En la búsqueda de la eficiencia: 9 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Convertidor BUCK en tamaño "DPAK"

Por lo general, el diseñador principiante en electrónica o un aficionado necesita un regulador de voltaje en una placa de circuito impreso o una placa de pruebas. Desafortunadamente, por simplicidad, usamos un regulador de voltaje lineal, pero no es del todo malo porque siempre es importante depender de las aplicaciones.

Por ejemplo, en dispositivos analógicos de precisión (como equipos de medición) se utiliza cada vez mejor un regulador de voltaje lineal (para minimizar los problemas de ruido). Pero en dispositivos de electrónica de potencia como una lámpara LED, o un prerregulador de etapa de reguladores lineales (para mejorar la eficiencia) es mejor usar un regulador de voltaje convertidor DC / DC BUCK como suministro principal porque estos dispositivos son de mejor eficiencia que un regulador lineal en salidas de alta corriente o carga fuerte.

Otra opción que no es tan elegante pero sí rápida, es usar convertidores DC / DC en módulos prefabricados y simplemente agregarlos encima de nuestro circuito impreso pero esto hace que la placa de circuito sea mucho más grande.

La solución que propongo al aficionado o al principiante en electrónica utiliza un módulo convertidor DC / DC BUCK que un módulo que se monta en superficie pero ahorra espacio.

Suministros

• 1 convertidor de conmutación Buck 3A --- RT6214.
• 1 inductor 4.7uH / 2.9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 Condensador 0805 22uF / 25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 Condensador 0402 100nF / 50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 Condensador 0402 68pF / 50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 Resistencia 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Resistencia 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

Paso 1: Seleccionar el mejor ridder

Selección del convertidor CC / CC BUCK

El primer paso para diseñar un convertidor DC / DC Buck es encontrar la mejor solución para nuestra aplicación. La solución más rápida es utilizar un regulador de conmutación en lugar de utilizar un controlador de conmutación.

La diferencia entre estas dos opciones se muestra a continuación.

Regulador de conmutación

1. Muchas veces son monolíticos.
2. La eficiencia es mejor.
3. No soportan corrientes de salida muy altas.
4. Son más fáciles de estabilizar (Solo requiere un circuito RC).
5. El usuario no ha necesitado muchos conocimientos sobre el convertidor CC / CC para realizar el diseño del circuito.
6. Están preconfigurados para funcionar solo en una topología específica.
7. El precio final es menor.

Muestre a continuación un ejemplo reducido por un regulador de conmutación [La primera imagen de este paso].

Controlador de conmutación

1. Requiere muchos componentes externos como MOSFET y diodos.
2. Son más complejos y el usuario necesita más conocimientos sobre el convertidor CC / CC para realizar el diseño del circuito.
3. Pueden usar más topologías.
4. Admite una corriente de salida muy alta.
5. El precio final es mayor.

Muestre a continuación un circuito de aplicación típico de un controlador de conmutación [La segunda imagen de este paso]

• Considerando los siguientes puntos.

  1. Costo.
  2. Espacio [La potencia de salida depende de esto].
  3. Salida de potencia.
  4. Eficiencia.
  5. Complejidad.

En este caso, utilizo un Richtek RT6214 [A para modo continuo es mejor para carga dura, y la opción B que funciona en modo discontinuo que es mejor para carga ligera y mejora la eficiencia a corrientes de salida bajas] que es DC / DC Buck Converter monolithic [y por lo tanto no necesitamos ningún componente externo como Power MOSFET y diodos Schottky porque el convertidor tiene interruptores MOSFET integrados y otros MOSFET que funcionan como Diode].

Se puede encontrar información más detallada en los siguientes enlaces: Buck_converter_guide, Comparación de topologías de convertidores Buck, Criterios de selección de convertidores Buck

Paso 2: El inductor es su mejor aliado en el convertidor CC / CC

Comprensión del inductor [Análisis de la hoja de datos]

Teniendo en cuenta el espacio en mi circuito, utilizo un ECS-MPI4040R4-4R7-R con 4.7uH, corriente nominal de 2.9A y una corriente de saturación de 3.9A y resistencia de CC de 67m ohmios.

Corriente nominal

La corriente nominal es el valor actual en el que el inductor no pierde propiedades como la inductancia y no aumenta significativamente la temperatura ambiente.

Corriente de saturación

La corriente de saturación en el inductor es el valor actual donde el inductor pierde sus propiedades y no funciona para almacenar energía en un campo magnético.

Tamaño vs Resistencia

Su comportamiento normal es que el espacio y la resistencia dependen el uno del otro porque si es necesario ahorra espacio, debemos ahorrar espacio reduciendo el valor AWG en el cable magnético y si quiero perder resistencia debo incrementar el valor AWG en el cable magnético.

Frecuencia de autorresonancia

La frecuencia de autorresonancia se logra cuando la frecuencia de conmutación cancela la inductancia y solo ahora existe la capacitancia parásita. Muchos fabricantes recomendaron mantener la frecuencia de conmutación de un inductor durante al menos una década por debajo de la frecuencia de autorresonancia. Por ejemplo

Frecuencia de autorresonancia = 10 MHz.

f-conmutación = 1MHz.

