So erreichen Sie den maximalen Wirkungsgrad eines Abwärtswandlers

TI hat ein Tool namens WEBENCH , das viele Diagramme und Berechnungen für Sie erstellen kann. Hier ist die Ausgabe mit Ihren Parametern im PDF-Format .

Lassen Sie mich die über die Effizienz hervorheben. Die Simulationen zeigen, dass dieser IC einen besseren Wirkungsgrad hat, wenn Vin 20 V beträgt, aber dieser Unterschied ist nicht so groß.

Es ist nicht nur der Vin wichtig, wenn Sie den zugeführten Strom von 200 mA auf 3 A ändern, wird ein anderes Effizienzdiagramm angezeigt. In diesem Fall ist Vin = 30V die bessere Wahl.

Normalerweise gibt es ähnliche Diagramme in den Datenblättern, wenn solche Tools nicht verfügbar sind.

Wenn Sie nur 200 mA benötigen, sollten Sie einen Konverter wählen, der beispielsweise einen maximalen Strom von 300 mA anstelle von 3 A erreichen kann. Der Wirkungsgrad ist in der Nähe des maximalen Stroms besser. Ein weiterer Konverter, der maximal 300 mA treiben kann, ist das Effizienzdiagramm von LMR14203 :

Bei 30 V ist es wieder am schlechtesten, aber es liegt bei etwa 88 %, während es beim LM2596 79 % sind, was einen signifikanten Unterschied darstellt. Bei 20 V sind es über 90 %, was ziemlich gut ist.

Um maximale Effizienz zu erreichen, müssen wir verstehen, wo Verluste auftreten können und welche Maßnahmen zur Verfügung stehen.

Ich werde eine allgemeinere Schaltung verwenden, da die Prinzipien überall gelten; Einige Schaltungen bieten die Freiheit, einige Parameter zu ändern, um die Effizienz in einer bestimmten Anwendung zu maximieren, andere nicht.

Um das zu zeigen, hier ist eine Schaltung, die den Strompfad richtig freilegt:

Ich habe die primären Hochstrompfade rot hervorgehoben; Q1, Q2/Q3, L1 und D2 und der Strommesswiderstand. Beachten Sie, dass die Gate-Treiber je nach Anwendung einen erheblichen Strom haben können.

Die Verluste in Q1 sind hauptsächlich ohmsch und kapazitiv, in Q2/Q3 ohmsch und ohmsch in der Induktivität. In diesem Schema gibt es einen Strommesswiderstand, der offensichtlich etwas Leistung verbraucht.

Es gibt (wie immer) Kompromisse.

Für den Hauptschalter (Q1) betragen die Widerstandsverluste:$\frac {Vout} {Vin} (Imax)^2 (1+δ)R_ds(on)$Wo$\delta$ist die Temperaturabhängigkeit von$R_ds(on)$

Die kapazitiven Verluste für den Hauptschalter sind gegeben durch:$k(Vin)^2 (Imax)(Crss)(f)$

Daher steigen die Widerstandsverluste mit niedrigeren Arbeitszyklen, was vernünftig ist, da der Hauptschalter für einen längeren Teil der Zeit eingeschaltet ist, wenn sich Vout und Vin annähern.

Vergleichen Sie dies mit dem kapazitiven Term, der direkt proportional zur Frequenz ist. (k ist eine Konstante, die sich auf den Kehrwert des Gate-Ansteuerstroms bezieht).

Es gibt tatsächlich einen Übergangspunkt; bei niedrigerem Vin ist ein niedrigerer Schalterwiderstand wünschenswert, aber bei höheren Eingangsspannungen kann eine niedrigere Gesamt-Gate-Ladung vorzuziehen sein.

Ich kann die Induktorgröße minimieren (was die Wicklungen und damit den Gleichstromwiderstand minimiert), indem ich die Schaltfrequenz erhöhe, aber dies erhöht die kapazitiven Verluste in Q1.

Die Verluste in Q2 und Q3 sind komplett darauf zurückzuführen$R_ds(on)$: speziell

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

Dies zeigt, dass bei niedrigeren Arbeitszyklen (höherer Vin) die Verluste zunehmen.

Wir mögen also niedrigere Arbeitszyklen (höhere Vin) für den Hauptschalter, aber wir mögen niedrigere Vin (niedrigere Arbeitszyklus) für den Synchronschalter; Allerdings wurden in den letzten Jahren große Fortschritte in Bezug auf den MOSFET-On-Widerstand gemacht – siehe zum Beispiel den IRF6718L2 – ein sehr beeindruckender$1m\Omega$bei 4,5V$V_gs$

Beachten Sie D1 und D2 - diese sollten für eine minimale Durchlassspannung bei einem geeigneten Strom bemessen sein, um andere Verluste zu minimieren.

Dies ist ein enormes Thema (das nicht unbedingt genug Aufmerksamkeit erhält), aber mit der richtigen Aufmerksamkeit kann die optimale Effizienz für eine bestimmte Anwendung erreicht werden.

@BenceKaulics Antwort zur Effizienz ist gut, beantwortet aber meiner Meinung nach die ursprüngliche Frage nicht wirklich.

Die Frage, wie ich sie lese, wird vom Zielgerät ein Abwärtswandler mit einem Verbraucher von 12 V bei 200 mA angegeben. Hängt der Eingangsstrom zum Regler von der Eingangsspannung ab?

Ein Schaltregler hält ungefähr die Leistung vom Eingang zum Ausgang aufrecht, weniger vom Regler benötigte Leistung und andere Verluste, ausgedrückt als Wirkungsgrad .

Ihr Zielgerät verbraucht 2,4 Watt (12 x 0,2). Daher wird der Schaltregler von seiner Stromquelle etwas mehr als 2,4 Watt verbrauchen. Wenn der Eingang 30 Volt beträgt, verbraucht er etwas mehr als 0,08 Ampere (2,4 / 30). Andererseits verbraucht es bei 20 Volt Eingang etwas mehr als 0,12 Ampere (2,4 / 20). Beide Zahlen repräsentieren 2,4 Watt.

Wenn Sie sich die Kurven im vorherigen Beitrag ansehen, werden Sie feststellen, dass es eine kleine Änderung des Wirkungsgrads gibt (vielleicht 78 % gegenüber 80 %), die jedoch durch die Änderung der Stromaufnahme aufgrund der Änderung der Spannung bei gleichbleibender Leistung in den Schatten gestellt wird .