Trong Tìm kiếm Hiệu quả: 9 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:31

Bộ chuyển đổi BUCK trên Kích thước "DPAK"

Thông thường, những người mới bắt đầu thiết kế điện tử hoặc một người có sở thích chúng ta cần một bộ điều chỉnh điện áp trong bảng mạch in hoặc bảng mạch. Thật không may bởi đơn giản, chúng tôi sử dụng một bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính nhưng không hoàn toàn xấu vì phụ thuộc vào các ứng dụng là quan trọng.

Ví dụ, trong các thiết bị tương tự chính xác (như thiết bị đo lường) tốt hơn bao giờ hết sử dụng bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính (để giảm thiểu các vấn đề về nhiễu). Nhưng trong các thiết bị điện tử công suất như đèn LED, hoặc bộ điều chỉnh trước cho giai đoạn điều chỉnh tuyến tính (để nâng cao hiệu quả) tốt hơn nên sử dụng bộ điều chỉnh điện áp bộ chuyển đổi DC / DC BUCK làm nguồn cung cấp chính vì các thiết bị này có hiệu suất tốt hơn so với bộ điều chỉnh tuyến tính ở đầu ra hiện tại cao hoặc tải khó.

Một lựa chọn khác không quá thanh lịch nhưng nhanh chóng, là sử dụng bộ chuyển đổi DC / DC trong các mô-đun đúc sẵn và chỉ cần thêm chúng lên trên mạch in của chúng tôi nhưng điều này làm cho bảng mạch lớn hơn nhiều.

Giải pháp mà tôi đề xuất cho người yêu thích hoặc người mới bắt đầu sử dụng thiết bị điện tử là sử dụng bộ chuyển đổi DC / DC BUCK mô-đun là một mô-đun gắn trên bề mặt nhưng tiết kiệm không gian.

Quân nhu

• 1 bộ chuyển đổi mạch Buck 3A --- RT6214.
• 1 Cuộn cảm 4.7uH / 2.9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 Tụ điện 0805 22uF / 25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 Tụ điện 0402 100nF / 50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 Tụ điện 0402 68pF / 50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 Điện trở 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Điện trở 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

Bước 1: Chọn Ridder tốt nhất

Chọn Bộ chuyển đổi DC / DC BUCK

Bước đầu tiên để thiết kế bộ chuyển đổi DC / DC Buck là tìm giải pháp tốt nhất cho ứng dụng của chúng tôi. Giải pháp nhanh hơn là sử dụng bộ điều chỉnh chuyển mạch thay vì sử dụng bộ điều khiển chuyển mạch.

Sự khác biệt giữa hai tùy chọn này được hiển thị bên dưới.

Bộ điều chỉnh chuyển mạch

1. Nhiều khi chúng là nguyên khối.
2. Hiệu quả tốt hơn.
3. Chúng không hỗ trợ dòng đầu ra quá cao.
4. Chúng dễ ổn định hơn (Chỉ yêu cầu một mạch RC).
5. Người dùng không cần nhiều kiến thức về bộ chuyển đổi DC / DC để thiết kế mạch.
6. Được cấu hình sẵn để chỉ hoạt động trong một cấu trúc liên kết cụ thể.
7. Giá cuối cùng thấp hơn.

Hiển thị bên dưới một ví dụ được giảm bớt bởi Bộ điều chỉnh chuyển đổi [Hình ảnh đầu tiên ở bước này].

Bộ điều khiển chuyển mạch

1. Yêu cầu nhiều thành phần bên ngoài như MOSFETs và Diode.
2. Chúng phức tạp hơn và người dùng cần thêm kiến thức về bộ chuyển đổi DC / DC để thiết kế mạch.
3. Họ có thể sử dụng nhiều cấu trúc liên kết hơn.
4. Hỗ trợ dòng điện đầu ra rất cao.
5. Giá cuối cùng cao hơn.

Hiển thị bên dưới một mạch ứng dụng điển hình của Bộ điều khiển chuyển mạch [Hình ảnh thứ hai ở bước này]

• Xét các điểm sau.

  1. Trị giá.
  2. Không gian [Sản lượng điện phụ thuộc vào điều này].
  3. Sản lượng điện.
  4. Hiệu quả.
  5. Tính phức tạp.

Trong trường hợp này, tôi sử dụng Richtek RT6214 [A cho chế độ liên tục tốt hơn cho tải cứng và tùy chọn B mà nó hoạt động ở chế độ không liên tục tốt hơn cho tải nhẹ và cải thiện hiệu quả ở dòng đầu ra thấp] đó là DC / DC Buck Converter nguyên khối [và do đó chúng tôi không cần bất kỳ thành phần bên ngoài nào như Power MOSFETs và điốt Schottky vì bộ chuyển đổi đã tích hợp công tắc MOSFET và MOSFET khác hoạt động như Diode].

