Alla ricerca dell'efficienza.: 9 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Convertitore BUCK su dimensione "DPAK"

Di solito, il progettista elettronico alle prime armi o l'hobbista ha bisogno di un regolatore di tensione in un circuito stampato o di una breadboard. Purtroppo per semplicità usiamo un regolatore di tensione lineare ma non ce ne sono del tutto male perché sempre dipende dalle applicazioni è importante.

Ad esempio nei dispositivi analogici di precisione (come le apparecchiature di misura) si usa sempre meglio un regolatore di tensione lineare (per ridurre al minimo i problemi di rumore). Ma nei dispositivi di elettronica di potenza come una lampada LED o un pre-regolatore per lo stadio dei regolatori lineari (per migliorare l'efficienza) è meglio utilizzare un regolatore di tensione del convertitore DC/DC BUCK come alimentazione principale perché questi dispositivi hanno un'efficienza migliore rispetto a un regolatore lineare in uscite ad alta corrente o carichi pesanti.

Un'altra opzione non così elegante ma veloce, è quella di utilizzare convertitori DC / DC in moduli prefabbricati e aggiungerli semplicemente sopra il nostro circuito stampato ma questo rende il circuito molto più grande.

La soluzione che propongo all'hobbista o al principiante dell'elettronica utilizza un modulo DC/DC BUCK converter che un modulo che si monta in superficie ma risparmiando spazio.

Forniture

• 1 Convertitore buck switching 3A --- RT6214.
• 1 induttore 4.7uH/2.9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 Condensatori 0805 22uF/25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 Condensatore 0402 100nF/50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 Condensatore 0402 68pF/50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 Resistenza 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Resistenza 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

Passaggio 1: selezione del miglior pilota

Selezione del convertitore BUCK DC/DC

Il primo passo per progettare un convertitore buck DC/DC è trovare la soluzione migliore per la nostra applicazione. La soluzione più rapida consiste nell'utilizzare un regolatore di commutazione invece di utilizzare un controller di commutazione.

La differenza tra queste due opzioni è mostrata di seguito.

Regolatore di commutazione

1. Molte volte sono monolitici.
2. L'efficienza è migliore.
3. Non supportano correnti di uscita molto elevate.
4. Sono più facili da stabilizzare (richiedono solo un circuito RC).
5. L'utente non ha avuto bisogno di molte conoscenze sul convertitore DC/DC per realizzare il progetto del circuito.
6. Sono preconfigurati per funzionare solo in una topologia specifica.
7. Il prezzo finale è più basso.

Mostra di seguito un esempio ridotto da un regolatore di commutazione [La prima immagine in questo passaggio].

Controllore di commutazione

1. Richiede molti componenti esterni come MOSFET e diodi.
2. Sono più complessi e l'utente ha bisogno di maggiori conoscenze sul convertitore DC/DC per realizzare la progettazione del circuito.
3. Possono utilizzare più topologie.
4. Supporta una corrente di uscita molto elevata.
5. Il prezzo finale è più alto.

Mostra sotto un tipico circuito di applicazione di un controller di commutazione [La seconda immagine in questo passaggio]

• Considerando i seguenti punti.

  1. Costo.
  2. Spazio [La potenza in uscita dipende da questo].
  3. Potenza in uscita.
  4. Efficienza.
  5. Complessità.

In questo caso, utilizzo un Richtek RT6214 [A per la modalità continua è migliore per il carico pesante e l'opzione B che funziona in modalità discontinua che è migliore per carichi leggeri e migliora l'efficienza a basse correnti di uscita] che è un DC /DC Buck Converter monolitico [e quindi non abbiamo bisogno di componenti esterni come MOSFET di potenza e diodi Schottky perché il convertitore ha interruttori MOSFET integrati e altri MOSFET che funzionano come Diode].

Informazioni più dettagliate possono essere trovate ai seguenti link: Buck_converter_guide, Confronto delle topologie del convertitore buck, Criteri di selezione del convertitore buck

Passaggio 2: l'induttore è il tuo miglior alleato nel convertitore DC/DC

Comprensione dell'induttore [Analisi della scheda tecnica]

Considerando lo spazio sul mio circuito, utilizzo un ECS-MPI4040R4-4R7-R con una corrente nominale di 4,7uH di 2,9 A e una corrente di saturazione di 3,9 A e una resistenza CC di 67 m ohm.

Corrente nominale

La corrente nominale è il valore di corrente dove l'induttore non perde le proprietà come l'induttanza e non aumenta significativamente la temperatura ambiente.

Corrente di saturazione

La corrente di saturazione nell'induttore è il valore corrente in cui l'induttore perde le sue proprietà e non funziona per immagazzinare energia in un campo magnetico.

Dimensione vs Resistenza

È normale che lo spazio e la resistenza dipendano l'uno dall'altro perché se la necessità consente di risparmiare spazio, è necessario risparmiare spazio riducendo il valore AWG nel filo smaltato e se voglio perdere resistenza dovrei aumentare il valore AWG nel filo smaltato.

Frequenza dell'autorisonanza

La frequenza di autorisonanza si ottiene quando la frequenza di commutazione annulla l'induttanza e solo ora esiste la capacità parassita. Molti produttori consigliano di mantenere la frequenza di commutazione di un induttore per almeno un decennio al di sotto della frequenza di autorisonanza. Per esempio

Frequenza di autorisonanza = 10MHz.

commutazione f = 1MHz.

