Jag har en fråga om hur man byter nedstegsregulatorer. (Som jag sade i mina tidigare frågor, tänk på att jag inte är särskilt expert, så gärna svara / prata som om jag var student.)
Låt oss ta en praktisk exempel på en växlingsstegregulator, baserad på denna IC . (Jag har sett att det i stor utsträckning används och är vanligt i olika kretsar):
Vi måste mata en enhet som behöver 12V med en strömförbrukning på 200mA. Ok: Vi tar en krets med omvandlare, och eftersom Vin tillhandahåller vi till exempel en spänning på 30V från ett batteripaket med en total kapacitet på 2000mAh, så ställer vi in Vout på buck-omvandlaren till 12V. Men om vi vill använda ett mindre antal av batterier kan vi också gå med en Vin på 20 eller mindre volt: Jag har läst att för lm2596 IC, Vin, borde vara åtminstone större än 1,5 V än Vout.
Jag tänkte : Om jag sänker 30V (från ett batteripaket) till 12V, kan skillnaden på 18V vara orsaken till en högre strömförbrukning från batterierna. för att en del av kraften kommer att gå förlorad som värme. Men hur är det med att byta regulator? För några dagar sedan, genom en sökning på Google, har jag läst om en person som hade behov av att få 5V usi ng en Buck-omvandlare: någon sa till honom att det skulle vara bättre att få 5V från en Vin på 18V istället för att använda en Vin på 12V.
Så med tanke på mitt exempel igen: när du använder en växelregulator, är bättre att börja från en högre Vin, för att få samma Vout? Varför?
Jag skulle också vilja se några diagram över växlingsregulatorerna.
Svar
TI har ett verktyg som heter WEBENCH som kan göra många diagram och beräkningar för dig. Här är dess utdata med dina parametrar i pdf .
Låt mig markera den om effektiviteten. Simuleringarna visar att denna IC har bättre effektivitet när Vin är 20V, men denna skillnad är inte så mycket.
Det är inte bara Vin som är viktigt, om du ändrar den levererade strömmen från 200mA till 3A kommer ett annat effektivitetsdiagram att visas. I detta fall är Vin = 30V det bättre valet.
Vanligtvis finns det liknande diagram i datablad om verktyg som detta inte är tillgängliga.
Om du bara behöver 200 mA, bör du välja omvandlare som kan, låt oss säg 300mA maximal ström istället för 3A, effektiviteten är bättre nära maxströmmen. En annan omvandlare, som kan driva max 300mA, LMR14203 ”s effektivitetsdiagram:
Det är återigen det värsta vid 30V , men det är cirka 88% medan det med LM2596 är 79% vilket är en signifikant skillnad. På 20V är det över 90% vilket är ganska bra.
Svar
För att uppnå maximal effektivitet måste vi förstå var förluster kan existera och vilka åtgärder som finns tillgängliga.
Jag ska använda en mer generisk krets eftersom principerna gäller överallt; vissa kretsar erbjuder friheten att ändra vissa parametrar för att maximera effektiviteten i en given applikation och andra inte.
För att visa det, här är en krets som exponerar kraftvägen ordentligt:
Jag har markerat de primära höga strömvägarna i rött; Q1, Q2 / Q3, L1 och D2 och strömavkänningsmotståndet. Observera att gate-drivenheterna kan ha betydande ström beroende på applikation.
Förlusterna i Q1 är främst resistiva och kapacitiva, i Q2 / Q3 resistive och resistive i induktorn. Det finns ett nuvarande avkänningsmotstånd i detta schema som uppenbarligen släpper ut lite kraft.
Det finns (som alltid) avvägningar.
För huvudströmbrytaren (Q1) är den resistiva förluster är: \ $ \ frac {Vout} {Vin} (Imax) ^ 2 (1 + δ) R_ds (on) \ $ där \ $ \ delta \ $ är temperaturberoendet för \ $ R_ds (on) \ $
De kapacitiva förlusterna för huvudströmställaren ges av: \ $ k (Vin) ^ 2 (Imax) (Crss) (f) \ $
Så de resistiva förlusterna ökar med lägre driftscykler vilket är rimligt eftersom huvudströmbrytaren är på under en längre del av tiden när Vout och Vin närmar sig varandra.
Kontrastera det med den kapacitiva termen som är direkt proportionell mot frekvensen. (k är en konstant som är relaterad till det inversa av gate-drivströmmen).
Det finns faktiskt en delningspunkt; vid lägre Vin är lägre omkopplingsmotstånd önskvärt, men vid högre ingångsspänningar kan lägre total grindladdning vara att föredra.
Jag kan minimera induktorns storlek (vilket minimerar lindningar och därmed likströmsmotstånd) genom att öka omkopplingsfrekvensen, men detta kommer att öka de kapacitiva förlusterna under Q1.
Förlusterna i Q2 och Q3 beror helt på \ $ R_ds (on) \ $: specifikt
\ $ P_ (sync) = \ frac {V_in – V_out} {V_in } (I_max) ^ 2 (1+ \ delta) R_ds (on) \ $
Detta visar att vid lägre arbetscykler (högre Vin) ökar förlusterna.
Så vi som lägre arbetscykler (högre Vin) för huvudströmställaren, men vi gillar lägre Vin (lägre arbetscykel) för den synkrona omkopplaren; som sagt, stora framsteg har gjorts de senaste åren när det gäller MOSFET på motstånd – se till exempel IRF6718L2 – en mycket imponerande \ $ 1m \ Omega \ $ vid 4,5V \ $ V_gs \ $
Anmärkning D1 och D2 – dessa bör dimensioneras för minsta framspänning vid en lämplig ström för att minimera andra förluster.
Detta är ett enormt ämne (som inte nödvändigtvis får tillräckligt med uppmärksamhet), men med rätt uppmärksamhet kan den optimala effektiviteten för en given applikation uppnås.
Svar
@BenceKaulics svar om effektivitet är bra men svarar inte riktigt på den ursprungliga frågan, som jag ser den.
Frågan när jag läser den får en buck-converter med en out of 12V @ 200ma förbrukare av målenheten, beror ingångsströmmen till regulatorn på ingångsspänningen?
En omkopplingsregulator bibehåller ungefär effekt från ingång till utgång, mindre strömbehov redigerad av regulatorn och andra förluster, uttryckt som effektivitet .
Din målenhet förbrukar 2,4 watt (12 x 0,2). Därför kommer kopplingsregulatorn att förbruka lite mer än 2,4 watt från sin strömkälla. Om ingången är 30 volt förbrukar den lite mer än 0,08 ampere (2,4 / 30). Å andra sidan, med 20 volt ingång, kommer den att förbruka lite mer än 0,12 ampere (2,4 / 20). Båda dessa siffror representerar 2,4 watt.
Om du tittar på kurvorna i föregående inlägg ser du att det finns en liten förändring i effektivitet (kanske 78% jämfört med 80%) men den här dvärgade genom förändringen i strömförbrukningen på grund av att spänningen ändras men effekten bibehålls.