در جستجوی کارآیی .: 9 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:53

BUCK Converter در اندازه "DPAK"

معمولاً طراحان مبتدی الکترونیکی یا علاقه مندان به تنظیم کننده ولتاژ در صفحه چاپ شده یا تخته نان نیاز داریم. متأسفانه به دلیل سادگی ، از تنظیم کننده ولتاژ خطی استفاده می کنیم اما کاملاً بد نیست زیرا همیشه بستگی به برنامه های کاربردی مهم است.

به عنوان مثال در دستگاههای آنالوگ دقیق (مانند تجهیزات اندازه گیری) بهتر است از تنظیم کننده ولتاژ خطی (برای به حداقل رساندن مشکلات سر و صدا) استفاده شود. اما در دستگاه های الکترونیکی قدرت مانند چراغ LED ، یا پیش تنظیم کننده برای مرحله تنظیم کننده های خطی (برای بهبود کارایی) بهتر است از تنظیم کننده ولتاژ مبدل DC/DC BUCK به عنوان منبع اصلی استفاده شود ، زیرا این دستگاهها بازده بهتری نسبت به تنظیم کننده خطی دارند. در خروجی های جریان بالا یا بار سخت.

یکی دیگر از گزینه هایی که چندان زیبا نیست اما سریع است ، استفاده از مبدل های DC / DC در ماژول های پیش ساخته و اضافه کردن آنها بر روی مدار چاپی ما است ، اما این باعث می شود برد مدار بسیار بزرگتر شود.

راه حلی که من به علاقمندان یا مبتدیان لوازم الکترونیکی پیشنهاد می کنم از یک مبدل ماژول DC/DC BUCK استفاده می کند که ماژولی است که روی سطح نصب می شود ، اما باعث صرفه جویی در فضا می شود.

تدارکات

• مبدل سوئیچینگ 1 باک 3A --- RT6214.
• 1 سلف 4.7uH/2.9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 خازن 0805 22uF/25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 خازن 0402 100nF/50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 خازن 0402 68pF/50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 مقاومت 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 مقاومت 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

مرحله 1: انتخاب بهترین رایدر

انتخاب مبدل DC/DC BUCK

اولین قدم برای طراحی مبدل DC/DC Buck ، یافتن بهترین راه حل برای برنامه ما است. راه حل سریعتر استفاده از تنظیم کننده سوئیچینگ به جای استفاده از کنترل کننده سوئیچینگ است.

تفاوت بین این دو گزینه در زیر نشان داده شده است.

تغییر تنظیم کننده

1. اغلب آنها یکپارچه هستند.
2. بازدهی بهتر است.
3. آنها جریانهای خروجی بسیار بالایی را پشتیبانی نمی کنند.
4. تثبیت آنها آسان تر است (فقط به RC مدار نیاز دارد).
5. کاربر نیاز به دانش زیادی در مورد مبدل DC/DC برای طراحی مدار ندارد.
6. پیش تنظیم شده اند که فقط در یک توپولوژی خاص کار می کند.
7. قیمت نهایی کمتر است.

در زیر نمونه ای را که توسط Switching Regulator کاهش یافته است نشان دهید [اولین تصویر در این مرحله].

کنترل کننده سوئیچینگ

1. بسیاری از اجزای خارجی مانند MOSFET ها و دیودها نیاز دارند.
2. آنها پیچیده تر هستند و کاربر برای ایجاد طراحی مدار به دانش بیشتری در مورد مبدل DC/DC نیاز دارد.
3. آنها می توانند از توپولوژی های بیشتری استفاده کنند.
4. پشتیبانی از جریان خروجی بسیار بالا
5. قیمت نهایی بالاتر است.

در زیر یک مدار کاربردی معمولی یک کنترل کننده سوئیچینگ را نمایش دهید [تصویر دوم در این مرحله]

• با توجه به نکات زیر.

  1. هزینه.
  2. فضا [توان خروجی به این بستگی دارد].
  3. توان خروجی.
  4. بهره وری.
  5. پیچیدگی.

در این مورد ، من از Richtek RT6214 استفاده می کنم [A برای حالت پیوسته برای بارهای سخت بهتر است ، و گزینه B که در حالت ناپیوسته کار می کند که برای بارهای سبک بهتر است و باعث افزایش بازده در جریانهای خروجی پایین می شود] که DC است. /DC Buck Converter یکپارچه [و بنابراین ما به اجزای خارجی مانند Power MOSFET و دیودهای Schottky نیاز نداریم زیرا مبدل دارای سوئیچ های MOSFET و دیگر MOSFET هایی است که مانند دیود کار می کند].

