À la recherche de l'efficacité. : 9 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Convertisseur BUCK sur la taille "DPAK"

Habituellement, le concepteur électronique débutant ou un amateur nous avons besoin d'un régulateur de tension en circuit imprimé ou d'une maquette. Malheureusement par simplicité, nous utilisons un régulateur de tension linéaire mais il n'y en a pas totalement mauvais car toujours dépendre des applications est important.

Par exemple, dans les appareils analogiques de précision (comme les équipements de mesure), on utilise toujours mieux un régulateur de tension linéaire (pour minimiser les problèmes de bruit). Mais dans les appareils d'électronique de puissance comme une lampe LED, ou un pré-régulateur pour étage de régulateurs linéaires (pour améliorer l'efficacité) il est préférable d'utiliser un régulateur de tension convertisseur DC/DC BUCK comme alimentation principale car ces appareils sont d'une meilleure efficacité qu'un régulateur linéaire dans les sorties à courant élevé ou la charge dure.

Une autre option qui n'est pas si élégante mais qui est rapide, consiste à utiliser des convertisseurs DC / DC dans des modules préfabriqués et à les ajouter simplement au-dessus de notre circuit imprimé, mais cela rend le circuit imprimé beaucoup plus gros.

La solution que je propose à l'amateur ou au débutant en électronique utilise un module convertisseur DC/DC BUCK qu'un module qui se monte en surface mais, économisant de l'espace.

Fournitures

• 1 convertisseur à découpage Buck 3A --- RT6214.
• 1 inductance 4.7uH/2.9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 condensateur 0805 22uF/25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 condensateurs 0402 100nF/50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 Condensateur 0402 68pF/50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 Résistance 0402 7.32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Résistance 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

Étape 1: Sélection du meilleur cavalier

Sélection du convertisseur DC/DC BUCK

La première étape de la conception d'un convertisseur DC/DC Buck consiste à trouver la meilleure solution pour notre application. La solution la plus rapide consiste à utiliser un régulateur à découpage au lieu d'utiliser un contrôleur à découpage.

La différence entre ces deux options est illustrée ci-dessous.

Régulateur de commutation

1. Ils sont souvent monolithiques.
2. L'efficacité est meilleure.
3. Ils ne supportent pas des courants de sortie très élevés.
4. Ils sont plus faciles à stabiliser (Ne nécessitent qu'un circuit RC).
5. L'utilisateur n'a pas eu besoin de beaucoup de connaissances sur le convertisseur DC/DC pour concevoir le circuit.
6. Sont préconfigurés pour fonctionner uniquement dans une topologie spécifique.
7. Le prix final est inférieur.

Montrez ci-dessous un exemple réduit par un régulateur de commutation [La première image de cette étape].

Contrôleur de commutation

1. Nécessite de nombreux composants externes tels que les MOSFET et les diodes.
2. Ils sont plus complexes et l'utilisateur a besoin de plus de connaissances sur le convertisseur DC/DC pour concevoir le circuit.
3. Ils peuvent utiliser plus de topologies.
4. Supporte un courant de sortie très élevé.
5. Le prix final est plus élevé.

Montrez ci-dessous un circuit d'application typique d'un contrôleur de commutation [La deuxième image de cette étape]

• Considérant les points suivants.

  1. Coût.
  2. Espace [La puissance de sortie en dépend].
  3. Puissance de sortie.
  4. Efficacité.
  5. Complexité.

Dans ce cas, j'utilise un Richtek RT6214 [A pour le mode continu est meilleur pour la charge dure, et l'option B qu'il fonctionne en mode discontinu qui est meilleur pour une charge légère et améliore l'efficacité à faibles courants de sortie] c'est un courant continu /DC Buck Converter monolithique [et nous n'avons donc pas besoin de composants externes tels que des MOSFET de puissance et des diodes Schottky car le convertisseur intègre des commutateurs MOSFET et d'autres MOSFET fonctionnant comme une diode].