Década = log [base 10] (Frecuencia de auto-resonancia / f - conmutación)

Década = log [base 10] (10 MHz / 1 MHz)

Década = 1

Si desea saber más sobre inductores, consulte los siguientes enlaces: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Paso 3: El inductor es el corazón

Selección del inductor ideal

El inductor es el corazón de los convertidores CC / CC, por lo que es extremadamente importante tener en cuenta los siguientes puntos para lograr un buen rendimiento del regulador de voltaje.

La corriente de salida del voltaje del regulador, la corriente nominal, la corriente de saturación y la corriente de ondulación

En este caso, el fabricante proporciona ecuaciones para calcular el inductor ideal de acuerdo con la corriente de ondulación, la salida de voltaje, la entrada de voltaje y la frecuencia de conmutación. La ecuación se muestra a continuación.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x conmutación f x corriente de ondulación.

Corriente de ondulación = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-cambio x L.

IL (pico) = Iout (Max) + corriente de ondulación / 2.

Aplicando la ecuación de la corriente de ondulación en mi inductor [Los valores están en el paso anterior], los resultados se muestran a continuación.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-Conmutación = 500 kHz.

L = 4,7uH.

Iout = 1,5A.

Corriente de ondulación ideal = 1,5 A * 50%

Corriente de ondulación ideal = 0.750A

Corriente de ondulación = 5V (9V - 5V) / 9V x 500kHz x 4.7uH

Corriente de ondulación = 0,95 A *

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

IL (pico) = 1.975A **

* Se recomienda utilizar la corriente de ondulación cercana al 20% - 50% de la corriente de salida. Pero esta no es una regla general porque depende del tiempo de respuesta del regulador de conmutación. Cuando necesitamos una respuesta de tiempo rápida debemos usar una inductancia baja porque el tiempo de carga en el inductor es corto y cuando necesitamos una respuesta de tiempo lenta debemos usar una inductancia alta porque el tiempo de carga es largo y con esto, reducimos la EMI.

** El fabricante recomendado no excede la corriente de valle máxima que admite el dispositivo para mantener un rango seguro. En este caso, la corriente de valle máxima es 4.5A.

Estos valores se pueden consultar en el siguiente enlace: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

Paso 4: El futuro es ahora

Utilice REDEXPERT para seleccionar el mejor inductor para su convertidor Buck

REDEXPERT es una gran herramienta cuando necesita saber cuál es el mejor inductor para su convertidor reductor, convertidor elevador, convertidor sepic, etc. Esta herramienta admite múltiples topologías para simular el comportamiento de su inductor, pero esta herramienta solo admite números de pieza de Würth Electronik. En esta herramienta, podemos visualizar en gráficos el incremento de temperatura frente a la corriente y las pérdidas de inductancia frente a la corriente en el inductor. Solo necesita parámetros de entrada simples como los que se muestran a continuación.

• Voltaje de entrada
• tensión de salida
• salida de corriente
• frecuencia de cambio
• corriente de rizado

El enlace es el siguiente: REDEXPERT Simulator

Paso 5: nuestra necesidad es importante

Calculando los valores de salida

Es muy sencillo calcular el voltaje de salida, solo necesitamos definir un divisor de voltaje definido por la siguiente ecuación. Solo necesitamos un R1 y definimos una salida de voltaje.

Vref = 0,8 [RT6214A / BHGJ6F].

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

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

A continuación se muestra un ejemplo con un RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

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

R1 = 52.5k

Paso 6: Gran herramienta para un gran diseñador de electrónica

Utilice las herramientas del fabricante

Usé las herramientas de simulación proporcionadas por Richtek. En este entorno, puede ver el comportamiento del convertidor CC / CC en análisis de estado estable, análisis transitorio, análisis de inicio.

Y los resultados se pueden consultar en las imágenes, documentos y simulación de video.

Paso 7: dos son mejores que uno

Diseño de PCB en Eagle y Fusion 360

El diseño de la PCB se realiza en Eagle 9.5.6 en colaboración con Fusion 360. Sincronizo el diseño 3D con el diseño de la PCB para obtener una vista real del diseño del circuito.

A continuación se muestran los puntos importantes para crear una PCB en Eagle CAD.

• Crear biblioteca.
• Diseño esquemático.
• Diseño de PCB o diseño de disposición
• Generar vista 2D real.
• Agregue un modelo 3D al dispositivo en el diseño de diseño.
• Sincronice la PCB Eagle con Fusion 360.

Nota: Todos los puntos importantes están ilustrados por imágenes que encontrará al comienzo de este paso.

Puede descargar este circuito en el repositorio de GitLab:

Paso 8: un problema, una solución

Trate alguna vez de considerar todas las variables

Lo más simple nunca es mejor… Eso me lo dije a mí mismo cuando mi proyecto calentaba hasta 80ºC. Sí, si necesita una corriente de salida relativamente alta, no use reguladores lineales porque disipan mucha energía.

Mi problema… la corriente de salida. La solución … utiliza un convertidor CC / CC para reemplazar un regulador de voltaje lineal en un paquete DPAK.

Porque a esto llamé el proyecto Buck DPAK

Paso 9: Conclusión

Los convertidores DC / DC son sistemas muy eficientes para regular voltaje a corrientes muy altas, sin embargo, a corrientes bajas son generalmente menos eficientes pero no menos eficientes que un regulador lineal.

Hoy en día es muy fácil poder diseñar un convertidor DC / DC gracias a que los fabricantes han facilitado la forma en que se controlan y utilizan.