Cómo lograr la máxima eficiencia con un convertidor Buck

Tengo una pregunta sobre cómo cambiar reguladores reductores. (Como dije en mis preguntas anteriores, considere el hecho de que «no soy muy experto, así que siéntase libre de responder / hablar como si fuera un estudiante).

Hagamos una práctica ejemplo de un regulador reductor de conmutación, basado en este IC . (He visto que se usa mucho y es común en varios circuitos):

Necesitamos alimentar un dispositivo que necesita 12V con un consumo de energía de 200mA. Ok: tomaremos un circuito convertidor reductor, y como Vin proporcionaremos, por ejemplo, un voltaje de 30 V de un paquete de baterías con una capacidad total de 2000 mAh, luego configuraremos el Vout del convertidor reductor en 12 V. Pero si queremos hacer uso de un número menor de baterías también podemos ir con un Vin de 20 o menos voltios: he leído que para el lm2596 IC, el Vin, debería ser al menos mayor de 1,5V que el Vout.

Estaba pensando : Si reduzco 30V (de un paquete de baterías) a 12V, ¿la diferencia de 18V podría ser la razón de un mayor consumo de energía de las baterías? ¿Tengo razón? Por ejemplo, sé que los reguladores lineales (a diferencia de los reguladores de conmutación) tienen una mala eficiencia porque parte de la energía se perderá en forma de calor. Pero, ¿qué pasa con el cambio de reguladores? Hace unos días, mediante una búsqueda en Google, leí de una persona que tenía la necesidad de obtener 5V usi ng un convertidor Buck: alguien le dijo que sería mejor obtener los 5V de un Vin de 18V en lugar de usar un Vin de 12V.

Entonces, tomando nuevamente en consideración mi ejemplo: cuando se usa un regulador de conmutación, ¿Es mejor partir de un Vin superior para obtener un mismo Vout? ¿Por qué?

También me gustaría ver algunos gráficos de los reguladores de conmutación.

Respuesta

TI tiene una herramienta, llamada WEBENCH que puede crear muchos gráficos y cálculos para usted. Aquí está su salida con sus parámetros en pdf .

Permítanme resaltar el de la eficiencia. Las simulaciones muestran que este IC tiene una mejor eficiencia cuando Vin es de 20 V, pero esta diferencia no es tanta.

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No es solo el Vin lo que importa, si cambia la corriente suministrada de 200mA a 3A, se mostrará una tabla de eficiencia diferente. En este caso, Vin = 30V es la mejor opción.

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Por lo general, hay gráficos similares en las hojas de datos si las herramientas como esta no están disponibles.

Si solo necesita 200mA, debe elegir un convertidor que sea capaz de hacer «s digamos 300 mA de corriente máxima en lugar de 3 A, la eficiencia es mejor cerca de la corriente máxima. Otro convertidor, que puede impulsar un máximo de 300 mA, LMR14203 «s gráfico de eficiencia:

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Es nuevamente el peor a 30V , pero está alrededor del 88% mientras que con el LM2596 es del 79%, lo que es una diferencia significativa. En 20 V, está por encima del 90%, lo cual es bastante bueno.

Respuesta

Para lograr la máxima eficiencia, debemos comprender dónde están las pérdidas puede existir y qué medidas están disponibles.

Voy a utilizar un circuito más genérico ya que los principios se aplican en todas partes; algunos circuitos ofrecen la libertad de cambiar algunos parámetros para maximizar la eficiencia en una aplicación dada y otros no.

Para mostrar eso, aquí hay un circuito que expone la ruta de energía correctamente:

Buck SMPS síncrono

He resaltado las rutas primarias de alta corriente en rojo; Q1, Q2 / Q3, L1 y D2 y la resistencia de detección de corriente. Tenga en cuenta que los controladores de puerta pueden tener una corriente significativa según la aplicación.

Las pérdidas en Q1 son principalmente resistivas y capacitivas, en Q2 / Q3 resistivas y resistivas en el inductor. Hay una resistencia de detección de corriente en este esquema que disipa algo de potencia, obviamente.

Hay (como siempre) compensaciones.

Para el interruptor principal (Q1), la resistencia las pérdidas son: \ $ \ frac {Vout} {Vin} (Imax) ^ 2 (1 + δ) R_ds (on) \ $ donde \ $ \ delta \ $ es la dependencia de la temperatura de \ $ R_ds (on) \ $

Las pérdidas capacitivas para el interruptor principal están dadas por: \ $ k (Vin) ^ 2 (Imax) (Crss) (f) \ $

Así que las pérdidas resistivas aumentan con menores ciclos de trabajo, lo cual es razonable ya que el interruptor principal está encendido durante una mayor proporción del tiempo cuando Vout y Vin se acercan entre sí.

Compare esto con el término capacitivo que es directamente proporcional a la frecuencia. (k es una constante relacionada con la inversa de la corriente de accionamiento de la puerta).

En realidad, hay un punto de cruce; a Vin más bajo, es deseable una resistencia de interruptor más baja, pero a voltajes de entrada más altos puede ser preferible una carga total de puerta más baja.

Puedo minimizar el tamaño del inductor (que minimiza los devanados y por lo tanto la resistencia de CC) aumentando la frecuencia de conmutación, pero esto aumentará las pérdidas capacitivas en Q1.

Las pérdidas en el segundo y tercer trimestre se deben completamente a \ $ R_ds (on) \ $: específicamente

\ $ P_ (sync) = \ frac {V_in – V_out} {V_in } (I_max) ^ 2 (1+ \ delta) R_ds (on) \ $

Esto muestra que en ciclos de trabajo más bajos (Vin más alto), las pérdidas aumentan.

Así que como ciclos de trabajo más bajos (Vin más alto) para el interruptor principal, pero nos gusta Vin más bajo (ciclo de trabajo más bajo) para el interruptor síncrono; Dicho esto, se han logrado grandes avances en los últimos años en términos de MOSFET en cuanto a resistencia; consulte, por ejemplo, el IRF6718L2 , un \ $ 1m \ Omega \ muy impresionante $ a 4.5V \ $ V_gs \ $

Tenga en cuenta D1 y D2: estos deben dimensionarse para un voltaje directo mínimo a una corriente adecuada para minimizar otras pérdidas.

Este es un tema enorme (que no necesariamente recibe suficiente atención), pero con la atención adecuada, se puede lograr la eficiencia óptima para una aplicación determinada.

Respuesta

La respuesta de @BenceKaulics acerca de la eficiencia es buena, pero en realidad no responde a la pregunta original, como yo la veo.

La pregunta, tal como la leo, se le da un convertidor de dinero con un Consumidor de 12V @ 200ma por el dispositivo objetivo, ¿la corriente de entrada al regulador depende del voltaje de entrada?

Un regulador de conmutación mantiene aproximadamente la potencia de entrada a salida, requiere menos energía ed por el regulador y otras pérdidas, expresadas como eficiencia .

Su dispositivo objetivo consume 2,4 vatios (12 x 0,2). Por lo tanto, el regulador de conmutación consumirá de su fuente de alimentación un poco más de 2,4 vatios. Si la entrada es de 30 voltios, consumirá un poco más de 0,08 amperios (2,4 / 30). Por otro lado, con una entrada de 20 voltios, consumirá un poco más de 0,12 amperios (2,4 / 20). Ambas cifras representan 2,4 vatios.

Si observa las curvas en la publicación anterior, verá que hay un pequeño cambio en la eficiencia (tal vez 78% frente a 80%) pero esto eclipsa por el cambio en el consumo de corriente debido al cambio de voltaje pero manteniendo la potencia.

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