Des informations plus détaillées sont disponibles sur les liens suivants: Buck_converter_guide, Comparing Buck Converter Topologies, Buck Converter Selection Criteria

Étape 2: L'inducteur est votre meilleur allié dans le convertisseur DC/DC

Comprendre l'inducteur [Analyse de la fiche technique]

Compte tenu de l'espace sur mon circuit, j'utilise un ECS-MPI4040R4-4R7-R avec un courant nominal de 4,7uH de 2,9A et un courant de saturation de 3,9A et une résistance CC de 67m ohms.

Courant nominal

Le courant nominal est la valeur du courant où l'inducteur ne perd pas les propriétés telles que l'inductance et n'augmente pas significativement la température ambiante.

Courant de saturation

Le courant de saturation dans l'inducteur est la valeur du courant où l'inducteur perd ses propriétés et ne fonctionne pas pour stocker de l'énergie dans un champ magnétique.

Taille vs Résistance

Son comportement normal est que l'espace et la résistance dépendent l'un de l'autre car si le besoin économise de l'espace, nous devons économiser de l'espace en réduisant la valeur AWG dans le fil magnétique et si je veux perdre de la résistance, je dois incrémenter la valeur AWG dans le fil magnétique.

Fréquence d'auto-résonance

La fréquence d'auto-résonance est atteinte lorsque la fréquence de commutation a annulé l'inductance et n'existe que maintenant la capacité parasite. De nombreux fabricants ont recommandé de maintenir la fréquence de commutation d'une inductance pendant au moins une décennie en dessous de la fréquence de résonance propre. Par exemple

Fréquence d'auto-résonance = 10MHz.

commutation f = 1MHz.

Décennie = log[base 10](Self - Fréquence de résonance / f - commutation)

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

Décennie = 1

Si vous souhaitez en savoir plus sur les inductances, veuillez consulter les liens suivants: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Étape 3: L'inducteur est le cœur

Sélection de l'inducteur idéal

L'inductance est le cœur des convertisseurs DC/DC, il est donc extrêmement important de garder à l'esprit les points suivants afin d'obtenir de bonnes performances de régulateur de tension.

Le courant de sortie de la tension du régulateur, le courant nominal, le courant de saturation et le courant d'ondulation

Dans ce cas, le fabricant fournit des équations pour calculer l'inducteur idéal en fonction du courant d'ondulation, de la tension de sortie, de la tension d'entrée, de la fréquence de découpage. L'équation est présentée ci-dessous.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x commutation f x courant d'ondulation.

Courant d'ondulation = Vout (Vin-Vout) / Vin x commutation f x L.

IL (crête) = Iout (Max) + courant d'ondulation / 2.

En appliquant l'équation du courant d'ondulation sur mon inducteur [Les valeurs sont à l'étape précédente], les résultats sont affichés ci-dessous.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

Commutation f = 500 kHz.

L = 4,7uH.

Iout = 1.5A.

Courant d'ondulation idéal = 1.5A * 50%

Courant d'ondulation idéal = 0,750A

Courant d'ondulation = 5V (9V - 5V) / 9V x 500kHz x 4,7uH

Courant d'ondulation = 0.95A*

IL (crête) = 1.5A + 0.95A / 2

IL(crête) = 1,975A**

* Il est recommandé d'utiliser le courant d'ondulation proche de 20 % à 50 % du courant de sortie. Mais ce n'est pas une règle générale car cela dépend du temps de réponse du régulateur à découpage. Lorsque nous avons besoin d'une réponse rapide, nous devons utiliser une faible inductance car le temps de charge sur l'inducteur est court et lorsque nous avons besoin d'une réponse lente, nous devons utiliser une inductance élevée car le temps de charge est long et avec cela, nous réduisons l'EMI.

