Cómo lograr la máxima eficiencia de un convertidor Buck

1

Tengo una pregunta sobre el cambio de reguladores reductores. (Como dije en mis preguntas anteriores, tenga en cuenta el hecho de que no soy muy experto, así que no dude en responder / hablar como si fuera un estudiante).

Tomemos un ejemplo práctico de un regulador reductor de conmutación, basado en este IC . (He visto que es ampliamente utilizado y común en varios circuitos):

Necesitamos alimentar un dispositivo que necesita 12 V con un consumo de energía de 200 mA. Ok: tomaremos un circuito de conversión de dinero, y como Vin le proporcionaremos, por ejemplo, un voltaje de 30 V de un paquete de baterías con una capacidad total de 2000mAh, luego estableceremos el Vout del convertidor de dinero a 12V. Pero si queremos usar un número menor de baterías también podemos usar un Vin de 20 voltios o menos: he leído que para el IC de lm2596, el Vin debería ser al menos mayor de 1,5 V que el Vout. .

Estaba pensando: si reduzco 30V (de un paquete de baterías) a 12V, ¿la diferencia de 18V podría ser la razón de un mayor consumo de energía de las baterías? Estoy en lo cierto Por ejemplo, sé que los reguladores lineales (a diferencia de los reguladores de conmutación) tienen una mala eficiencia porque parte de la potencia se perderá como calor. Pero ¿qué pasa con cambiar los reguladores? Hace algunos días, por una búsqueda en Google, he leído de una persona que tenía la necesidad de obtener 5V con un convertidor Buck: alguien le dijo que sería mejor obtener los 5V de un Vin de 18V en lugar de usar un Vin de 12V.

Entonces, tomando nuevamente en consideración mi ejemplo: cuando se usa un regulador de conmutación, ¿es mejor comenzar desde un Vin superior, para obtener un Vout? ¿Por qué?

También me gustaría ver algunos gráficos de los reguladores de conmutación.

    
pregunta Mister D

3 respuestas

5

TI tiene una herramienta, llamada WEBENCH que puede hacer muchas tablas y cálculos para usted. Aquí está su salida con sus parámetros en pdf .

Permítanme destacar el de la eficiencia. Las simulaciones muestran que este IC tiene una mejor eficiencia cuando Vin es de 20 V, pero esta diferencia no es mucho.

NoessoloelVinloqueimporta,sicambialacorrientesuministradade200mAa3A,semostraráungráficodeeficienciadiferente.Enestecaso,elVin=30Veslamejoropción.

Porlogeneral,haytablassimilaresenlashojasdedatossinohaydisponiblesherramientascomoesta.

Sisolonecesita200mA,debeelegirunconvertidorqueseacapazde,digamos300mAdecorrientemáximaenlugarde3A,laeficienciaesmejorcercadelacorrientemáxima.Otroconvertidor,quepuedemanejarunmáximode300mA, tabla de eficiencia de LMR14203 :

Nuevamente es lo peor a 30V, pero es alrededor del 88%, mientras que con el LM2596 es del 79%, lo que representa una diferencia significativa. En 20V está por encima del 90%, lo que es bastante bueno.

    
respondido por el Bence Kaulics
2

Para lograr la máxima eficiencia, debemos comprender dónde pueden existir las pérdidas y qué medidas están disponibles.

Voy a utilizar un circuito más genérico ya que los principios se aplican en todas partes; algunos circuitos ofrecen la libertad de cambiar algunos parámetros para maximizar la eficiencia en una aplicación determinada y otros no.

Para mostrar eso, aquí hay un circuito que expone la ruta de alimentación correctamente:

Heresaltadolasrutasprincipalesdealtacorrienteenrojo;Q1,Q2/Q3,L1yD2ylaresistenciadedeteccióndecorriente.Tengaencuentaquelasunidadesdecompuertapuedentenerunacorrientesignificativasegúnlaaplicación.