Thông tin chi tiết hơn có thể được tìm thấy tại các liên kết sau: Buck_converter_guide, So sánh các cấu trúc liên kết của Buck Converter, Tiêu chí lựa chọn Buck Converter

Bước 2: Cuộn cảm là đồng minh tốt nhất của bạn trong Bộ chuyển đổi DC / DC

Hiểu về cuộn cảm [Phân tích biểu dữ liệu]

Xem xét không gian trên mạch của tôi, tôi sử dụng ECS-MPI4040R4-4R7-R có dòng điện 4,7uH, danh định là 2,9A và dòng điện bão hòa là 3,9A và điện trở DC 67m ohms.

Dòng điện danh định

Dòng điện danh định là giá trị hiện tại mà cuộn cảm không bị mất các đặc tính như điện cảm và không làm tăng đáng kể nhiệt độ môi trường xung quanh.

Dòng điện bão hòa

Dòng điện bão hòa trong cuộn cảm là giá trị hiện tại mà cuộn cảm mất đặc tính và không hoạt động để lưu trữ năng lượng trong từ trường.

Kích thước vs sức đề kháng

Hành vi bình thường của nó là không gian và điện trở phụ thuộc vào nhau bởi vì nếu cần tiết kiệm không gian, chúng ta cần tiết kiệm không gian làm giảm giá trị AWG trong dây điện từ và nếu tôi muốn mất điện trở, tôi nên tăng giá trị AWG trong dây điện từ.

Tần số tự cộng hưởng

Tần số tự cộng hưởng đạt được khi tần số chuyển mạch hủy bỏ điện cảm và bây giờ chỉ tồn tại điện dung ký sinh. Nhiều nhà sản xuất khuyến nghị duy trì tần số chuyển mạch một cuộn cảm trong ít nhất một thập kỷ dưới tần số tự cộng hưởng. Ví dụ

Tần số tự cộng hưởng = 10MHz.

f-chuyển mạch = 1MHz.

Thập kỷ = log [cơ số 10] (Tự - Tần số cộng hưởng / f - chuyển mạch)

Thập kỷ = log [cơ số 10] (10MHz / 1MHz)

Thập kỷ = 1

Nếu bạn muốn biết thêm về cuộn cảm, vui lòng kiểm tra các liên kết sau: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Bước 3: Cuộn cảm là trái tim

Lựa chọn cuộn cảm lý tưởng

Cuộn cảm là trái tim của bộ chuyển đổi DC / DC, do đó, điều cực kỳ quan trọng là phải ghi nhớ những điểm sau để đạt được hiệu suất tốt của bộ điều chỉnh điện áp.

Dòng điện đầu ra của điện áp bộ điều chỉnh, dòng điện danh định, dòng điện bão hòa và dòng điện gợn sóng

Trong trường hợp này, nhà sản xuất cung cấp các phương trình để tính toán cuộn cảm lý tưởng theo dòng gợn sóng, đầu ra điện áp, đầu vào điện áp, tần số chuyển mạch. Phương trình được hiển thị bên dưới.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-chuyển mạch x dòng gợn sóng.

Dòng điện gợn sóng = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-chuyển mạch x L.

IL (đỉnh) = Iout (Max) + dòng gợn / 2.

Áp dụng phương trình dòng điện gợn sóng trên cuộn cảm của tôi [Các giá trị ở Bước trước], kết quả được hiển thị bên dưới.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-Chuyển mạch = 500kHz.

L = 4,7uH.

Iout = 1,5A.

Dòng gợn sóng lý tưởng = 1,5A * 50%

Dòng gợn lý tưởng = 0,750A

Dòng gợn sóng = 5V (9V - 5V) / 9V x 500kHz x 4.7uH

Dòng điện gợn sóng = 0,95A *

IL (đỉnh) = 1,5A + 0,95A / 2

IL (đỉnh) = 1.975A **

* Nên sử dụng dòng điện gợn sóng gần 20% - 50% dòng điện đầu ra. Nhưng đây không phải là quy tắc chung vì nó phụ thuộc vào thời gian phản hồi của bộ điều chỉnh chuyển mạch. Khi chúng ta cần đáp ứng thời gian nhanh, chúng ta nên sử dụng điện cảm thấp vì thời gian sạc trên cuộn cảm ngắn và khi chúng ta cần đáp ứng thời gian chậm, chúng ta nên sử dụng điện cảm cao vì thời gian sạc dài và với điều này, chúng ta giảm EMI.

