Ho una domanda sulla commutazione dei regolatori step-down. (Come ho affermato nelle mie domande precedenti, considera il fatto che non sono molto esperto, quindi sentiti libero di rispondere / parlare come se fossi uno studente.)
Facciamo un esempio pratico esempio di un regolatore step-down a commutazione, basato su questo IC . (Ho visto che è largamente usato e comune in vari circuiti):
Dobbiamo alimentare un dispositivo che necessita di 12V con un consumo di 200mA. Ok: prenderemo un circuito convertitore buck, e come Vin forniremo, ad esempio, una tensione di 30V da un pacco batterie con una capacità totale di 2000mAh, quindi imposteremo la Vout del convertitore buck su 12V. Ma se vogliamo usare un numero inferiore di batterie possiamo anche andare con un Vin di 20 o meno volt: ho letto che per lIC lm2596, il Vin, dovrebbe essere almeno maggiore di 1,5V rispetto al Vout.
Stavo pensando : Se riduco 30V (da un pacco batterie) a 12V, la differenza di 18V potrebbe essere motivo di un maggiore consumo di energia delle batterie? Ho ragione? Es. So che i regolatori lineari (a differenza dei regolatori a commutazione) hanno una cattiva efficienza perché parte della potenza andrà persa sotto forma di calore. Ma che dire del cambio di regolatori? Qualche giorno fa, da una ricerca su Google, ho letto di una persona che aveva la necessità di procurarsi 5V usi ng un convertitore Buck: qualcuno gli disse che sarebbe stato meglio ottenere i 5V da un Vin di 18V invece di usare un Vin di 12V.
Quindi, prendendo di nuovo in considerazione il mio esempio: quando si usa un regolatore a commutazione, è meglio partire da un Vin più alto, per ottenere uno stesso Vout? Perché?
Vorrei anche vedere alcuni grafici dei regolatori di commutazione.
Answer
TI “ha uno strumento, chiamato WEBENCH che può creare molti grafici e calcoli per te. Ecco il suo output con i tuoi parametri in pdf .
Vorrei evidenziare quello sullefficienza. Le simulazioni mostrano che questo circuito integrato ha unefficienza migliore quando Vin è 20V, ma questa differenza non è così grande.
Non è solo il Vin che conta, se cambi la corrente erogata da 200mA a 3A verrà mostrato un grafico di efficienza differente. In questo caso Vin = 30V è la scelta migliore.
Di solito, ci sono grafici simili nelle schede tecniche se strumenti come questo non sono disponibili.
Se hai solo bisogno di 200 mA, dovresti scegliere un convertitore che sia in grado di diciamo una corrente massima di 300 mA invece di 3 A, lefficienza è migliore vicino alla corrente massima. Un altro convertitore, che può pilotare un massimo di 300 mA, LMR14203 “grafico di efficienza:
È di nuovo il peggiore a 30 V , ma è intorno all88% mentre con lLM2596 è del 79%, una differenza significativa. Su 20 V è superiore al 90%, il che è abbastanza buono.
Risposta
Per ottenere la massima efficienza, dobbiamo capire dove si verificano le perdite possono esistere e quali misure sono disponibili.
Userò un circuito più generico poiché i principi si applicano ovunque; alcuni circuiti offrono la libertà di modificare alcuni parametri per massimizzare lefficienza in una data applicazione e altri no.
Per dimostrarlo, ecco un circuito che espone correttamente il percorso di alimentazione:
Ho evidenziato in rosso i percorsi principali di alta corrente; Q1, Q2 / Q3, L1 e D2 e il resistore di rilevamento della corrente. Si noti che i gate drive possono avere una corrente significativa a seconda dellapplicazione.
Le perdite in Q1 sono principalmente resistive e capacitive, in Q2 / Q3 resistive e resistive nellinduttore. Cè un resistore di rilevamento della corrente in questo schema che dissipa una certa potenza, ovviamente.
Ci sono (come sempre) dei compromessi.
Per linterruttore principale (Q1), il resistivo le perdite sono: \ $ \ frac {Vout} {Vin} (Imax) ^ 2 (1 + δ) R_ds (attivo) \ $ dove \ $ \ delta \ $ è la dipendenza dalla temperatura di \ $ R_ds (attivo) \ $
Le perdite capacitive per linterruttore principale sono date da: \ $ k (Vin) ^ 2 (Imax) (Crss) (f) \ $
Quindi le perdite resistive aumentano con minore cicli di lavoro ragionevoli in quanto linterruttore principale è acceso per una proporzione più lunga del tempo mentre Vout e Vin si avvicinano lun laltro.
Mettilo in contrasto con il termine capacitivo che è direttamente proporzionale alla frequenza. (k è una costante correlata allinverso della corrente di gate drive).
In realtà cè un punto di crossover; a Vin inferiore, è desiderabile una resistenza di commutazione inferiore, ma a tensioni di ingresso più elevate può essere preferibile una carica di gate totale inferiore.
Posso ridurre al minimo le dimensioni dellinduttore (che riduce al minimo gli avvolgimenti e quindi la resistenza CC) aumentando la frequenza di commutazione, ma questo aumenterà le perdite capacitive in Q1.
Le perdite in Q2 e Q3 sono completamente dovute a \ $ R_ds (on) \ $: in particolare
\ $ P_ (sync) = \ frac {V_in – V_out} {V_in } (I_max) ^ 2 (1+ \ delta) R_ds (on) \ $
Questo mostra che con cicli di lavoro inferiori (Vin più alto), le perdite aumentano.
Quindi noi come cicli di lavoro inferiori (Vin più alto) per linterruttore principale, ma ci piacciono Vin più bassi (ciclo di lavoro inferiore) per linterruttore sincrono; Detto questo, negli ultimi anni sono stati fatti passi da gigante in termini di MOSFET sulla resistenza – vedi ad esempio IRF6718L2 – un \ $ 1 milione \ Omega \ davvero impressionante $ a 4,5 V \ $ V_gs \ $
Nota D1 e D2: questi dovrebbero essere dimensionati per una tensione diretta minima a una corrente appropriata per ridurre al minimo le altre perdite.
Questo è un argomento enorme (che non ottiene necessariamente sufficiente attenzione), ma con la giusta attenzione, è possibile ottenere lefficienza ottimale per una data applicazione.
Answer
La risposta di @BenceKaulics sullefficienza è buona ma non risponde veramente alla domanda originale, per come la vedo io.
La domanda, mentre la leggo, viene fornita con un convertitore buck con una Consumatore 12V @ 200ma dal dispositivo di destinazione, la corrente in ingresso al regolatore dipende dalla tensione in ingresso?
Un regolatore a commutazione mantiene approssimativamente potenza dallingresso alluscita, minore richiesta di alimentazione a cura del regolatore e altre perdite, espresse come efficienza .
Il dispositivo di destinazione consuma 2,4 watt (12 x 0,2). Pertanto, il regolatore di commutazione consumerà dalla sua fonte di alimentazione un po più di 2,4 watt. Se lingresso è di 30 volt, consumerà un po più di 0,08 amp (2,4 / 30). Daltra parte, con 20 volt di ingresso, consumerà un po più di 0,12 ampere (2,4 / 20). Entrambe queste cifre rappresentano 2,4 watt.
Se guardi le curve nel post precedente, vedrai che cè un piccolo cambiamento nellefficienza (forse 78% contro 80%) ma questo ha sminuito dalla variazione dellassorbimento di corrente dovuta alla modifica della tensione ma al mantenimento della potenza.