Schaltregler für Dummies

Schaltregler für Dummies

Zeitstempel: 22. Januar 2024, 1:00 Uhr
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In unseren Konstruktionen verwenden wir häufig Linearregler. Sie sind günstig und einfach – man setzt den Reglerchip selbst auf die Platine, fügt zwei Kondensatoren hinzu und erhält eine Spannung. Linearregler sind natürlich unvollkommen – sie können die Spannungsdifferenz zunächst einmal als Wärme verschwenden, was sie für Hochstromzwecke oder die Umwandlung erheblicher Spannungsdifferenzen geradezu ausschließt, es sei denn, Sie haben einen großen Kühlkörper zur Hand. Sie können die Spannung auch nicht erhöhen, was bedeutet, dass Sie nur von hoch auf niedrig wechseln können – eine kleine Enttäuschung.

Natürlich haben wir nicht einfach die Hände in die Luft geworfen, wenn ein Linearregler nicht zu unserem Zweck passt. Schaltregler haben keinen dieser Nachteile, weshalb allein Ihr Mobiltelefon ein paar Dutzend davon hat. Sie sind viel effizienter und hochmoderner und können eine Spannung in eine andere umwandeln, ohne dabei Energie in Wärme zu verlieren. Alles, was Sie tun müssen, ist, einen Induktor mit einer etwas hohen Frequenz zu schalten!

Für einige könnte der Wechsel der Regulierungsbehörden jedoch etwas einschüchternd wirken. Im Vergleich zu Linearreglern stellen sie tendenziell höhere Anforderungen an das Platinenlayout und benötigen eine Induktivität – manchmal auch ein paar weitere Komponenten. Allein Induktivitäten sind etwas einschüchternde Komponenten mit deutlich mehr Parametern, als wir erwarten würden, und Sie könnten verwirrt sein, wenn Sie überlegen, einen Schaltregler in Ihre Schaltung einzubauen.

Nicht mehr! In diesem Artikel werde ich Ihnen die Grundlagen des Schaltreglers vermitteln, jeglichen Nebel aus dem Weg räumen, der Ihre Sicht trüben könnte, und Ihnen zeigen, wie einfach Sie bei Bedarf ein paar gute Ampere bei Ihrer Lieblingsspannung bekommen können.

Finden Sie Ihre Favoriten

Es gibt unzählige Schaltregler, die Sie für viele verschiedene Zwecke verwenden können! Beispielsweise können Abwärtsregler die Spannung nur verringern, Aufwärtsregler können sie nur erhöhen, während Abwärts-Aufwärtsregler beides können, sodass Sie beispielsweise 12 V aus einem LiIon-Akku erhalten können, der zwischen 10 V und 14.4 V variiert. Es gibt zwei Möglichkeiten, wie Sie Freunde von Schaltreglern finden können: Entweder Sie besorgen sich Teilenummern von den Schaltkreisen anderer, oder Sie gehen zu Digikey/Mouser/usw. und schauen sich deren Angebote an.

Für die meisten denkbaren Zwecke gibt es Schaltregler. Möchten Sie 12 V in ein paar Ampere 5 V oder 3.3 V umwandeln? Hier haben Sie eine Menge Möglichkeiten! Möchten Sie aus der LiIon-Spannung 5 V oder 3.3 V machen? Genau für diesen Zweck gibt es eine ganze Reihe von Regulierungsbehörden! Ein extrem stromsparender Regler, der aus zwei AA-Batterien 3.3 V für Ihren ESP8266 erzeugt? Du hast es! Und die einfachste Möglichkeit besteht darin, einen Schaltkreis von einem vorhandenen, einigermaßen offenen oder nur öffentlich sichtbaren Design zu übernehmen.

Zum Beispiel gibt es eine Menge verschiedener „DC-DC“-Boards, die Sie schnell online finden können – allein auf Aliexpress gibt es Dutzende beliebter Designs und auch eine Menge unbekannterer Designs. Geben Sie einfach „Step-down DC-DC 5V“ ein, eine beliebige Konfiguration/Spannung, suchen Sie nach einigen Auflistungen, die tatsächlich korrekt sind, und sehen Sie, welcher Chip verwendet wird. Können Sie das Datenblatt finden? Kann man es problemlos kaufen? Einige Angebote täuschen über den aktuellen Wert. Kann der Chip also tatsächlich das produzieren, was Sie benötigen? Wenn ja, sind Sie bereit!

