Em busca da eficiência: 9 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Conversor BUCK no tamanho "DPAK"

Normalmente, os iniciantes projetistas eletrônicos ou amadores precisam de um regulador de tensão em uma placa de circuito impresso ou uma placa de ensaio. Infelizmente, pela simplicidade, usamos um regulador de tensão linear, mas não é totalmente ruim porque depender das aplicações é importante.

Por exemplo, em dispositivos analógicos de precisão (como equipamentos de medição), cada vez melhor usa um regulador de tensão linear (para minimizar problemas de ruído). Mas em dispositivos eletrônicos de potência, como um LED de lâmpada ou um pré-regulador para o estágio de reguladores lineares (para melhorar a eficiência), é melhor usar um regulador de tensão do conversor DC / DC BUCK como fonte principal, porque esses dispositivos têm melhor eficiência que um regulador linear em saídas de alta corrente ou carga forte.

Outra opção que não é tão elegante, mas é rápida, é usar conversores DC / DC em módulos pré-fabricados e apenas adicioná-los em cima do nosso circuito impresso, mas isso torna a placa de circuito muito maior.

A solução que proponho ao amador ou iniciante em eletrónica utiliza um módulo conversor DC / DC BUCK que é um módulo que é montado em superfície mas que poupa espaço.

Suprimentos

• 1 Conversor de comutação Buck 3A --- RT6214.
• 1 indutor 4.7uH / 2.9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 Capacitor 0805 22uF / 25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 Capacitor 0402 100nF / 50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 Capacitor 0402 68pF / 50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 Resistor 0402 7,32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Resistor 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

Etapa 1: Seleção do melhor piloto

Selecionando o conversor DC / DC BUCK

O primeiro passo para projetar um conversor DC / DC Buck é encontrar a melhor solução para nossa aplicação. A solução mais rápida é usar um regulador de comutação em vez de usar um controlador de comutação.

A diferença entre essas duas opções é mostrada abaixo.

Regulador de comutação

1. Muitas vezes eles são monolíticos.
2. A eficiência é melhor.
3. Eles não suportam correntes de saída muito altas.
4. Eles são mais fáceis de estabilizar (requer apenas um circuito RC).
5. O usuário não precisou de muito conhecimento sobre o conversor DC / DC para fazer o projeto do circuito.
6. São pré-configurados para funcionar apenas em uma topologia específica.
7. O preço final é mais baixo.

Mostre abaixo um exemplo reduzido por um Regulador de Chaveamento [A primeira imagem nesta etapa].

Controlador de comutação

1. Requer muitos componentes externos, como MOSFETs e Diodos.
2. Eles são mais complexos e o usuário precisa de mais conhecimento sobre o conversor DC / DC para fazer o projeto do circuito.
3. Eles podem usar mais topologias.
4. Suporta uma corrente de saída muito alta.
5. O preço final é mais alto.

Mostre abaixo um circuito de aplicação típico de um controlador de comutação [A segunda imagem nesta etapa]

• Considerando os seguintes pontos.

  1. Custo.
  2. Espaço [A potência de saída depende disso].
  3. Potência da saída.
  4. Eficiência.
  5. Complexidade.

Neste caso, eu uso um Richtek RT6214 [A para modo contínuo é melhor para carga pesada, e a opção B que funciona no modo descontínuo que é melhor para carga leve e melhora a eficiência em correntes de saída baixas] que é um DC / DC Buck Converter monolítico [e, portanto, não precisamos de nenhum componente externo, como Power MOSFETs e diodos Schottky porque o conversor tem interruptores MOSFET integrados e outros MOSFET que funcionam como Diodo].

Informações mais detalhadas podem ser encontradas nos seguintes links: Buck_converter_guide, Comparando Topologias do Conversor Buck, Critérios de Seleção do Conversor Buck

Etapa 2: O indutor é seu melhor aliado no conversor DC / DC

Noções básicas sobre o indutor [Análise da ficha de dados]

Considerando o espaço em meu circuito, eu uso um ECS-MPI4040R4-4R7-R com 4,7uH, corrente nominal de 2,9A e uma corrente de saturação de 3,9A e resistência DC de 67m ohms.

Corrente nominal

A corrente nominal é o valor da corrente onde o indutor não perde as propriedades como indutância e não incrementa significativamente a temperatura ambiente.

Corrente de saturação

A corrente de saturação no indutor é o valor da corrente em que o indutor perde suas propriedades e não funciona para armazenar energia em um campo magnético.

Tamanho vs resistência

Seu comportamento normal é que o espaço e a resistência dependem um do outro, pois se necessário economizar espaço, precisamos economizar espaço reduzindo o valor AWG no fio magnético e se eu quiser perder a resistência, devo incrementar o valor AWG no fio magnético.

Freqüência de auto-ressonância

A frequência de auto-ressonância é alcançada quando a frequência de chaveamento cancelou a indutância e só agora existe a capacitância parasita. Muitos fabricantes recomendaram manter a frequência de chaveamento de um indutor por pelo menos uma década abaixo da frequência de auto-ressonância. Por exemplo

Freqüência de auto-ressonância = 10MHz.

comutação f = 1MHz.

