Vref = 0.8 [RT6214A / BHGJ6F].

Vref = 0.765 [RT6214A / BHRGJ6 / 8F]

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Ipinapakita sa ibaba ng isang halimbawa gamit ang isang RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vref = 0.8.

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

R1 = 52.5k

Hakbang 6: Mahusay na Tool para sa isang Mahusay na Desenyo ng Elektronika

Gumamit ng mga tool ng gumagawa

Ginamit ko ang mga tool sa simulation na ibinigay ng Richtek. Sa kapaligirang ito, maaari mong tingnan ang pag-uugali ng DC / DC converter sa matatag na pagtatasa ng estado, pansamantalang pag-aaral, pagtatasa ng pagsisimula.

At ang mga resulta ay maaaring konsulta sa mga imahe, dokumento, at simulation ng video.

Hakbang 7: Ang Dalawa Ay Mas Mabuti kaysa sa Isa

Disenyo ng PCB sa Eagle at Fusion 360

Ang disenyo ng PCB ay ginawa sa Eagle 9.5.6 sa pakikipagtulungan sa Fusion 360 Sini-synchronize ko ang disenyo ng 3D sa disenyo ng PCB upang makakuha ng isang tunay na pagtingin sa disenyo ng circuit.

Ipinapakita sa ibaba ng mahahalagang puntos upang lumikha ng isang PCB sa Eagle CAD.

• Gumawa ng library.
• Disenyo ng iskema.
• Disenyo ng PCB o disenyo ng Layout
• Bumuo ng Totoong 2D view.
• Magdagdag ng 3D na modelo sa aparato sa disenyo ng layout.
• Isabay ang Eagle PCB sa Fusion 360.

Tandaan: Ang lahat ng mahalagang punto ay inilalarawan ng mga imaheng nakikita mo sa simula ng hakbang na ito.

Maaari mong i-download ang circuit na ito sa repository ng GitLab:

Hakbang 8: Isang Suliranin, Isang Solusyon

Kailanman subukan upang isaalang-alang ang lahat ng mga variable

Ang pinakasimpleng ay hindi kailanman mas mahusay … Sinabi ko ito sa sarili ko ito kapag ang aking proyekto ay nag-init ng hanggang sa 80ºC. Oo, kung kailangan mo ng isang medyo mataas na kasalukuyang output, huwag gumamit ng mga linear regulator dahil napapawi nila ang maraming lakas.

Ang problema ko … ang kasalukuyang output. Ang solusyon … ay gumagamit ng isang DC / DC converter upang palitan ang isang linear voltage regulator sa isang pakete ng DPAK.

Dahil dito tinawag ko ang proyekto na Buck DPAK

Hakbang 9: Konklusyon

Ang mga converter ng DC / DC ay napakahusay na mga system para sa pagkontrol ng boltahe sa napakataas na alon, subalit sa mababang mga alon sa pangkalahatan ay hindi gaanong mahusay ngunit hindi gaanong mahusay kaysa sa isang linear regulator.

Ngayon ay napakadaling makapag-disenyo ng isang DC / DC converter salamat sa katotohanang pinabilis ng mga tagagawa ang paraan kung saan sila kinokontrol at ginamit.