Mencari Efisiensi.: 9 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:55

BUCK Converter pada Ukuran "DPAK"

Biasanya para desainer pemula elektronika atau yang hobby kita membutuhkan pengatur tegangan pada circuit board tercetak atau breadboard. Sayangnya dengan kesederhanaan, kami menggunakan regulator tegangan linier tetapi tidak ada yang benar-benar buruk karena tergantung pada aplikasi itu penting.

Misalnya dalam perangkat analog presisi (seperti peralatan pengukuran) lebih baik menggunakan regulator tegangan linier (untuk meminimalkan masalah kebisingan). Tetapi pada perangkat elektronika daya seperti lampu LED, atau pre-regulator untuk tahap regulator linier (untuk meningkatkan efisiensi) lebih baik menggunakan regulator tegangan konverter DC/DC BUCK sebagai suplai utama karena perangkat ini efisiensinya lebih baik daripada regulator linier. dalam output arus tinggi atau beban keras.

Pilihan lain yang tidak begitu elegan tetapi cepat, adalah menggunakan konverter DC / DC dalam modul prefabrikasi dan hanya menambahkannya di atas sirkuit cetak kami tetapi ini membuat papan sirkuit jauh lebih besar.

Solusi yang saya usulkan untuk para penghobi atau pemula elektronika menggunakan modul DC/DC BUCK converter yaitu modul yang bersifat surface mount tetapi menghemat tempat.

Perlengkapan

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

Langkah 1: Memilih Penunggang Terbaik

Memilih Konverter DC/DC BUCK

Langkah pertama untuk merancang konverter DC/DC Buck adalah menemukan solusi terbaik untuk aplikasi kita. Solusi yang lebih cepat adalah dengan menggunakan regulator switching daripada menggunakan kontroler switching.

Perbedaan antara kedua opsi ini ditunjukkan di bawah ini.

Pengatur saklar

1. Banyak kali mereka monolitik.
2. Efisiensinya lebih baik.
3. Mereka tidak mendukung arus keluaran yang sangat tinggi.
4. Mereka lebih mudah distabilkan (Hanya membutuhkan sirkuit RC).
5. Pengguna tidak membutuhkan banyak pengetahuan tentang konverter DC/DC untuk membuat desain rangkaian.
6. Dikonfigurasi sebelumnya untuk bekerja hanya dalam topologi tertentu.
7. Harga akhir lebih rendah.

Tunjukkan di bawah contoh yang dikurangi oleh Regulator Switching [Gambar pertama pada langkah ini].

Beralih pengontrol

1. Memerlukan banyak komponen eksternal seperti MOSFET dan Dioda.
2. Mereka lebih kompleks dan pengguna membutuhkan lebih banyak pengetahuan tentang konverter DC/DC untuk membuat desain sirkuit.
3. Mereka dapat menggunakan lebih banyak topologi.
4. Mendukung arus keluaran yang sangat tinggi.
5. Harga akhir lebih tinggi.

Tunjukkan di bawah rangkaian aplikasi khas dari Kontroler Switching [Gambar kedua pada langkah ini]

• Dengan memperhatikan poin-poin berikut.

  1. Biaya.
  2. Spasi [Keluaran daya tergantung pada ini].
  3. keluaran daya.
  4. Efisiensi.
  5. Kompleksitas.

Dalam hal ini, saya menggunakan Richtek RT6214 [A untuk mode kontinu lebih baik untuk beban keras, dan opsi B bekerja dalam mode terputus-putus yang lebih baik untuk beban ringan dan meningkatkan efisiensi pada arus keluaran rendah] yaitu DC /DC Buck Converter monolitik [dan dengan demikian kita tidak memerlukan komponen eksternal seperti Power MOSFET dan dioda Schottky karena konverter memiliki sakelar MOSFET terintegrasi dan MOSFET lain yang berfungsi seperti Dioda].

Informasi lebih detail dapat ditemukan di tautan berikut: Buck_converter_guide, Membandingkan Topologi Buck Converter, Kriteria Pemilihan Buck Converter

Langkah 2: Induktor Adalah Sekutu Terbaik Anda dalam Konverter DC/DC

Memahami induktor [Analisis datasheet]

Mempertimbangkan ruang di sirkuit saya, saya menggunakan ECS-MPI4040R4-4R7-R dengan 4.7uH, arus nominal 2.9A, dan arus saturasi 3.9A dan resistansi DC 67m ohm.

Arus nominal

Arus nominal adalah nilai arus di mana induktor tidak kehilangan sifat-sifat seperti induktansi dan tidak meningkatkan suhu lingkungan secara signifikan.

Arus saturasi

Arus saturasi pada induktor adalah nilai arus dimana induktor kehilangan sifat-sifatnya dan tidak berfungsi untuk menyimpan energi dalam medan magnet.

Ukuran vs Resistansi

Perilaku normalnya bahwa ruang dan resistansi bergantung satu sama lain karena jika perlu menghemat ruang, kita perlu menghemat ruang dengan mengurangi nilai AWG di kabel magnet dan jika saya ingin kehilangan resistansi, saya harus menaikkan nilai AWG di kabel magnet.

Frekuensi resonansi diri

Frekuensi self-resonansi dicapai ketika frekuensi switching membatalkan induktansi dan hanya sekarang ada kapasitansi parasit. Banyak produsen merekomendasikan untuk mempertahankan frekuensi switching induktor setidaknya selama satu dekade di bawah frekuensi self-resonance. Sebagai contoh

Frekuensi resonansi diri = 10MHz.

f-switching = 1MHz.

