Cómo conseguir el máximo rendimiento de un convertidor Buck

Question

Tengo una pregunta sobre la conmutación de reguladores reductores. (Como he dicho en mis preguntas anteriores, por favor considere el hecho de que no soy muy experto, así que siéntase libre de responder / hablar como si yo fuera un estudiante).

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

Necesitamos alimentar un dispositivo que necesita 12V con un consumo de 200mA. Ok: Tomaremos un circuito convertidor buck, y como Vin proporcionaremos, por ejemplo, un voltaje de 30V desde un pack de baterías con una capacidad total de 2000mAh, entonces ajustaremos la Vout del convertidor buck a 12V. Pero si queremos hacer uso de un menor número de baterías también podemos ir con un Vin de 20 o menos voltios: He leído que para el lm2596 IC, el Vin, debe ser al menos mayor de 1,5V 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 energía se pierde en forma de calor. ¿Pero qué pasa con los reguladores de conmutación? Hace unos días, buscando en Google, leí de una persona que necesitaba obtener 5V usando 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 de nuevo en consideración mi ejemplo: cuando se utiliza un regulador de conmutación, ¿es mejor partir de un Vin más alto, para obtener un mismo Vout? ¿Por qué?

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

Answer 1

TI tiene una herramienta, llamada WEBENCH que puede hacer un montón de gráficos y calcualtions para usted. Aquí está su salida con sus parámetros en pdf .

Permítanme destacar la relativa a la eficacia. Las simulaciones muestran que este CI tiene una mejor eficiencia cuando Vin es 20V, pero esta diferencia no es mucha.

No es sólo el Vin lo que importa, si cambias la corriente suministrada de 200mA a 3A se mostrará un gráfico de eficiencia diferente. En este caso el Vin = 30V es la mejor opción.

Si no se dispone de este tipo de herramientas, suele haber gráficos similares en las fichas técnicas.

Si sólo necesitas 200mA, debes elegir un convertidor que sea capaz de, digamos 300mA de corriente máxima en lugar de 3A, la eficiencia es mejor cerca de la corriente máxima. Otro convertidor, que puede conducir max 300mA, LMR14203 de eficiencia:

Vuelve a ser el peor a 30 V, pero ronda el 88%, mientras que con el LM2596 es del 79%, lo cual es una diferencia significativa. A 20V está por encima del 90%, lo que está bastante bien.

Answer 2

Para lograr la máxima eficiencia, tenemos que saber dónde puede haber pérdidas y qué medidas hay 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 demostrarlo, he aquí un circuito que expone correctamente la ruta de alimentación:

He resaltado las rutas primarias de alta corriente en rojo; Q1, Q2/Q3, L1 y D2 y la resistencia sensora de corriente. Tenga en cuenta que los accionamientos de puerta pueden tener una corriente significativa dependiendo de la aplicación.

Las pérdidas en Q1 son principalmente resistivas y capacitivas, en Q2/Q3 resistivas y resistivas en el inductor. En este esquema hay una resistencia sensora de corriente que disipa algo de potencia, obviamente.

Como siempre, hay compensaciones.

Para el interruptor principal (Q1), las pérdidas resistivas son: \$\frac {Vout} {Vin} (Imax)^2 (1+δ)R_ds(on)\$ donde \$\delta\$ es la dependencia de la temperatura de \$R_ds(on)\$

Las pérdidas capacitivas para el interruptor principal vienen dadas por: \$k(Vin)^2 (Imax)(Crss)(f)\$

Por lo tanto, las pérdidas resistivas aumentan con ciclos de trabajo más bajos, lo cual es razonable ya que el interruptor principal está encendido durante una mayor proporción de tiempo a medida que Vout y Vin se aproximan.

En cambio, el término capacitivo es directamente proporcional a la frecuencia. (k es una constante relacionada con la inversa de la corriente de accionamiento de la puerta).

En realidad hay un punto de cruce; a menor Vin, es deseable una menor resistencia de conmutación, pero a mayores tensiones de entrada puede ser preferible una menor carga total de puerta.

Puedo minimizar el tamaño del inductor (lo que minimiza los devanados y, por tanto, la resistencia de CC) aumentando la frecuencia de conmutación, pero esto aumentará las pérdidas capacitivas en Q1.

Las pérdidas del segundo y tercer trimestre se deben totalmente a \$ R_ds(on)\$ : en concreto

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

Esto muestra que a ciclos de trabajo más bajos (mayor Vin), las pérdidas aumentan.

Así que nos gustan los ciclos de trabajo más bajos (Vin más alto) para el interruptor principal, pero nos gusta Vin más bajo (ciclo de trabajo más bajo) para el interruptor síncrono; dicho esto, se han hecho grandes avances en los últimos años en términos de MOSFET en la resistencia - ver por ejemplo, el IRF6718L2 - un impresionante \$1m\Omega\$ a 4,5 V \$V_gs\$

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

Se trata de un tema enorme (al que no necesariamente se presta suficiente atención), pero con la atención adecuada se puede lograr la eficiencia óptima para una aplicación determinada.

Answer 3

@BenceKaulics respuesta acerca de la eficiencia es buena, pero en realidad no responde a la pregunta original, como yo lo veo.

La pregunta tal y como yo la leo, es dado un buck-converter con una salida de 12V @ 200ma consumido por el dispositivo de destino, ¿la corriente de entrada al regulador depende de la tensión de entrada?

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

Tu dispositivo objetivo consume 2,4 vatios (12 x 0,2). Por tanto, el regulador de conmutación consumirá de su fuente de alimentación algo más de 2,4 vatios. Si la entrada es de 30 voltios, consumirá algo más de 0,08 amperios (2,4 / 30). En cambio, si la entrada es de 20 voltios, consumirá algo más de 0,12 amperios (2,4 / 20). Ambas cifras representan 2,4 vatios.

Si observas las curvas de la publicación anterior, verás que hay un pequeño cambio en la eficiencia (quizá 78% frente a 80%), pero éste queda empequeñecido por el cambio en el consumo de corriente debido al cambio de voltaje pero manteniendo la potencia.