** Nhà sản xuất khuyến nghị không vượt quá dòng điện thung lũng tối đa hỗ trợ thiết bị duy trì phạm vi an toàn. Trong trường hợp này, dòng điện tối đa của thung lũng là 4,5A.

Các giá trị này có thể được tham khảo trong liên kết sau: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

Bước 4: Tương lai là bây giờ

Sử dụng REDEXPERT để chọn cuộn cảm tốt nhất cho bộ chuyển đổi buck của bạn

REDEXPERT là một công cụ tuyệt vời khi bạn cần biết đâu là cuộn cảm tốt nhất cho bộ chuyển đổi buck, bộ chuyển đổi tăng cường, bộ chuyển đổi riêng biệt, v.v. Công cụ này hỗ trợ nhiều cấu trúc liên kết để mô phỏng hành vi cuộn cảm của bạn, nhưng công cụ này chỉ hỗ trợ một phần số từ Würth Electronik. Trong công cụ này, chúng ta có thể xem trong đồ thị sự gia tăng nhiệt độ so với dòng điện và tổn thất của điện cảm so với dòng điện trong cuộn cảm. Nó chỉ cần các thông số đầu vào đơn giản như hình dưới đây.

• Điện áp đầu vào
• điện áp đầu ra
• sản lượng hiện tại
• chuyển đổi thường xuyên
• gợn sóng hiện tại

Liên kết là tiếp theo: REDEXPERT Simulator

Bước 5: Nhu cầu của chúng ta là quan trọng

Tính toán các giá trị đầu ra

Rất đơn giản để tính toán điện áp đầu ra, chúng ta chỉ cần xác định một bộ chia điện áp được xác định bởi phương trình sau. Chỉ chúng ta cần một R1 và xác định một đầu ra điện áp.

Vref = 0,8 [RT6214A / BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Dưới đây là một ví dụ sử dụng RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5k

Bước 6: Công cụ tuyệt vời cho một nhà thiết kế điện tử tuyệt vời

Sử dụng các công cụ của nhà sản xuất

Tôi đã sử dụng các công cụ mô phỏng do Richtek cung cấp. Trong môi trường này, bạn có thể xem hoạt động của bộ chuyển đổi DC / DC trong phân tích trạng thái ổn định, phân tích thoáng qua, phân tích khởi động.

Và kết quả có thể được tham khảo trong hình ảnh, tài liệu và video mô phỏng.

Bước 7: Hai cái tốt hơn một cái

Thiết kế PCB trong Eagle và Fusion 360

Thiết kế PCB được thực hiện trên Eagle 9.5.6 với sự hợp tác của Fusion 360 Tôi đồng bộ hóa thiết kế 3D với thiết kế PCB để có được cái nhìn thực tế về thiết kế mạch.

Dưới đây là các điểm quan trọng để tạo PCB trong Eagle CAD.

• Thư viện tạo.
• Thiết kế sơ đồ.
• Thiết kế PCB hoặc thiết kế Bố cục
• Tạo chế độ xem 2D thực.
• Thêm mô hình 3D vào thiết bị trong thiết kế bố cục.
• Đồng bộ hóa Eagle PCB với Fusion 360.

Lưu ý: Tất cả các điểm quan trọng được minh họa bằng hình ảnh mà bạn tìm thấy ở đầu bước này.

Bạn có thể tải mạch này trên kho GitLab:

Bước 8: Một vấn đề, một giải pháp

Luôn luôn cố gắng xem xét tất cả các biến

Đơn giản nhất không bao giờ tốt hơn… Tôi đã tự nói điều đó với chính mình khi dự án của tôi làm nóng lên đến 80ºC. Có, nếu bạn cần dòng điện đầu ra tương đối cao, không sử dụng bộ điều chỉnh tuyến tính vì chúng tiêu hao rất nhiều công suất.

Vấn đề của tôi … đầu ra hiện tại. Giải pháp… sử dụng bộ chuyển đổi DC / DC để thay thế bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính trong gói DPAK.

Vì đây là dự án Buck DPAK

Bước 9: Kết luận

Bộ chuyển đổi DC / DC là hệ thống rất hiệu quả để điều chỉnh điện áp ở dòng rất cao, tuy nhiên ở dòng thấp, chúng thường kém hiệu quả hơn nhưng không kém hiệu quả hơn bộ điều chỉnh tuyến tính.

Ngày nay, rất dễ dàng để có thể thiết kế một bộ chuyển đổi DC / DC nhờ vào thực tế là các nhà sản xuất đã tạo điều kiện thuận lợi cho cách thức điều khiển và sử dụng chúng.