ในการค้นหาประสิทธิภาพ: 9 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:04

ตัวแปลง BUCK บนขนาด "DPAK"

โดยปกติแล้ว ผู้เริ่มต้นออกแบบอิเล็กทรอนิกส์หรืองานอดิเรก เราต้องการตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าในแผงวงจรพิมพ์หรือเขียงหั่นขนม น่าเสียดายที่ความเรียบง่าย เราใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น แต่ก็ไม่ได้แย่ไปซะหมด เพราะขึ้นอยู่กับการใช้งานเป็นสิ่งสำคัญ

ตัวอย่างเช่น ในอุปกรณ์อะนาล็อกที่มีความแม่นยำ (เช่น อุปกรณ์วัด) ควรใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น (เพื่อลดปัญหาเสียงรบกวน) แต่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง เช่น หลอดไฟ LED หรือพรีเรกูเลเตอร์สำหรับสเตจเรกูเลเตอร์เชิงเส้น (เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ) จะดีกว่าถ้าใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าคอนเวอร์เตอร์ DC/DC BUCK เป็นแหล่งจ่ายหลักเพราะอุปกรณ์เหล่านี้มีประสิทธิภาพที่ดีกว่าตัวปรับแรงดันเชิงเส้น ในเอาต์พุตกระแสสูงหรือโหลดอย่างหนัก

อีกทางเลือกหนึ่งที่ไม่หรูหรา แต่รวดเร็ว คือการใช้ตัวแปลง DC / DC ในโมดูลสำเร็จรูป และเพิ่มเข้าไปที่ด้านบนของวงจรพิมพ์ของเรา แต่สิ่งนี้ทำให้แผงวงจรใหญ่ขึ้นมาก

วิธีแก้ปัญหาที่ฉันเสนอให้กับมือสมัครเล่นหรือผู้เริ่มใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใช้ตัวแปลงโมดูล DC/DC BUCK ซึ่งเป็นโมดูลที่ติดตั้งบนพื้นผิวแต่ช่วยประหยัดพื้นที่

เสบียง

• 1 บั๊กสวิตชิ่งคอนเวอร์เตอร์ 3A --- RT6214
• 1 ตัวเหนี่ยวนำ 4.7uH/2.9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 ตัวเก็บประจุ 0805 22uF/25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 ตัวเก็บประจุ 0402 100nF/50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 ตัวเก็บประจุ 0402 68pF/50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 ตัวต้านทาน 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 ตัวต้านทาน 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

ขั้นตอนที่ 1: เลือกนักขี่ที่ดีที่สุด

การเลือกตัวแปลง DC/DC BUCK

ขั้นตอนแรกในการออกแบบตัวแปลง DC/DC Buck คือการหาทางออกที่ดีที่สุดสำหรับแอปพลิเคชันของเรา วิธีแก้ปัญหาที่เร็วกว่าคือการใช้ตัวควบคุมการสลับแทนการใช้ตัวควบคุมการสลับ

ความแตกต่างระหว่างสองตัวเลือกนี้แสดงไว้ด้านล่าง

สวิตช์ควบคุม

1. หลายครั้งที่พวกเขาเป็นเสาหิน
2. ประสิทธิภาพจะดีกว่า
3. ไม่รองรับกระแสเอาต์พุตที่สูงมาก
4. พวกมันเสถียรง่ายกว่า (ต้องใช้วงจร RC เท่านั้น)
5. ผู้ใช้ไม่ต้องการความรู้มากมายเกี่ยวกับตัวแปลง DC/DC ในการออกแบบวงจร
6. มีการกำหนดค่าล่วงหน้าให้ใช้งานได้ในโทโพโลยีเฉพาะ
7. ราคาสุดท้ายต่ำกว่า

แสดงด้านล่างตัวอย่างที่ลดลงโดย Switching Regulator [ภาพแรกในขั้นตอนนี้]

สวิตช์ควบคุม

1. ต้องการส่วนประกอบภายนอกจำนวนมาก เช่น MOSFET และไดโอด
2. มีความซับซ้อนมากขึ้นและผู้ใช้ต้องการความรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับตัวแปลง DC/DC ในการออกแบบวงจร
3. พวกเขาสามารถใช้โทโพโลยีเพิ่มเติมได้
4. รองรับกระแสไฟขาออกที่สูงมาก
5. ราคาสุดท้ายสูงกว่า

