في البحث عن الكفاءة: 9 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

محول BUCK على حجم "DPAK"

عادة ، المبتدئين مصمم الكتروني أو هاوي نحتاج إلى منظم الجهد في لوحة الدوائر المطبوعة أو اللوح. لسوء الحظ ، من خلال البساطة ، نستخدم منظم جهد خطي ولكن ليس هناك شيء سيء تمامًا لأن الاعتماد على التطبيقات أمر مهم.

على سبيل المثال في الأجهزة التناظرية الدقيقة (مثل معدات القياس) تستخدم بشكل أفضل منظم جهد خطي (لتقليل مشاكل الضوضاء). ولكن في أجهزة إلكترونيات الطاقة مثل مصباح LED ، أو منظم مسبق لمرحلة المنظمات الخطية (لتحسين الكفاءة) من الأفضل استخدام منظم جهد محول DC / DC BUCK كمصدر رئيسي لأن هذه الأجهزة ذات كفاءة أفضل من المنظم الخطي في النواتج الحالية العالية أو تحميل صعب.

هناك خيار آخر ليس أنيقًا للغاية ولكنه سريع ، وهو استخدام محولات DC / DC في وحدات مسبقة الصنع وإضافتها فقط أعلى دارتنا المطبوعة ولكن هذا يجعل لوحة الدوائر أكبر بكثير.

الحل الذي أقترحه على الهاوي أو مبتدئ الإلكترونيات يستخدم محول DC / DC BUCK للوحدة النمطية التي يتم تركيبها على السطح ولكنها توفر مساحة.

اللوازم

• 1 محول تحويل باك 3A - RT6214.
• 1 محث 4.7uH / 2.9A - ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 مكثف 0805 22 فائق التوهج / 25 فولت - GRM21BR61E226ME44L
• 2 مكثف 0402100nF / 50V - GRM155R71H104ME14D
• 1 مكثف 0402 68pF / 50V - GRM1555C1H680JA01D
• 1 المقاوم 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 المقاوم 0402 10 كيلو - RC0402JR-0710KL

الخطوة 1: اختيار أفضل رايدر

اختيار محول DC / DC BUCK

تتمثل الخطوة الأولى لتصميم محول DC / DC في العثور على أفضل حل لتطبيقنا. الحل الأسرع هو استخدام منظم التحويل بدلاً من استخدام وحدة تحكم التحويل.

يظهر الفرق بين هذين الخيارين أدناه.

منظم التبديل

1. في كثير من الأحيان تكون متجانسة.
2. الكفاءة أفضل.
3. أنها لا تدعم التيارات الانتاجية عالية جدا.
4. إنها أسهل في الاستقرار (تتطلب فقط دائرة RC).
5. لم يكن المستخدم بحاجة إلى الكثير من المعرفة حول محول DC / DC لتصميم الدائرة.
6. تم تكوينها مسبقًا للعمل فقط في طبولوجيا معينة.
7. السعر النهائي أقل.

اعرض أدناه مثالًا تم تقليله بواسطة Switching Regulator [الصورة الأولى في هذه الخطوة].

تبديل تحكم

1. تتطلب الكثير من المكونات الخارجية مثل MOSFETs و Diodes.
2. إنها أكثر تعقيدًا ويحتاج المستخدم إلى مزيد من المعرفة حول محول DC / DC لتصميم الدائرة.
3. يمكنهم استخدام المزيد من الطبولوجيا.
4. دعم تيار إخراج مرتفع للغاية.
5. السعر النهائي أعلى.

اعرض أدناه دائرة تطبيق نموذجية لوحدة تحكم التبديل [الصورة الثانية في هذه الخطوة]

• النظر في النقاط التالية.

  1. كلفة.
  2. الفضاء [انتاج الطاقة يعتمد على هذا].
  3. مخرج قوي.
  4. كفاءة.
  5. تعقيد.

في هذه الحالة ، أستخدم Richtek RT6214 [الوضع المستمر أفضل للحمل الثابت ، والخيار B هو أنه يعمل في الوضع المتقطع وهو أفضل للحمل الخفيف ويحسن الكفاءة عند التيارات ذات الخرج المنخفض] وهو DC / DC Buck Converter monolithic [وبالتالي لا نحتاج إلى أي مكونات خارجية مثل Power MOSFETs والصمامات الثنائية Schottky لأن المحول يحتوي على مفاتيح MOSFET مدمجة و MOSFET أخرى تعمل مثل الصمام الثنائي].