اطلاعات دقیق تر را می توانید در پیوندهای زیر پیدا کنید: Buck_converter_guide ، مقایسه Buck Converter Topologies ، Buck Converter Selection Standard

مرحله 2: القایی بهترین متحد شما در مبدل DC/DC است

درک سلف [تجزیه و تحلیل برگه داده]

با توجه به فضای موجود در مدار ، من از ECS-MPI4040R4-4R7-R با 4.7uH ، جریان اسمی 2.9A و جریان اشباع 3.9A و مقاومت DC 67m اهم استفاده می کنم.

جریان اسمی

جریان اسمی مقدار فعلی است که در آن سلف خواصی مانند القاء را از دست نمی دهد و دمای محیط را افزایش نمی دهد.

جریان اشباع

جریان اشباع در سلف مقدار فعلی است که سلف ویژگی های خود را از دست می دهد و برای ذخیره انرژی در میدان مغناطیسی کار نمی کند.

اندازه در مقابل مقاومت

رفتار عادی آن این است که فضا و مقاومت به یکدیگر وابسته هستند زیرا در صورت نیاز به صرفه جویی در فضا ، ما نیاز به صرفه جویی در فضا داریم و مقدار AWG در سیم آهنربا را کاهش می دهیم و اگر می خواهم مقاومت را از دست بدهم ، باید مقدار AWG را در سیم آهنربا افزایش دهم.

فرکانس خود تشدید

فرکانس خود رزونانس زمانی حاصل می شود که فرکانس سوئیچ القایی را لغو کرده و تنها در حال حاضر خازن انگلی وجود دارد. بسیاری از تولید کنندگان توصیه می کنند که فرکانس سوئیچ را به مدت یک دهه زیر فرکانس خود رزونانس حفظ کنید. مثلا

فرکانس خود رزونانس = 10 مگاهرتز

f-switching = 1 مگاهرتز

دهه = ورود [پایه 10] (فرکانس خود تشدید / f - تعویض)

دهه = ورود [پایه 10] (10 مگاهرتز / 1 مگاهرتز)

دهه = 1

اگر می خواهید سلف ها را بیشتر بشناسید ، لطفاً پیوندهای زیر را بررسی کنید: Self_resonance_inductor ، Saturation_current_vs nominal_current

مرحله 3: القاء قلب است

انتخاب سلف ایده آل

سلف قلب مبدل های DC / DC است ، بنابراین برای دستیابی به عملکرد خوب تنظیم کننده ولتاژ ، رعایت نکات زیر بسیار مهم است.

جریان خروجی ولتاژ رگولاتور ، جریان اسمی ، جریان اشباع و جریان موج دار

در این مورد ، سازنده معادلاتی را برای محاسبه سلف ایده آل با توجه به جریان موج ، خروجی ولتاژ ، ورودی ولتاژ ، فرکانس سوئیچینگ ارائه می دهد. معادله در زیر نشان داده شده است.

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

جریان موج دار = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-switching x L.

IL (پیک) = Iout (حداکثر) + جریان موج دار / 2.

با اعمال معادله جریان موج بر سلف من [مقادیر در مرحله قبل است] نتایج زیر نشان داده می شود.

Vin = 9V

Vout = 5 ولت

f-Switching = 500 کیلوهرتز

L = 4.7uH

خروجی = 1.5A

جریان موج ایده آل = 1.5A * 50٪

جریان موج ایده آل = 0.750A

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

جریان موج = 0.95A*

IL (پیک) = 1.5A + 0.95A / 2

IL (پیک) = 1.975A **

*توصیه می شود از جریان موج نزدیک به 20 تا 50 درصد جریان خروجی استفاده کنید. اما این یک قاعده کلی نیست زیرا بستگی به زمان پاسخگویی تنظیم کننده سوئیچ دارد. وقتی به پاسخ سریع زمان نیاز داریم ، باید از یک استقراء کم استفاده کنیم زیرا زمان شارژ سلف کوتاه است و هنگامی که نیاز به پاسخ زمان آهسته داریم باید از یک سلف بالا استفاده کنیم زیرا زمان شارژ طولانی است و با این کار ، EMI را کاهش می دهیم.

** سازنده توصیه می کند از حداکثر جریان دره که از دستگاه برای حفظ برد امن پشتیبانی می کند ، تجاوز نکند. در این حالت ، حداکثر جریان دره 4.5A است.