แสดงวงจรการใช้งานทั่วไปของ Switching Controller ด้านล่าง [ภาพที่ 2 ในขั้นตอนนี้]

• พิจารณาประเด็นต่อไปนี้

  1. ค่าใช้จ่าย.
  2. Space [กำลังขับขึ้นอยู่กับสิ่งนี้]
  3. กำลังขับ
  4. ประสิทธิภาพ.
  5. ความซับซ้อน

ในกรณีนี้ ผมใช้ Richtek RT6214 [A สำหรับโหมดต่อเนื่องจะดีกว่าสำหรับฮาร์ดโหลด และตัวเลือก B ที่ทำงานในโหมดไม่ต่อเนื่องซึ่งดีกว่าสำหรับโหลดแบบเบาและปรับปรุงประสิทธิภาพที่กระแสไฟออกต่ำ] ที่เป็น DC /DC Buck Converter monolithic [ดังนั้นเราจึงไม่ต้องการส่วนประกอบภายนอกใดๆ เช่น Power MOSFET และไดโอด Schottky เนื่องจากตัวแปลงได้รวมสวิตช์ MOSFET และ MOSFET อื่นๆ ที่ทำงานเช่น Diode]

ข้อมูลรายละเอียดเพิ่มเติมสามารถพบได้ที่ลิงค์ต่อไปนี้: Buck_converter_guide, การเปรียบเทียบโทโพโลยีตัวแปลงบั๊ก, เกณฑ์การเลือกตัวแปลงบั๊ก

ขั้นตอนที่ 2: Inductor เป็นพันธมิตรที่ดีที่สุดในตัวแปลง DC/DC

การทำความเข้าใจตัวเหนี่ยวนำ [การวิเคราะห์แผ่นข้อมูล]

เมื่อพิจารณาถึงพื้นที่บนวงจรของฉัน ฉันใช้ ECS-MPI4040R4-4R7-R ที่มี 4.7uH กระแสไฟที่ระบุ 2.9A และกระแสความอิ่มตัวที่ 3.9A และความต้านทาน DC 67 ม. โอห์ม

กระแสไฟที่กำหนด

กระแสที่ระบุคือค่าปัจจุบันที่ตัวเหนี่ยวนำไม่สูญเสียคุณสมบัติ เช่น การเหนี่ยวนำและไม่ได้เพิ่มอุณหภูมิแวดล้อมอย่างมีนัยสำคัญ

ความอิ่มตัวของกระแส

กระแสอิ่มตัวในตัวเหนี่ยวนำคือค่าปัจจุบันที่ตัวเหนี่ยวนำสูญเสียคุณสมบัติและไม่สามารถเก็บพลังงานในสนามแม่เหล็กได้

ขนาดเทียบกับความต้านทาน

พฤติกรรมปกติของมันที่พื้นที่และความต้านทานขึ้นอยู่กับแต่ละอื่น ๆ เพราะหากต้องการประหยัดพื้นที่ เราต้องประหยัดพื้นที่โดยลดค่า AWG ในลวดแม่เหล็ก และหากฉันต้องการลดความต้านทาน ฉันควรเพิ่มค่า AWG ในลวดแม่เหล็ก

ความถี่สะท้อนตนเอง

ความถี่เรโซแนนซ์ในตัวเองจะเกิดขึ้นได้เมื่อความถี่สวิตชิ่งยกเลิกการเหนี่ยวนำและตอนนี้มีเพียงความจุกาฝากเท่านั้น ผู้ผลิตหลายรายแนะนำให้รักษาความถี่สวิตชิ่งตัวเหนี่ยวนำให้ต่ำกว่าความถี่เรโซแนนซ์ตัวเองอย่างน้อยหนึ่งทศวรรษ ตัวอย่างเช่น

ความถี่สะท้อนตัวเอง = 10MHz

f-switching = 1MHz.