Decade = log[base 10](Auto - Frequenza di risonanza / f - commutazione)

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

Decennio = 1

Se vuoi saperne di più sugli induttori, controlla i seguenti link: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Passaggio 3: l'induttore è il cuore

Selezione dell'induttore ideale

L'induttore è il cuore dei convertitori DC / DC, quindi è estremamente importante tenere a mente i seguenti punti per ottenere buone prestazioni del regolatore di tensione.

La corrente di uscita della tensione del regolatore, la corrente nominale, la corrente di saturazione e la corrente di ripple

In questo caso, il produttore fornisce equazioni per calcolare l'induttore ideale in base alla corrente di ripple, all'uscita in tensione, all'ingresso in tensione, alla frequenza di commutazione. L'equazione è mostrata di seguito.

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

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

IL(picco) = Iout(Max) + corrente di ripple / 2.

Applicando l'equazione della corrente di ripple sul mio induttore [I valori sono nel passaggio precedente] i risultati sono mostrati di seguito.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-Commutazione = 500kHz.

L = 4.7uH.

Iout = 1,5A.

Corrente di ripple ideale = 1,5 A * 50%

Corrente di ripple ideale = 0,750 A

Corrente di ripple = 5V (9V - 5V) / 9V x 500kHz x 4.7uH

Corrente di ondulazione = 0,95 A*

IL(picco) = 1,5 A + 0,95 A / 2

IL(picco) = 1.975A**

*Si consiglia di utilizzare la corrente di ripple prossima al 20% - 50% della corrente di uscita. Ma questa non è una regola generale perché dipende dal tempo di risposta del regolatore di commutazione. Quando abbiamo bisogno di una risposta a tempo veloce dovremmo usare un'induttanza bassa perché il tempo di carica sull'induttore è breve e quando abbiamo bisogno di una risposta a tempo lento dovremmo usare un'induttanza alta perché il tempo di carica è lungo e con questo, riduciamo l'EMI.

**Il produttore consigliato non supera la corrente di valle massima che supporta il dispositivo per mantenere una portata sicura. In questo caso, la corrente di valle massima è 4.5A.

Tali valori sono consultabili al seguente link: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

Passaggio 4: il futuro è adesso

Usa REDEXPERT per selezionare il miglior induttore per il tuo convertitore buck

REDEXPERT è un ottimo strumento quando hai bisogno di sapere qual è il miglior induttore per il tuo convertitore buck, convertitore boost, convertitore sepic, ecc. Questo strumento supporta più topologie per simulare il comportamento dell'induttore, ma questo strumento supporta solo i numeri di parte di Würth Electronik. In questo strumento, possiamo visualizzare nei grafici l'incremento di temperatura rispetto alla corrente e le perdite di induttanza rispetto alla corrente nell'induttore. Ha bisogno solo di semplici parametri di input come mostrato di seguito.

• Tensione di ingresso
• tensione di uscita
• uscita in corrente
• frequenza di commutazione
• corrente di ripple

Il link è il prossimo: Simulatore REDEXPERT

Passaggio 5: il nostro bisogno è importante

Calcolo dei valori di uscita

È molto semplice calcolare la tensione di uscita, basta definire un partitore di tensione definito dalla seguente equazione. Solo abbiamo bisogno di un R1 e definire un'uscita di tensione.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

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

R1= R2 (Vout - Vref) / Vref

Di seguito è mostrato un esempio che utilizza un RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vrif = 0.8.

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

R1 = 52,5 k

Passaggio 6: ottimo strumento per un grande progettista di elettronica

Utilizzare gli strumenti del produttore

Ho utilizzato gli strumenti di simulazione forniti da Richtek. In questo ambiente è possibile visualizzare il comportamento del convertitore DC/DC in analisi di stato stazionario, analisi transitoria, analisi di avvio.

E i risultati sono consultabili nelle immagini, nei documenti e nella simulazione video.

Passaggio 7: due sono meglio di uno

Progettazione PCB in Eagle e Fusion 360

Il design del PCB è realizzato su Eagle 9.5.6 in collaborazione con Fusion 360 Sincronizzo il design 3D con il design del PCB per ottenere una visione reale del design del circuito.

Di seguito sono mostrati i punti importanti per creare un PCB in Eagle CAD.

• Libreria creare.
• Disegno schematico.
• Progettazione PCB o Progettazione layout
• Genera una vista 2D reale.
• Aggiungi il modello 3D al dispositivo nella progettazione del layout.
• Sincronizza il PCB Eagle con Fusion 360.

Nota: tutti i punti importanti sono illustrati dalle immagini che trovi all'inizio di questo passaggio.

Puoi scaricare questo circuito sul repository GitLab:

Passaggio 8: un problema, una soluzione

Prova mai a considerare tutte le variabili

Il più semplice non è mai migliore… L'ho detto a me stesso quando il mio progetto si riscaldava fino a 80ºC. Sì, se hai bisogno di una corrente di uscita relativamente alta, non utilizzare regolatori lineari perché dissipano molta potenza.

Il mio problema… la corrente di uscita. La soluzione… utilizza un convertitore DC/DC per sostituire un regolatore di tensione lineare in un pacchetto DPAK.

Perché questo l'ho chiamato il progetto Buck DPAK

Passaggio 9: conclusione

I convertitori DC/DC sono sistemi molto efficienti per la regolazione della tensione a correnti molto elevate, tuttavia a correnti basse sono generalmente meno efficienti ma non meno efficienti di un regolatore lineare.

Al giorno d'oggi è molto facile poter progettare un convertitore DC/DC grazie al fatto che i produttori hanno facilitato il modo in cui vengono controllati e utilizzati.