**Le fabricant recommandé ne dépasse pas le courant de vallée maximal qui prend en charge l'appareil pour maintenir une portée sécurisée. Dans ce cas, le courant de vallée maximum est de 4,5A.

Ces valeurs sont consultables dans le lien suivant: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

Étape 4: L'avenir est maintenant

Utilisez REDEXPERT pour sélectionner la meilleure inductance pour votre convertisseur abaisseur

REDEXPERT est un excellent outil lorsque vous avez besoin de savoir quel est le meilleur inducteur pour votre convertisseur buck, convertisseur boost, convertisseur sepic, etc. Cet outil prend en charge plusieurs topologies pour simuler le comportement de votre inducteur, mais cet outil ne prend en charge que les références de Würth Electronik. Dans cet outil, nous pouvons visualiser sous forme de graphiques l'incrément de température par rapport au courant et les pertes d'inductance par rapport au courant dans l'inducteur. Il n'a besoin que de paramètres d'entrée simples tels que ceux indiqués ci-dessous.

• Tension d'entrée
• tension de sortie
• sortie courant
• fréquence de commutation
• Courant d'ondulation

Le lien est le suivant: REDEXPERT Simulator

Étape 5: Notre besoin est important

Calcul des valeurs de sortie

Il est très simple de calculer la tension de sortie, il suffit de définir un diviseur de tension défini par l'équation suivante. Seulement nous avons besoin d'un R1 et définissons une sortie de tension.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

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

R1= R2 (Vout - Vref) / Vref

Ci-dessous un exemple utilisant un RT6214AHGJ6F.

R2 = 10k.

Vout = 5.

Vréf = 0,8.

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

R1 = 52,5k

Étape 6: Excellent outil pour un excellent concepteur électronique

Utilisez les outils du fabricant

J'ai utilisé les outils de simulation fournis par Richtek. Dans cet environnement, vous pouvez visualiser le comportement du convertisseur DC/DC dans l'analyse en régime permanent, l'analyse transitoire, l'analyse de démarrage.

Et les résultats peuvent être consultés dans les images, les documents et la simulation vidéo.

Étape 7: Deux valent mieux qu'un

Conception de PCB dans Eagle et Fusion 360

La conception du PCB est réalisée sur Eagle 9.5.6 en collaboration avec Fusion 360. Je synchronise la conception 3D avec la conception du PCB pour obtenir une vue réelle de la conception du circuit.

Ci-dessous les points importants pour créer un PCB dans Eagle CAD.

• Création de bibliothèque.
• Conception schématique.
• Conception de circuits imprimés ou conception de mise en page
• Générez une vue 2D réelle.
• Ajoutez un modèle 3D à l'appareil dans la conception de la mise en page.
• Synchronisez le PCB Eagle avec Fusion 360.

Remarque: tous les points importants sont illustrés par des images que vous trouverez au début de cette étape.

Vous pouvez télécharger ce circuit sur le dépôt GitLab:

Étape 8: un problème, une solution

Essayez toujours de considérer toutes les variables

Le plus simple n'est jamais meilleur… Je me suis dit ça quand mon projet chauffe jusqu'à 80°C. Oui, si vous avez besoin d'un courant de sortie relativement élevé, n'utilisez pas de régulateurs linéaires car ils dissipent beaucoup de puissance.

Mon problème… le courant de sortie. La solution… utilise un convertisseur DC/DC pour remplacer un régulateur de tension linéaire dans un boîtier DPAK.

Parce que j'ai appelé le projet Buck DPAK

Étape 9: Conclusion

Les convertisseurs DC/DC sont des systèmes très efficaces pour réguler la tension à des courants très élevés, cependant à des courants faibles, ils sont généralement moins efficaces mais pas moins efficaces qu'un régulateur linéaire.

De nos jours il est très facile de pouvoir concevoir un convertisseur DC/DC grâce au fait que les constructeurs ont facilité la manière dont ils sont contrôlés et utilisés.