Mam pytanie dotyczące przełączania regulatorów obniżających napięcie. (Jak już wspomniałem w poprzednich pytaniach, proszę wziąć pod uwagę fakt, że nie jestem zbyt ekspertem, więc nie krępuj się odpowiadać / mówić, jakbym był studentem).
Weźmy praktyczny przykład przełączającego regulatora obniżającego, opartego na tym IC . (Widziałem, że jest to szeroko używane i powszechne w różnych obwodach):
Musimy zasilić urządzenie, które potrzebuje 12 V o poborze prądu 200 mA. Ok: weźmiemy obwód konwertera buck, a jako Vin podamy np. napięcie 30 V z pakietu akumulatorów o łącznej pojemności 2000 mAh, wtedy ustawimy Vout przetwornika buck na 12 V. Ale jeśli chcemy wykorzystać mniejszą liczbę akumulatorów możemy również używać z Vin o napięciu 20 lub mniejszym: przeczytałem, że dla układu scalonego lm2596 Vin powinno być co najmniej większe o 1,5 V niż Vout.
Myślałem : Jeśli zredukuję 30V (z pakietu akumulatorów) do 12V, różnica 18V może być przyczyną większego poboru mocy z akumulatorów? Czy mam rację? Np. Wiem, że regulatory liniowe (inaczej niż regulatory przełączające) mają złą wydajność ponieważ część mocy zostanie utracona w postaci ciepła. Ale co z przełączaniem regulatorów? Kilka dni temu, w wyszukiwarce Google, przeczytałem o osobie, która musiała uzyskać 5 V usi ng konwertera Bucka: ktoś mu powiedział, że lepiej byłoby uzyskać 5 V z Vin 18 V zamiast używać Vin 12 V.
Tak więc, biorąc ponownie pod uwagę mój przykład: używając regulatora przełączającego, lepiej zacząć od wyższego Vin, aby uzyskać ten sam Vout? Dlaczego?
Chciałbym również zobaczyć niektóre wykresy regulatorów przełączania.
Odpowiedź
TI ma narzędzie o nazwie WEBENCH , które może wykonać dla Ciebie wiele wykresów i obliczeń. Oto jego wynik z parametrami w pdf .
Pozwólcie, że wyróżnię ten dotyczący wydajności. Symulacje pokazują, że ten układ scalony ma lepszą wydajność, gdy Vin ma napięcie 20 V, ale ta różnica jest niewielka.
Nie tylko Vin ma znaczenie, jeśli zmienisz dostarczany prąd z 200mA na 3A, pojawi się inny wykres wydajności. W tym przypadku lepszym wyborem jest Vin = 30V.
Zwykle w arkuszach danych znajdują się podobne wykresy, jeśli takie narzędzia nie są dostępne.
Jeśli potrzebujesz tylko 200 mA, powinieneś wybrać konwerter, który jest w stanie, niech powiedzmy, że prąd maksymalny 300 mA zamiast 3 A, wydajność jest lepsza w pobliżu prądu maksymalnego. Inny przetwornik, który może zasilać maksymalnie 300 mA, LMR14203 „wykres wydajności:
Znowu jest najgorszy przy 30 V , ale wynosi około 88%, podczas gdy w przypadku LM2596 wynosi 79%, co jest znaczącą różnicą. Na 20V jest powyżej 90%, co jest całkiem dobre.
Odpowiedź
Aby osiągnąć maksymalną wydajność, musimy zrozumieć, gdzie straty mogą istnieć i jakie środki są dostępne.
Zamierzam użyć bardziej ogólnego obwodu, ponieważ zasady mają zastosowanie wszędzie; niektóre obwody oferują swobodę zmiany niektórych parametrów w celu maksymalizacji wydajności w danej aplikacji, a inne nie.
Aby to pokazać, oto obwód, który prawidłowo eksponuje ścieżkę zasilania:
Podkreśliłem główne ścieżki wysokiego prądu na czerwono; Q1, Q2 / Q3, L1 i D2 oraz rezystor czujnikowy prądu. Zauważ, że napędy bramek mogą mieć znaczny prąd w zależności od zastosowania.