يمكن العثور على مزيد من المعلومات التفصيلية على الروابط التالية: Buck_converter_guide ، مقارنة طبولوجيا محول باك ، معايير اختيار محول باك

الخطوة 2: الحث هو أفضل حليف لك في محول DC / DC

فهم مغو [تحليل ورقة البيانات]

بالنظر إلى المساحة الموجودة على دائري ، أستخدم ECS-MPI4040R4-4R7-R مع 4.7uH ، والتيار الاسمي 2.9A ، وتيار التشبع 3.9A ومقاومة DC 67m أوم.

العملة الرمزية

التيار الاسمي هو القيمة الحالية حيث لا يفقد المحرِّض خصائص مثل الحث ولا يزيد درجة الحرارة المحيطة بشكل كبير.

تيار التشبع

تيار التشبع في المحرِّض هو القيمة الحالية حيث يفقد المحرِّض خصائصه ولا يعمل على تخزين الطاقة في مجال مغناطيسي.

الحجم مقابل المقاومة

سلوكها الطبيعي أن المساحة والمقاومة يعتمدان على بعضهما البعض لأنه إذا دعت الحاجة إلى توفير مساحة ، نحتاج إلى توفير مساحة لتقليل قيمة AWG في سلك المغناطيس وإذا كنت أريد أن أفقد المقاومة ، يجب أن أقوم بزيادة قيمة AWG في السلك المغناطيسي.

تردد الرنين الذاتي

يتم تحقيق تردد الرنين الذاتي عندما يلغي تردد التبديل الحث ويوجد الآن فقط السعة الطفيلية. أوصى العديد من المصنّعين بالحفاظ على تردد التبديل لمحرِّض لمدة عقد على الأقل أقل من تردد الرنين الذاتي. على سبيل المثال

تردد الرنين الذاتي = 10 ميجا هرتز.

و التبديل = 1 ميجا هرتز.

العقد = السجل [الأساسي 10] (تردد الرنين الذاتي / تبديل التردد)

العقد = تسجيل [القاعدة 10] (10 ميجا هرتز / 1 ميجا هرتز)

العقد = 1

إذا كنت تريد معرفة المزيد عن المحرِّضات ، فيرجى التحقق من الروابط التالية: Self_resonance_inductor ، Saturation_current_vs nominal_current

الخطوة 3: الحث هو القلب

اختيار الحث المثالي

الحث هو قلب محولات التيار المستمر / التيار المستمر ، لذلك من المهم للغاية مراعاة النقاط التالية من أجل تحقيق أداء جيد لمنظم الجهد.

تيار الخرج لجهد المنظم ، التيار الاسمي ، تيار التشبع ، وتيار التموج

في هذه الحالة ، توفر الشركة المصنعة معادلات لحساب المحث المثالي وفقًا لتيار التموج وإخراج الجهد وإدخال الجهد وتردد التبديل. المعادلة مبينة أدناه.

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

تموج الحالي = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-switching x L.

IL (الذروة) = Iout (الحد الأقصى) + تيار التموج / 2.

بتطبيق معادلة تيار التموج على المحرِّض الخاص بي [القيم في الخطوة السابقة] تظهر النتائج أدناه.

فين = 9 فولت.

صوت = 5V.

و التبديل = 500 كيلو هرتز.

L = 4.7uH.

Iout = 1.5A.

تيار تموج مثالي = 1.5A * 50٪

تموج التيار المثالي = 0.750A

تيار التموج = 5 فولت (9 فولت - 5 فولت) / 9 فولت × 500 كيلو هرتز × 4.7 فائق التوهج

تموج الحالي = 0.95A *

IL (الذروة) = 1.5A + 0.95A / 2

IL (الذروة) = 1.975A **

* يوصى باستخدام تيار التموج بالقرب من 20٪ - 50٪ من تيار الخرج. لكن هذه ليست قاعدة عامة لأنها تعتمد على وقت استجابة منظم التبديل. عندما نحتاج إلى استجابة زمنية سريعة ، يجب أن نستخدم محاثة منخفضة لأن وقت الشحن على المحرِّض قصير وعندما نحتاج إلى استجابة زمنية بطيئة ، يجب أن نستخدم محاثة عالية لأن وقت الشحن طويل ومع هذا ، نقوم بتقليل EMI.

** أوصت الشركة المصنعة بعدم تجاوز الحد الأقصى لتيار الوادي الذي يدعم الجهاز للحفاظ على نطاق آمن. في هذه الحالة ، يبلغ الحد الأقصى لتيار الوادي 4.5 أمبير.

