Ik heb een vraag over het schakelen van step-down regulators. (Zoals ik in mijn vorige vragen al zei, houd er dan rekening mee dat ik “niet erg deskundig ben, dus voel je vrij om te antwoorden / te praten alsof ik een student ben.)
Laten we eens kijken naar een praktische voorbeeld van een schakelende step-down regulator, gebaseerd op deze IC . (Ik heb gezien dat dit grotendeels wordt gebruikt en veel voorkomt in verschillende circuits):
We moeten een apparaat voeden dat 12V nodig heeft met een stroomverbruik van 200mA. Ok: we nemen een omvormercircuit, en als Vin leveren we bijvoorbeeld een spanning van 30V uit een batterijpakket met een totale capaciteit van 2000mAh, dan zetten we de Vout of the buck converter op 12V. Maar als we gebruik willen maken van een kleiner aantal van batterijen kunnen we ook gaan met een Vin van 20 of minder volt: ik heb gelezen dat voor de lm2596 IC, de Vin, minstens 1,5V groter moet zijn dan de Vout.
Ik zat te denken : Als ik 30V (van een accupakket) reduceer naar 12V, kan het verschil van 18V de oorzaak zijn van een hoger stroomverbruik van de accus? Klopt dat? Ik weet bijvoorbeeld dat lineaire regelaars (anders dan schakelende regelaars) een slecht rendement hebben omdat een deel van het vermogen verloren gaat als warmte. Maar hoe zit het met het wisselen van regelaar? Een paar dagen geleden heb ik via een zoekopdracht op Google gelezen dat iemand 5V usi nodig had ng een Buck-converter: iemand vertelde hem dat het beter zou zijn om de 5V uit een Vin van 18V te halen in plaats van een Vin van 12V te gebruiken.
Dus, nogmaals mijn voorbeeld in overweging nemend: bij het gebruik van een schakelende regelaar, is het beter om te beginnen met een hogere Vin, om dezelfde Vout te krijgen? Waarom?
Ik “zou ook graag wat grafieken willen zien van de schakelende regulatoren.
Antwoord
TI heeft een tool genaamd WEBENCH die veel grafieken en berekeningen voor je kan maken. Hier is de uitvoer met uw parameters in pdf .
Laat me die over de efficiëntie benadrukken. De simulaties laten zien dat dit IC een betere efficiëntie heeft wanneer Vin 20V is, maar dit verschil is niet zo veel.
Het is niet alleen de Vin die telt, als je de geleverde stroom verandert van 200mA naar 3A zal een andere efficiëntie-grafiek getoond worden. In dit geval is de Vin = 30V de betere keuze.
Gewoonlijk zijn er vergelijkbare grafieken in de datasheets als dergelijke tools niet beschikbaar zijn.
Als je maar 200mA nodig hebt, zou je een converter moeten kiezen die in staat is, laten we zeg 300mA maximale stroom in plaats van 3A, efficiëntie is beter in de buurt van de maximale stroom. Een andere converter, die max. 300mA kan aansturen, LMR14203 “s efficiëntietabel:
Het is opnieuw het slechtste met 30V , maar het is ongeveer 88%, terwijl het bij de LM2596 79% is, wat een significant verschil is. Op 20V is het meer dan 90%, wat redelijk goed is.
Antwoord
Om maximale efficiëntie te bereiken, moeten we begrijpen waar verliezen kunnen bestaan, en welke maatregelen zijn beschikbaar.
Ik ga een meer generiek circuit gebruiken aangezien de principes overal gelden; sommige circuits bieden de vrijheid om sommige parameters te wijzigen om de efficiëntie in een bepaalde applicatie te maximaliseren en andere niet.
Om dat te laten zien, is hier een circuit dat het stroompad correct vrijgeeft:
Ik heb de primaire paden voor hoge stromen rood gemarkeerd; Q1, Q2 / Q3, L1 en D2 en de current sense-weerstand. Merk op dat de poortaandrijvingen een aanzienlijke stroom kunnen hebben, afhankelijk van de toepassing.
