Mám dotaz ohledně přepínání regulátorů s krokem dolů. (Jak jsem uvedl v mých předchozích otázkách, vezměte prosím v úvahu skutečnost, že nejsem příliš odborník, takže neváhejte odpovědět / promluvit, jako bych byl student.)
Pojďme si vzít praktickou příklad přepínacího regulátoru, založeného na tomto IC . (Viděl jsem, že je velmi často používaný a běžný v různých obvodech):
Potřebujeme napájet zařízení, které potřebuje 12V se spotřebou energie 200 mA. Dobře: Vezmeme obvod převodníku buck, a protože Vin poskytneme například napětí 30 V z akumulátoru o celkové kapacitě 2 000 mAh, nastavíme Vout buck převodníku na 12V. Pokud ale chceme použít menší počet baterií můžeme také použít Vin o 20 nebo méně voltech: Četl jsem, že pro IC lm2596 by měl být Vin alespoň 1,5 V než Vout.
Přemýšlel jsem : Pokud snížím 30V (z baterie) na 12V, rozdíl 18V může být důvodem vyšší spotřeby energie z baterií? Mám pravdu? Např. Vím, že lineární regulátory (odlišně od spínacích regulátorů) mají špatnou účinnost protože část energie se ztratí jako teplo. Ale co přepínání regulátorů? Před několika dny jsem vyhledáním na Googlu četl o osobě, která potřebovala získat 5V usi ng Buck převodník: někdo mu řekl, že by bylo lepší získat 5V z Vin 18V namísto použití Vin 12V.
Takže, když vezmeme v úvahu můj příklad: při použití spínacího regulátoru, je lepší začít od vyššího Vin, pro získání stejného Vout? Proč?
Také bych rád viděl některé grafy spínacích regulátorů.
Odpověď
Společnost TI má nástroj s názvem WEBENCH , který pro vás může vytvořit spoustu grafů a kalkulací. Zde je jeho výstup s vašimi parametry v pdf .
Dovolte mi zdůraznit ten o účinnosti. Simulace ukazují, že tento IC má lepší účinnost, když je Vin 20 V, ale tento rozdíl není až tak velký.
Nezáleží jen na Vin, pokud změníte dodávaný proud z 200 mA na 3 A, zobrazí se odlišný graf účinnosti. V takovém případě je lepší volbou Vin = 30V.
Obvykle existují podobné tabulky v datových listech, pokud takové nástroje nejsou k dispozici.
Pokud potřebujete pouze 200 mA, měli byste zvolit převodník, který je schopen, ať řekněme maximální proud 300 mA místo 3A, účinnost je lepší poblíž maximálního proudu. Další převodník, který může řídit max. 300mA, graf účinnosti <
LMR14203 :
Při 30 V je opět nejhorší , ale pohybuje se kolem 88%, zatímco u modelu LM2596 je to 79%, což je významný rozdíl. Na 20 V je to nad 90%, což je docela dobré.
Odpověď
Abychom dosáhli maximální účinnosti, musíme pochopit, kde jsou ztráty mohou existovat a jaká opatření jsou k dispozici.
Budu používat obecnější obvod, protože zásady platí všude; některé obvody nabízejí svobodu měnit některé parametry pro maximalizaci účinnosti v dané aplikaci a jiné nikoli.
Chcete-li to ukázat, zde je obvod, který správně vystavuje cestu napájení:
Červeně jsem zvýraznil primární vysokoproudé cesty; Q1, Q2 / Q3, L1 a D2 a rezistor snímání proudu. Mějte na paměti, že pohony hradel mohou mít značný proud v závislosti na aplikaci.
Ztráty v Q1 jsou primárně odporové a kapacitní, v Q2 / Q3 odporové a odporové v induktoru. V tomto schématu je zjevný proudový rezistor, který rozptyluje část energie.
Existují (jako vždy) kompromisy.
U hlavního spínače (Q1) je odporový ztráty jsou: \ $ \ frac {Vout} {Vin} (Imax) ^ 2 (1 + δ) R_ds (zapnuto) \ $ kde \ $ \ delta \ $ je teplotní závislost \ $ R_ds (zapnuto) \ $
Kapacitní ztráty hlavního vypínače jsou dány vztahem: \ $ k (Vin) ^ 2 (Imax) (Crss) (f) \ $
Takže odporové ztráty rostou s nižší pracovní cykly, které jsou přiměřené, protože hlavní vypínač je zapnutý po delší dobu, když se Vout a Vin k sobě přibližují.
Porovnejte to s kapacitním výrazem, který je přímo úměrný frekvenci. (k je konstanta vztahující se k inverzi proudu pohonu brány).
Ve skutečnosti existuje přechodový bod; při nižším Vin je žádoucí nižší odpor spínače, ale při vyšších vstupních napětích může být výhodnější nižší celkový náboj brány.
Můžu minimalizovat velikost induktoru (což minimalizuje vinutí a tedy stejnosměrný odpor) zvýšením spínací frekvence, ale tím se zvýší kapacitní ztráty v Q1.
Ztráty v Q2 a Q3 jsou zcela způsobeny \ $ R_ds (on) \ $: konkrétně
\ $ P_ (sync) = \ frac {V_in – V_out} {V_in } (I_max) ^ 2 (1+ \ delta) R_ds (on) \ $
To ukazuje, že při nižších pracovních cyklech (vyšší Vin) se ztráty zvyšují.
Takže my jako nižší pracovní cykly (vyšší Vin) pro hlavní spínač, ale my máme rádi nižší Vin (nižší pracovní cyklus) pro synchronní spínač; to znamená, že v posledních letech došlo k velkým pokrokům, pokud jde o MOSFET v oblasti odporu – viz například IRF6718L2 – velmi působivý \ $ 1 m \ Omega \ $ při 4,5 V \ $ V_gs \ $
Poznámka D1 a D2 – ty by měly být dimenzovány na minimální dopředné napětí při vhodném proudu, aby se minimalizovaly další ztráty.
To je obrovský předmět (to nemusí nutně věnovat dostatečnou pozornost), ale s náležitou pozorností lze dosáhnout optimální účinnosti pro danou aplikaci.
Odpověď
Odpověď @BenceKaulics o efektivitě je dobrá, ale opravdu neodpovídá na původní otázku, jak ji vidím.
Otázka, kterou jsem četl, dostane převaděč bucků s out of Spotřebič 12V @ 200 mA cílovým zařízením, závisí vstupní proud do regulátoru na vstupním napětí?
Spínací regulátor zhruba udržuje výkon od vstupu k výstupu, menší spotřeba energie upraveno regulátorem a další ztráty, vyjádřené jako účinnost .
Vaše cílové zařízení spotřebovává 2,4 wattu (12 x 0,2). Proto bude spínací regulátor spotřebovávat ze svého zdroje energie o něco více než 2,4 wattu. Pokud je vstup 30 voltů, spotřebuje o něco více než 0,08 ampérů (2,4 / 30). Na druhou stranu, se vstupem 20 voltů spotřebuje o něco více než 0,12 ampérů (2,4/20). Oba tyto údaje představují 2,4 wattu.
Pokud se podíváte na křivky v předchozím příspěvku, uvidíte, že dochází k malé změně v účinnosti (možná 78% oproti 80%), ale tento trpaslík změnou odběru proudu v důsledku změny napětí, ale zachování výkonu.