Dekade = log[basis 10](Self - Frekuensi resonansi / f - switching)

Dekade = log[basis 10](10MHz / 1MHz)

Dekade = 1

Jika Anda ingin tahu lebih banyak tentang induktor, silakan periksa tautan berikut: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Langkah 3: Induktor Adalah Jantung

Seleksi Induktor Ideal

Induktor adalah jantung dari konverter DC / DC, oleh karena itu sangat penting untuk mengingat poin-poin berikut untuk mencapai kinerja pengatur tegangan yang baik.

Arus keluaran berupa tegangan regulator, arus nominal, arus saturasi, dan arus riak

Dalam hal ini, pabrikan memberikan persamaan untuk menghitung induktor ideal sesuai dengan arus riak, tegangan output, tegangan input, frekuensi switching. Persamaan ditunjukkan di bawah ini.

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

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

IL(puncak) = Iout(Maks) + arus riak / 2.

Menerapkan persamaan arus riak pada induktor saya [Nilainya ada di Langkah sebelumnya] hasilnya ditunjukkan di bawah ini.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-Switching = 500kHz.

L = 4.7uH.

Keluar = 1,5A.

Arus riak ideal = 1,5A * 50%

Arus riak ideal = 0,750A

Arus riak = 5V (9V - 5V) / 9V x 500kHz x 4,7uH

Arus riak = 0,95A*

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

IL(puncak) = 1,975A**

*Disarankan menggunakan arus riak mendekati 20% - 50% dari arus keluaran. Tapi ini bukan aturan umum karena tergantung pada waktu respon dari regulator switching. Ketika kita membutuhkan respon waktu yang cepat kita harus menggunakan induktansi yang rendah karena waktu pengisian pada induktor pendek dan ketika kita membutuhkan respon waktu yang lambat kita harus menggunakan induktansi yang tinggi karena waktu pengisian yang lama dan dengan ini, kita mengurangi EMI.

** Pabrikan yang direkomendasikan tidak melebihi arus lembah maksimum yang mendukung perangkat untuk mempertahankan jangkauan yang aman. Dalam hal ini, arus lembah maksimum adalah 4,5A.

Nilai-nilai ini dapat dikonsultasikan di tautan berikut: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

Langkah 4: Masa Depan Adalah Sekarang

Gunakan REDEXPERT untuk memilih induktor terbaik untuk konverter uang Anda

REDEXPERT adalah alat yang hebat ketika Anda perlu mengetahui apa induktor terbaik untuk konverter uang Anda, konverter boost, konverter sepic, dll. Alat ini mendukung beberapa topologi untuk mensimulasikan perilaku induktor Anda, tetapi alat ini hanya mendukung nomor bagian dari Würth Electronik. Dalam alat ini, kita dapat melihat dalam grafik kenaikan suhu vs arus dan kerugian induktansi vs arus di induktor. Ini hanya membutuhkan parameter input sederhana seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

• Tegangan masukan
• tegangan keluaran
• keluaran saat ini
• beralih frekuensi
• arus riak

Tautannya adalah yang berikutnya: REDEXPERT Simulator

Langkah 5: Kebutuhan Kita Penting

Menghitung nilai keluaran

Sangat sederhana untuk menghitung tegangan output, kita hanya perlu mendefinisikan pembagi tegangan yang ditentukan oleh persamaan berikut. Hanya kita membutuhkan R1 dan menentukan output tegangan.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

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

R1= R2 (Vout - Vref) / Vref

Ditampilkan di bawah contoh menggunakan RT6214AHGJ6F.

R2 = 10rb.

Vo = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5k

Langkah 6: Alat Hebat untuk Perancang Elektronik Hebat

Gunakan alat dari pabrikan

Saya menggunakan alat simulasi yang disediakan oleh Richtek. Dalam lingkungan ini, Anda dapat melihat perilaku konverter DC/DC dalam analisis kondisi tunak, analisis transien, analisis startup.

Dan hasilnya bisa dikonsultasikan dalam gambar, dokumen, dan video simulasi.

Langkah 7: Dua Lebih Baik Dari Satu

Desain PCB di Eagle dan Fusion 360

Desain PCB dibuat di Eagle 9.5.6 bekerja sama dengan Fusion 360 Saya menyinkronkan desain 3D dengan desain PCB untuk mendapatkan tampilan nyata desain sirkuit.

Ditampilkan di bawah ini poin-poin penting untuk membuat PCB di Eagle CAD.

• Perpustakaan membuat.
• Desain skema.
• Desain PCB atau desain Tata Letak
• Hasilkan tampilan 2D Nyata.
• Tambahkan model 3D ke perangkat dalam desain tata letak.
• Sinkronkan Eagle PCB ke Fusion 360.

Catatan: Semua poin penting diilustrasikan oleh gambar yang Anda temukan di awal langkah ini.

Anda dapat mengunduh sirkuit ini di repositori GitLab:

Langkah 8: Satu Masalah, Satu Solusi

Pernah mencoba untuk mempertimbangkan semua variabel

Yang paling sederhana tidak pernah lebih baik… Saya mengatakan itu pada diri saya sendiri ketika proyek saya memanas hingga 80ºC. Ya, jika Anda membutuhkan arus keluaran yang relatif tinggi, jangan gunakan regulator linier karena mereka membuang banyak daya.

Masalah saya … arus keluaran. Solusinya… menggunakan konverter DC/DC untuk menggantikan regulator tegangan linier dalam paket DPAK.

Karena ini saya sebut proyek Buck DPAK

Langkah 9: Kesimpulan

Konverter DC/DC adalah sistem yang sangat efisien untuk mengatur tegangan pada arus yang sangat tinggi, namun pada arus rendah umumnya kurang efisien tetapi tidak kalah efisiennya dengan regulator linier.

Saat ini sangat mudah untuk dapat merancang konverter DC / DC berkat fakta bahwa pabrikan telah memfasilitasi cara mengontrol dan menggunakannya.