De verliezen in Q1 zijn voornamelijk resistief en capacitief, in Q2 / Q3 resistief en resistief in de inductor. Er is een current sense-weerstand in dit schema die natuurlijk wat vermogen dissipeert.
Er zijn (zoals altijd) compromissen.
Voor de hoofdschakelaar (Q1), de resistieve verliezen zijn: \ $ \ frac {Vout} {Vin} (Imax) ^ 2 (1 + δ) R_ds (on) \ $ waarbij \ $ \ delta \ $ de temperatuurafhankelijkheid is van \ $ R_ds (on) \ $
De capacitieve verliezen voor de hoofdschakelaar worden gegeven door: \ $ k (Vin) ^ 2 (Imax) (Crss) (f) \ $
Dus de weerstandsverliezen nemen toe met lagere werkcycli, wat redelijk is omdat de hoofdschakelaar voor een langer deel van de tijd aan staat als Vout en Vin elkaar naderen.
Vergelijk dit met de capacitieve term die recht evenredig is met de frequentie. (k is een constante gerelateerd aan de inverse van de poortaandrijfstroom).
Er is eigenlijk een crossover-punt; bij lagere Vin is een lagere schakelweerstand wenselijk, maar bij hogere ingangsspanningen kan een lagere totale poortlading de voorkeur hebben.
Ik kan de grootte van de inductor minimaliseren (waardoor wikkelingen en dus DC-weerstand worden geminimaliseerd) door de schakelfrequentie te verhogen, maar dit zal de capacitieve verliezen in Q1 vergroten.
De verliezen in Q2 en Q3 zijn volledig te wijten aan \ $ R_ds (on) \ $: specifiek
\ $ P_ (sync) = \ frac {V_in – V_out} {V_in } (I_max) ^ 2 (1+ \ delta) R_ds (on) \ $
Dit toont aan dat bij lagere bedrijfscycli (hogere Vin) de verliezen toenemen.
Dus we houden van lagere inschakelduur (hogere Vin) voor de hoofdschakelaar, maar we houden van lagere Vin (lagere inschakelduur) voor de synchrone schakelaar; dat gezegd hebbende, er zijn de afgelopen jaren enorme vooruitgang geboekt in termen van MOSFET op weerstand – zie bijvoorbeeld de IRF6718L2 – een zeer indrukwekkende \ $ 1m \ Omega \ $ bij 4.5V \ $ V_gs \ $
Opmerking D1 en D2 – deze moeten worden gedimensioneerd voor een minimale doorlaatspanning bij een geschikte stroom om andere verliezen te minimaliseren.
Dit is een enorm onderwerp (dat hoeft niet noodzakelijk genoeg aandacht te krijgen), maar met de juiste aandacht kan de optimale efficiëntie voor een bepaalde toepassing worden bereikt.
Antwoord
Het antwoord van @BenceKaulics over efficiëntie is goed, maar beantwoordt niet echt de oorspronkelijke vraag, zoals ik die zie.
De vraag terwijl ik hem lees, krijgt een buck-converter met een out of 12V @ 200ma verbruiker door het doelapparaat, hangt de ingangsstroom naar de regelaar af van de ingangsspanning?
Een schakelende regelaar behoudt ruwweg vermogen van input naar output, minder stroom nodig ed door de toezichthouder en andere verliezen, uitgedrukt als efficiëntie .
Uw doelapparaat verbruikt 2,4 watt (12 x 0,2). Daarom verbruikt de schakelende regelaar iets meer dan 2,4 watt van zijn stroombron. Als de input 30 volt is, verbruikt hij iets meer dan 0,08 ampère (2,4 / 30). Aan de andere kant, met een ingang van 20 volt, verbruikt hij iets meer dan 0,12 ampère (2,4 / 20). Beide cijfers vertegenwoordigen 2,4 watt.
Als je naar de curves in de vorige publicatie kijkt, zie je dat er een kleine verandering in efficiëntie is (misschien 78% versus 80%), maar door de verandering in stroomafname als gevolg van het veranderen van de spanning maar met behoud van het vermogen.