LaspérdidasenQ1sonprincipalmenteresistivasycapacitivas,enQ2/Q3resistivasyresistivasenelinductor.Hayunaresistenciasensorialactualenesteesquemaquedisipaalgodepoder,obviamente.

Hay(comosiempre)compensaciones.

Paraelinterruptorprincipal(Q1),laspérdidasporresistenciason:\$\frac{Vout}{Vin}(Imax)^2(1+δ)R_ds(on)\$donde\$\delta\$esladependenciadelatemperaturade\$R_ds(on)\$

Laspérdidascapacitivasparaelinterruptorprincipalestándadaspor:\$k(Vin)^2(Imax)(Crss)(f)\$

Porlotanto,laspérdidasporresistenciaaumentanconciclosdetrabajomásbajos,locualesrazonableyaqueelinterruptorprincipalestáencendidoduranteunaproporciónmayordeltiempoamedidaqueVoutyVinseacercanentresí.

Contrasteestoconeltérminocapacitivoqueesdirectamenteproporcionalalafrecuencia.(kesunaconstanterelacionadaconelinversodelacorrientedelaunidaddepuerta).

Enrealidadhayunpuntodecruce;amenorVin,esdeseableunamenorresistenciadelinterruptor,peroavoltajesdeentradamásaltospuedeserpreferibleunacargatotalmásbajadelacompuerta.

Puedominimizareltamañodelinductor(loqueminimizalosdevanadosy,porlotanto,laresistenciadeCC)aumentandolafrecuenciadeconmutación,peroestoaumentarálaspérdidascapacitivasenQ1.

LaspérdidasenQ2yQ3sedebencompletamentea\$R_ds(on)\$:específicamente

\$P_(sync)=\frac{V_in-V_out}{V_in}(I_max)^2(1+\delta)R_ds(on)\$

Estodemuestraqueamenoresciclosdetrabajo(mayorVin),laspérdidasaumentan.

Asíquenosgustanlosciclosdetrabajomásbajos(Vinmásaltos)paraelinterruptorprincipal,peronosgustanlosciclosmásbajosdeVin(ciclodetrabajomásbajo)paraelinterruptorsíncrono;Dichoesto,sehanlogradograndesavancesenlosúltimosañosentérminosdeMOSFETsobreresistencia.Vea,porejemplo, IRF6718L2 - un impresionante \ $ 1m \ Omega \ $ a 4.5V \ $ V_gs \ $

Nota D1 y D2: estos deben dimensionarse para una tensión directa mínima a una corriente adecuada para minimizar otras pérdidas.

Este es un tema enorme (que no necesariamente recibe suficiente atención), pero con la atención adecuada, se puede lograr la eficiencia óptima para una aplicación determinada.

    
respondido por el Peter Smith
0

La respuesta de @BenceKaulics sobre la eficiencia es buena, pero realmente no responde la pregunta original, como la veo.

A la pregunta que leí, el dispositivo objetivo le asigna un convertidor con un consumidor de 12V @ 200ma. ¿La corriente de entrada al regulador depende de la tensión de entrada?

Un regulador de conmutación mantiene aproximadamente potencia de entrada a salida, menos potencia requerida por el regulador y otras pérdidas, expresadas como eficiencia .

Su dispositivo de destino consume 2.4 vatios (12 x 0.2). Por lo tanto, el regulador de conmutación consumirá de su fuente de alimentación un poco más de 2.4 vatios. Si la entrada es de 30 voltios, consumirá un poco más de 0.08 amperios (2.4 / 30). Por otro lado, con una entrada de 20 voltios, consumirá un poco más de 0,12 amperios (2,4 / 20). Ambas cifras representan 2.4 vatios.

Si observa las curvas en la publicación anterior, verá que hay un pequeño cambio en la eficiencia (tal vez 78% vs. 80%), pero esto empequeñeció con el cambio en el consumo de corriente debido al cambio de voltaje, pero manteniendo el poder.

    
respondido por el DoxyLover