ทศวรรษ = บันทึก[ฐาน 10](ความถี่เรโซแนนซ์ตัวเอง / f - การสลับ)

ทศวรรษ = บันทึก[ฐาน 10](10MHz / 1MHz)

ทศวรรษ = 1

หากคุณต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมของตัวเหนี่ยวนำ โปรดตรวจสอบลิงก์ต่อไปนี้: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

ขั้นตอนที่ 3: ตัวเหนี่ยวนำคือหัวใจ

การเลือกตัวเหนี่ยวนำในอุดมคติ

ตัวเหนี่ยวนำเป็นหัวใจของตัวแปลง DC / DC ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่จะต้องคำนึงถึงประเด็นต่อไปนี้ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่ดี

กระแสไฟขาออกของแรงดันควบคุม กระแสระบุ กระแสอิ่มตัว และกระแสกระเพื่อม

ในกรณีนี้ ผู้ผลิตจะจัดเตรียมสมการเพื่อคำนวณตัวเหนี่ยวนำในอุดมคติตามกระแสกระเพื่อม แรงดันไฟขาออก อินพุตแรงดันไฟฟ้า ความถี่สวิตชิ่ง สมการแสดงอยู่ด้านล่าง

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-switching x กระแสกระเพื่อม

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

IL(สูงสุด) = Iout(สูงสุด) + กระแสกระเพื่อม / 2.

การใช้สมการกระแสระลอกบนตัวเหนี่ยวนำของฉัน [ค่าอยู่ในขั้นตอนก่อนหน้า] ผลลัพธ์จะแสดงด้านล่าง

วิน = 9V.

โวต = 5V.

f-Switching = 500kHz.

L = 4.7uH.

ไอเอาต์ = 1.5A

กระแสกระเพื่อมในอุดมคติ = 1.5A * 50%

กระแสกระเพื่อมในอุดมคติ = 0.750A

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

กระแสกระเพื่อม = 0.95A*

IL(สูงสุด) = 1.5A + 0.95A / 2

IL(สูงสุด) = 1.975A**

* แนะนำให้ใช้กระแสระลอกใกล้กับ 20% - 50% ของกระแสไฟขาออก แต่นี่ไม่ใช่กฎทั่วไปเพราะขึ้นอยู่กับเวลาตอบสนองของตัวควบคุมการสลับ เมื่อเราต้องการการตอบสนองที่รวดเร็ว เราควรใช้ตัวเหนี่ยวนำที่ต่ำเพราะเวลาในการชาร์จของตัวเหนี่ยวนำนั้นสั้น และเมื่อเราต้องการการตอบสนองที่ช้า เราควรใช้ตัวเหนี่ยวนำที่สูงเนื่องจากเวลาในการชาร์จนั้นยาวนาน และด้วยสิ่งนี้ เราจึงลด EMI

**ผู้ผลิตแนะนำไม่เกินกระแสหุบเขาสูงสุดที่รองรับอุปกรณ์เพื่อรักษาช่วงที่ปลอดภัย ในกรณีนี้กระแสหุบเขาสูงสุดคือ 4.5A

ค่าเหล่านี้สามารถดูได้ในลิงค์ต่อไปนี้: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

ขั้นตอนที่ 4: อนาคตคือตอนนี้

ใช้ REDEXPERT เพื่อเลือกตัวเหนี่ยวนำที่ดีที่สุดสำหรับตัวแปลงบั๊กของคุณ

REDEXPERT เป็นเครื่องมือที่ยอดเยี่ยมเมื่อคุณต้องการรู้ว่าอะไรคือตัวเหนี่ยวนำที่ดีที่สุดสำหรับตัวแปลงบั๊ก ตัวแปลงบูสต์ ตัวแปลง sepic ฯลฯ เครื่องมือนี้รองรับโทโพโลยีหลายแบบเพื่อจำลองพฤติกรรมตัวเหนี่ยวนำของคุณ แต่เครื่องมือนี้รองรับเฉพาะหมายเลขชิ้นส่วนจาก Würth Electronik เท่านั้น ในเครื่องมือนี้ เราสามารถดูกราฟการเพิ่มอุณหภูมิเทียบกับกระแส และการสูญเสียของการเหนี่ยวนำและกระแสในตัวเหนี่ยวนำ ต้องการเพียงพารามิเตอร์อินพุตอย่างง่ายเช่นที่แสดงด้านล่าง

• แรงดันไฟฟ้าขาเข้า
• แรงดันขาออก
• เอาท์พุทปัจจุบัน
• เปลี่ยนความถี่
• ระลอกปัจจุบัน