Década = log [base 10] (frequência de auto-ressonância / f - comutação)

Década = log [base 10] (10MHz / 1MHz)

Década = 1

Se você quiser saber mais sobre indutores, verifique os links a seguir: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Etapa 3: o indutor é o coração

Seleção do indutor ideal

O indutor é o coração dos conversores DC / DC, portanto, é extremamente importante manter os seguintes pontos em mente para obter um bom desempenho do regulador de tensão.

A corrente de saída da tensão do regulador, corrente nominal, corrente de saturação e corrente de ondulação

Nesse caso, o fabricante fornece equações para calcular o indutor ideal de acordo com a ondulação da corrente, tensão de saída, tensão de entrada, frequência de chaveamento. A equação é mostrada abaixo.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-comutação x corrente de ondulação.

Corrente de ondulação = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-comutação x L.

IL (pico) = Iout (Max) + corrente de ondulação / 2.

Aplicando a equação da corrente de ondulação no meu indutor [Os valores estão na Etapa anterior] os resultados serão mostrados abaixo.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

Comutação f = 500kHz.

L = 4,7uH.

Iout = 1,5A.

Corrente ondulada ideal = 1,5A * 50%

Corrente ondulada ideal = 0,750A

Corrente de ondulação = 5V (9V - 5V) / 9V x 500kHz x 4,7uH

Corrente de ondulação = 0,95A *

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

IL (pico) = 1,975A **

* Recomenda-se usar a corrente de ondulação próxima a 20% - 50% da corrente de saída. Mas esta não é uma regra geral porque depende do tempo de resposta do regulador de comutação. Quando precisamos de uma resposta de tempo rápido devemos usar uma indutância baixa porque o tempo de carga no indutor é curto e quando precisamos de uma resposta de tempo lento devemos usar uma indutância alta porque o tempo de carga é longo e com isso, reduzimos o EMI.

** O fabricante recomendado não excede a corrente de vale máxima que suporta o dispositivo para manter um alcance seguro. Neste caso, a corrente de vale máxima é 4.5A.

Esses valores podem ser consultados no seguinte link: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

Etapa 4: O futuro é agora

Use REDEXPERT para selecionar o melhor indutor para o seu conversor de Buck

REDEXPERT é uma ótima ferramenta quando você precisa saber qual é o melhor indutor para seu conversor de buck, conversor boost, conversor sepic, etc. Esta ferramenta oferece suporte a várias topologias para simular o comportamento do indutor, mas esta ferramenta só oferece suporte a números de peça da Würth Electronik. Nesta ferramenta, podemos visualizar em gráficos o incremento de temperatura vs corrente e as perdas de indutância vs corrente no indutor. Ele só precisa de parâmetros de entrada simples, como mostrado abaixo.

• Tensão de entrada
• voltagem de saída
• saída atual
• Freqüência de comutação
• ondulação atual

O link é o próximo: Simulador REDEXPERT

Etapa 5: Nossa necessidade é importante

Calculando os valores de saída

É muito simples calcular a tensão de saída, basta definir um divisor de tensão definido pela seguinte equação. Precisamos apenas de um R1 e definir uma saída de tensão.

Vref = 0,8 [RT6214A / BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

Mostrado abaixo um exemplo usando um RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52,5k

Etapa 6: Ótima ferramenta para um grande projetista de eletrônicos

Use as ferramentas do fabricante

Usei as ferramentas de simulação fornecidas pela Richtek. Neste ambiente, você pode visualizar o comportamento do conversor DC / DC na análise de estado estacionário, análise transiente, análise de inicialização.

E os resultados podem ser consultados nas imagens, documentos e simulação de vídeo.

Etapa 7: Dois são melhores do que um

Design de PCB no Eagle e Fusion 360

O design do PCB é feito no Eagle 9.5.6 em colaboração com Fusion 360 Eu sincronizo o design 3D com o design do PCB para obter uma visão real do design do circuito.

Abaixo, são mostrados os pontos importantes para criar um PCB no Eagle CAD.

• Criação de biblioteca.
• Projeto esquemático.
• Projeto de PCB ou projeto de layout
• Gere uma vista 2D real.
• Adicione o modelo 3D ao dispositivo no design de layout.
• Sincronize o Eagle PCB com o Fusion 360.

Nota: Todos os pontos importantes são ilustrados por imagens que você encontra no início desta etapa.

Você pode baixar este circuito no repositório GitLab:

Etapa 8: Um problema, uma solução

Sempre tente considerar todas as variáveis

O mais simples nunca é melhor … Eu disse isso para mim mesmo quando meu projeto esquentava até 80ºC. Sim, se você precisa de uma corrente de saída relativamente alta, não use reguladores lineares porque eles dissipam muita energia.

Meu problema … a corrente de saída. A solução… usa um conversor DC / DC para substituir um regulador de tensão linear em um pacote DPAK.

Por causa disso, chamei o projeto Buck DPAK

Etapa 9: Conclusão

Os conversores DC / DC são sistemas muito eficientes para regular a tensão em correntes muito altas; no entanto, em correntes baixas, eles são geralmente menos eficientes, mas não menos eficientes do que um regulador linear.

Hoje em dia é muito fácil projetar um conversor DC / DC, graças ao fato de que os fabricantes facilitaram a maneira como são controlados e utilizados.