این مقادیر را می توان در پیوند زیر مشاهده کرد: Datasheet_RT6214 ، Datasheet_Inductor

مرحله 4: آینده اکنون است

از REDEXPERT برای انتخاب بهترین سلف برای مبدل باک خود استفاده کنید

REDEXPERT یک ابزار عالی است هنگامی که باید بدانید بهترین سلف برای مبدل باک ، مبدل تقویت کننده ، مبدل سپتیک و غیره چیست. این ابزار از توپولوژی های متعددی برای شبیه سازی رفتار سلف شما پشتیبانی می کند ، اما این ابزار فقط از شماره قسمت های Würth Electronik پشتیبانی می کند. در این ابزار ، ما می توانیم در نمودار افزایش دما در برابر جریان و تلفات القایی در برابر جریان در سلف را مشاهده کنیم. فقط به پارامترهای ورودی ساده مانند شکل زیر نیاز دارد.

• ولتاژ ورودی
• ولتاژ خروجی
• خروجی فعلی
• فرکانس سوئیچینگ
• جریان موج دار

پیوند بعدی است: REDEXPERT Simulator

مرحله 5: نیاز ما مهم است

محاسبه مقادیر خروجی

محاسبه ولتاژ خروجی بسیار ساده است ، ما فقط باید یک تقسیم کننده ولتاژ را با معادله زیر تعریف کنیم. فقط ما به R1 نیاز داریم و خروجی ولتاژ را تعریف می کنیم.

Vref = 0.8 [RT6214A/BHGJ6F].

Vref = 0.765 [RT6214A/BHRGJ6/8F]

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

در زیر یک مثال با استفاده از RT6214AHGJ6F نشان داده شده است.

R2 = 10 هزار

Vout = 5

Vref = 0.8

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

R1 = 52.5k

مرحله 6: ابزار عالی برای یک طراح بزرگ لوازم الکترونیکی

از ابزارهای سازنده استفاده کنید

من از ابزارهای شبیه سازی ارائه شده توسط ریختک استفاده کردم. در این محیط ، می توانید رفتار مبدل DC/DC را در تحلیل حالت پایدار ، تحلیل گذرا ، تجزیه و تحلیل راه اندازی مشاهده کنید.

و نتایج را می توان در تصاویر ، اسناد و شبیه سازی ویدئویی مورد بررسی قرار داد.

مرحله 7: دو نفر بهتر از یک نفر هستند

طراحی PCB در Eagle و Fusion 360

طراحی PCB بر روی Eagle 9.5.6 با همکاری Fusion 360 طراحی شده است. من طراحی سه بعدی را با طراحی PCB هماهنگ می کنم تا نمای واقعی طرح را بدست آورم.

در زیر نکات مهم برای ایجاد PCB در Eagle CAD نشان داده شده است.

• ایجاد کتابخانه
• طراحی شماتیک.
• طراحی PCB یا طراحی طرح بندی
• ایجاد نمای 2 بعدی واقعی
• افزودن مدل سه بعدی به دستگاه در طراحی طرح.
• PCB عقاب را با Fusion 360 همگام سازی کنید.

توجه: تمام نکات مهم با تصاویری که در ابتدای این مرحله پیدا می کنید نشان داده شده است.

می توانید این مدار را در مخزن GitLab بارگیری کنید:

مرحله 8: یک مشکل ، یک راه حل

همیشه سعی کنید همه متغیرها را در نظر بگیرید

ساده ترین آنها هرگز بهتر نیستند … من این را زمانی به خودم گفتم که پروژه من تا 80 درجه سانتیگراد گرم می شود. بله ، اگر به جریان خروجی نسبتاً بالایی نیاز دارید ، از تنظیم کننده های خطی استفاده نکنید زیرا توان زیادی را از بین می برند.

مشکل من… جریان خروجی راه حل… از مبدل DC/DC برای جایگزینی تنظیم کننده ولتاژ خطی در بسته DPAK استفاده می کند.

زیرا من این پروژه را پروژه Buck DPAK نامیدم

مرحله 9: نتیجه گیری

مبدلهای DC / DC سیستمهای بسیار کارآمدی برای تنظیم ولتاژ در جریانهای بسیار بالا هستند ، اما در جریانهای کم عموماً کارآیی کمتری دارند اما بازدهی کمتری نسبت به تنظیم کننده خطی ندارند.

امروزه به دلیل این واقعیت که تولیدکنندگان روش کنترل و استفاده از آنها را آسان کرده اند ، بسیار آسان است که بتوان مبدل DC / DC را طراحی کرد.