ลิงก์ถัดไป: REDEXPERT Simulator

ขั้นตอนที่ 5: ความต้องการของเราเป็นสิ่งสำคัญ

การคำนวณค่าเอาต์พุต

มันง่ายมากในการคำนวณแรงดันเอาต์พุต เราแค่ต้องกำหนดตัวแบ่งแรงดันที่กำหนดโดยสมการต่อไปนี้ มีเพียงเราเท่านั้นที่ต้องการ R1 และกำหนดเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้า

Vref = 0.8 [RT6214A/BHGJ6F]

Vref = 0.765 [RT6214A/BHRGJ6/8F]

R1= R2 (Vout - Vref) / Vref

แสดงตัวอย่างด้านล่างโดยใช้ RT6214AHGJ6F

R2 = 10k.

โวต = 5.

Vref = 0.8.

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

R1 = 52.5k

ขั้นตอนที่ 6: เครื่องมือที่ยอดเยี่ยมสำหรับนักออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยอดเยี่ยม

ใช้เครื่องมือของผู้ผลิต

ฉันใช้เครื่องมือจำลองสถานการณ์ที่ Richtek จัดหาให้ ในสภาพแวดล้อมนี้ คุณสามารถดูพฤติกรรมของตัวแปลง DC/DC ในการวิเคราะห์สภาวะคงตัว การวิเคราะห์ชั่วคราว การวิเคราะห์การเริ่มต้น

และสามารถดูผลลัพธ์ได้ในรูปภาพ เอกสาร และวิดีโอจำลอง

ขั้นตอนที่ 7: สองดีกว่าหนึ่ง

การออกแบบ PCB ใน Eagle และ Fusion 360

การออกแบบ PCB สร้างขึ้นบน Eagle 9.5.6 โดยความร่วมมือกับ Fusion 360 I ประสานการออกแบบ 3D กับการออกแบบ PCB เพื่อให้ได้มุมมองจริงของการออกแบบวงจร

แสดงจุดสำคัญด้านล่างเพื่อสร้าง PCB ใน Eagle CAD

• สร้างห้องสมุด.
• การออกแบบแผนผัง
• การออกแบบ PCB หรือการออกแบบเลย์เอาต์
• สร้างมุมมอง 2D จริง
• เพิ่มโมเดล 3 มิติให้กับอุปกรณ์ในการออกแบบเลย์เอาต์
• ซิงโครไนซ์ Eagle PCB กับ Fusion 360

หมายเหตุ: จุดสำคัญทั้งหมดจะแสดงด้วยรูปภาพที่คุณพบในตอนต้นของขั้นตอนนี้

คุณสามารถดาวน์โหลดวงจรนี้บนที่เก็บ GitLab:

ขั้นตอนที่ 8: หนึ่งปัญหา หนึ่งวิธีแก้ไข

เคยพยายามพิจารณาตัวแปรทั้งหมด

สิ่งที่ง่ายที่สุดไม่ได้ดีไปกว่านี้อีกแล้ว… ฉันพูดกับตัวเองเมื่อโปรเจ็กต์ร้อนถึง80ºC ใช่ ถ้าคุณต้องการกระแสไฟขาออกที่ค่อนข้างสูง อย่าใช้ตัวควบคุมเชิงเส้นเพราะมันจะกระจายพลังงานเป็นจำนวนมาก

ปัญหาของฉัน…กระแสไฟขาออก โซลูชัน… ใช้ตัวแปลง DC/DC เพื่อแทนที่ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นในแพ็คเกจ DPAK

เพราะสิ่งนี้ฉันเรียกว่าโครงการ Buck DPAK

ขั้นตอนที่ 9: สรุป

ตัวแปลง DC / DC เป็นระบบที่มีประสิทธิภาพมากสำหรับการควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่กระแสสูงมาก อย่างไรก็ตาม ที่กระแสต่ำ โดยทั่วไปจะมีประสิทธิภาพน้อยกว่าแต่ไม่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าตัวควบคุมเชิงเส้น

ปัจจุบันนี้ เป็นเรื่องง่ายมากที่จะสามารถออกแบบตัวแปลง DC / DC ได้ เนื่องจากผู้ผลิตได้อำนวยความสะดวกในการควบคุมและใช้งาน