يمكن الرجوع إلى هذه القيم في الرابط التالي: Datasheet_RT6214، Datasheet_Inductor

الخطوة 4: المستقبل هو الآن

استخدم REDEXPERT لتحديد أفضل مغوٍ لمحول باك الخاص بك

REDEXPERT هي أداة رائعة عندما تحتاج إلى معرفة ما هو أفضل محث لمحول باك الخاص بك ، ومحول الدفع ، ومحول sepic ، وما إلى ذلك. تدعم هذه الأداة طبولوجيا متعددة لمحاكاة سلوك المحث الخاص بك ، ولكن هذه الأداة تدعم فقط أرقام الأجزاء من Würth Electronik. في هذه الأداة ، يمكننا أن نرى في الرسوم البيانية زيادة درجة الحرارة مقابل التيار وخسائر المحاثة مقابل التيار في المحرِّض. يحتاج فقط إلى معلمات إدخال بسيطة مثل الموضحة أدناه.

• مساهمة الجهد
• انتاج التيار الكهربائي
• الإخراج الحالي
• تردد التبديل
• تموج الحالي

الرابط هو التالي: REDEXPERT Simulator

الخطوة 5: حاجتنا مهمة

حساب قيم المخرجات

من السهل جدًا حساب جهد الخرج ، نحتاج فقط إلى تحديد مقسم الجهد المحدد بواسطة المعادلة التالية. نحتاج فقط إلى R1 ونحدد خرج الجهد.

Vref = 0.8 [RT6214A / BHGJ6F].

Vref = 0.765 [RT6214A / BHRGJ6 / 8F]

R1 = R2 (Vout - Vref) / Vref

يظهر أدناه مثال باستخدام RT6214AHGJ6F.

R2 = 10 كيلو.

صوت = 5.

Vref = 0.8.

R1 = 10 كيلو (5 - 0.8) / 0.8.

R1 = 52.5 كيلو

الخطوة 6: أداة رائعة لمصمم إلكترونيات عظيم

استخدم أدوات الشركة المصنعة

لقد استخدمت أدوات المحاكاة التي يوفرها Richtek. في هذه البيئة ، يمكنك عرض سلوك محول DC / DC في تحليل الحالة المستقرة ، والتحليل العابر ، وتحليل بدء التشغيل.

ويمكن الاطلاع على النتائج في الصور والوثائق ومحاكاة الفيديو.

الخطوة 7: اثنان أفضل من واحد

تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور في Eagle و Fusion 360

تم تصميم PCB على Eagle 9.5.6 بالتعاون مع Fusion 360 I لمزامنة التصميم ثلاثي الأبعاد مع تصميم PCB للحصول على رؤية حقيقية لتصميم الدائرة.

تظهر أدناه النقاط المهمة لإنشاء ثنائي الفينيل متعدد الكلور في Eagle CAD.

• إنشاء مكتبة.
• تصميم تخطيطي.
• تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور أو تصميم تخطيط
• إنشاء عرض حقيقي ثنائي الأبعاد.
• أضف نموذجًا ثلاثي الأبعاد إلى الجهاز في تصميم التخطيط.
• قم بمزامنة Eagle PCB مع Fusion 360.

ملحوظة: كل النقاط المهمة موضحة بالصور التي تجدها في بداية هذه الخطوة.

يمكنك تنزيل هذه الدائرة على مستودع GitLab:

الخطوة 8: مشكلة واحدة ، حل واحد

من أي وقت مضى حاول النظر في جميع المتغيرات

الأبسط ليس أفضل من أي وقت مضى … لقد قلت ذلك لنفسي عندما يسخن مشروعي حتى 80 درجة مئوية. نعم ، إذا كنت بحاجة إلى تيار خرج مرتفع نسبيًا ، فلا تستخدم منظمات خطية لأنها تبدد قدرًا كبيرًا من الطاقة.

مشكلتي … تيار الإخراج. الحل… يستخدم محول DC / DC ليحل محل منظم الجهد الخطي في حزمة DPAK.

لأن هذا سميت مشروع باك DPAK

الخطوة 9: الخاتمة

محولات DC / DC هي أنظمة فعالة للغاية لتنظيم الجهد عند التيارات العالية جدًا ، ولكنها في التيارات المنخفضة تكون عمومًا أقل كفاءة ولكنها ليست أقل كفاءة من المنظم الخطي.

في الوقت الحاضر ، من السهل جدًا أن تكون قادرًا على تصميم محول DC / DC بفضل حقيقة أن الشركات المصنعة قد سهلت طريقة التحكم فيها واستخدامها.