Straty w Q1 są głównie rezystancyjne i pojemnościowe, w Q2 / Q3 rezystancyjne i rezystancyjne w cewce. W tym schemacie występuje rezystor pomiarowy prądu, który oczywiście rozprasza część mocy.
Istnieją (jak zawsze) kompromisy.
W przypadku głównego przełącznika (Q1) rezystancyjny straty to: \ $ \ frac {Vout} {Vin} (Imax) ^ 2 (1 + δ) R_ds (on) \ $ gdzie \ $ \ delta \ $ jest zależnością od temperatury \ $ R_ds (on) \ $
Straty pojemnościowe dla wyłącznika głównego są obliczane przez: \ $ k (Vin) ^ 2 (Imax) (Crss) (f) \ $
Zatem straty rezystancyjne rosną wraz z niższymi cykle pracy, co jest rozsądne, ponieważ główny przełącznik jest włączony przez dłuższy czas, gdy Vout i Vin zbliżają się do siebie.
Porównaj to z terminem pojemnościowym, który jest wprost proporcjonalny do częstotliwości. (k jest stałą związaną z odwrotnością prądu sterowania bramką).
W rzeczywistości istnieje punkt przecięcia; przy niższym Vin, niższa rezystancja przełącznika jest pożądana, ale przy wyższych napięciach wejściowych niższy całkowity ładunek bramki może być preferowany.
Mogę zminimalizować rozmiar cewki indukcyjnej (co minimalizuje uzwojenia, a tym samym rezystancję prądu stałego), zwiększając częstotliwość przełączania, ale spowoduje to wzrost strat pojemnościowych w Q1.
Straty w drugim i trzecim kwartale są całkowicie spowodowane \ $ R_ds (on) \ $: konkretnie
\ $ P_ (sync) = \ frac {V_in – V_out} {V_in } (I_max) ^ 2 (1+ \ delta) R_ds (on) \ $
To pokazuje, że przy niższych cyklach pracy (wyższe Vin) straty rosną.
Więc my jak niższe cykle pracy (wyższe Vin) dla głównego przełącznika, ale lubimy niższe Vin (niższy cykl pracy) dla przełącznika synchronicznego; To powiedziawszy, w ostatnich latach poczyniono ogromne postępy w zakresie MOSFET-u w zakresie oporu – patrz na przykład IRF6718L2 – bardzo imponujący \ $ 1m \ Omega \ $ przy 4,5 V \ $ V_gs \ $
Uwaga D1 i D2 – powinny one być dobrane pod kątem minimalnego napięcia przewodzenia przy odpowiednim prądzie, aby zminimalizować inne straty.
To ogromny temat (to niekoniecznie przyciąga wystarczającą uwagę), ale przy odpowiedniej uwadze można osiągnąć optymalną wydajność dla danej aplikacji.
Odpowiedź
Odpowiedź @BenceKaulics na temat wydajności jest dobra, ale tak naprawdę nie odpowiada na pierwotne pytanie, tak jak ja je widzę.
Pytanie, które czytam, otrzymuje przelicznik dolara z Odbiornik 12 V przy 200 mA przez urządzenie docelowe, czy prąd wejściowy regulatora zależy od napięcia wejściowego?
Regulator przełączający z grubsza utrzymuje moc od wejścia do wyjścia, mniejsze zapotrzebowanie na moc przez regulator i inne straty, wyrażone jako sprawność .
Twoje urządzenie docelowe zużywa 2,4 wata (12 x 0,2). Dlatego regulator przełączający będzie zużywał ze źródła zasilania nieco ponad 2,4 wata. Jeśli napięcie wejściowe ma 30 woltów, zużywa nieco więcej niż 0,08 ampera (2,4 / 30). Z drugiej strony, przy wejściu 20 woltów pobierze nieco więcej niż 0,12 A (2,4 / 20). Obie te liczby reprezentują 2,4 wata.
Jeśli spojrzysz na krzywe w poprzednim poście, zobaczysz, że nastąpiła niewielka zmiana w wydajności (może 78% w porównaniu z 80%), ale to przyćmiło przez zmianę poboru prądu spowodowaną zmianą napięcia, ale utrzymaniem mocy.