Natürlich können Sie diese Module für viele Zwecke wiederverwenden und müssen sich nicht um die Suche nach eigenen Designs kümmern. In den meisten Fällen lohnt es sich jedoch, eine eigene Schaltreglerschaltung zu erstellen – sowohl im Hinblick auf den Preis als auch auf die Stabilität Ihrer Schaltung! Ein offenes Geheimnis ist zum Beispiel, dass diese Module oft über schlecht geeignete Induktoren verfügen, entweder über die billigsten Teile oder einfach nur über falsch berechnete Werte. So oft muss man nur den Induktor austauschen, um zu sehen, wie der Ausgangsstrom in die Höhe schnellt und auch die Wärmeabgabe insgesamt abnimmt!

Oft handelt es sich bei den auf diesen Modulen verwendeten Schaltregler-ICs auch um die günstigsten Chips, die es gibt, und es gibt bessere ICs für kaum mehr Geld. Besuchen Sie also die Schaltregler-Teileauswahl auf Ihrer Lieblingsteile-Website – Digikey/LCSC/Mouser oder was auch immer. Geben Sie die gewünschten Eingangs- und Ausgangsspannungsbereiche sowie den maximalen Strom mit etwas Spielraum ein, kreuzen Sie „Auf Lager“ an, sortieren Sie nach Preis und sehen Sie, wie weit Sie unter 1 $ kommen können!

Meine persönlichen Favoriten in letzter Zeit sind einige. PAM2306 ist ein Dual-Rail-Abwärtsregler mit 3.3 V/1 A, der eine Einschaltdauer von 100 % erreichen kann, was bei der Stromversorgung von Geräten über einen LiIon- oder LiFePO4-Akku enorm hilfreich ist. AP63200 kann 5 V oder 3.3 V bei 2 A von bis zu 30 V erzeugen, was für meine USB-PD-Spielereien großartig ist! Und an der Ostfront ist SY8089 eine gute Wahl für allgemeine Niederspannungsschienen. Haben Sie einige Regulierungsbehörden, die Sie anderen empfehlen würden? Teilen Sie sie uns im Kommentarbereich mit!

Haben Sie einen Chip gefunden, der Ihnen gefällt? Prost! Die überwiegende Mehrheit von ihnen benötigt einen Induktor. Lassen Sie uns keine Zeit verschwenden und mehr darüber erfahren.

Lernen Sie den Induktor kennen

Induktoren sind auf eine bestimmte Weise hergestellte Drahtspulen, die unter den richtigen Umständen eine große Menge elektromagnetischer Energie speichern können. Sie widerstehen auch Stromänderungen, indem sie eine entgegengesetzte Spannung erzeugen. Jemand, der sich mit Induktoren besser auskennt als ich, könnte Ihnen eine Menge darüber erzählen, wie cool Induktoren sind, und sie sind auf jeden Fall sehr cool! Und für die Verwendung von Schaltreglern müssen Sie nicht viel über Induktivitäten wissen, um diese zu verwenden. Was Sie wissen müssen, ist, dass ein Schaltreglerchip diese Eigenschaften nutzt, um eine Spannung in eine andere umzuwandeln, und es gibt nur drei Parameter, die Sie wirklich im Auge behalten müssen.

Die erste ist die Induktivität, normalerweise im uH-Bereich (Mikro-Henry). Im Datenblatt Ihres Schaltreglers erfahren Sie entweder direkt, welcher Induktivitätswert am besten passt, etwa im Beispielschaltplan oder im Abschnitt „Empfohlene Parameter“, oder Sie erhalten eine Formel zur Berechnung der benötigten Induktivität. Wenn Sie keines dieser beiden Ergebnisse erhalten, schauen Sie sich die Werte an, die andere Leute mit diesem Chip verwenden, oder wählen Sie einen anderen Chip – in den meisten Fällen gibt es andere Schaltregler-Chips, die Sie genauso einfach verwenden können und die tatsächlich gute Ergebnisse liefern Datenblätter.

Ein weiterer Wert ist Gleichstrom. Auch hier werden Sie in vielen Datenblättern direkt an der Hand gehalten, während Sie durch die Induktorauswahl geführt werden, und das PAM2306-Datenblatt, das ich oben zeige, sagt Ihnen, dass der Gleichstrom Ihr maximaler Strom plus Welligkeitsstrom ist, und Sie können davon ausgehen, dass der Welligkeitsstrom 40 % beträgt. des maximalen Stroms, den Sie wünschen. Wenn Sie es genau wissen wollen, finden Sie im Datenblatt eine Formel zur Berechnung eines genaueren Werts, aber im Allgemeinen wird in den Datenblättern, die ich überprüft habe, empfohlen, 40–50 % zu addieren. Wenn Sie also den Gleichstrom des Induktors so wählen, dass er 1.5-mal größer ist als der gewünschte Maximalstrom, werden Sie wahrscheinlich nichts falsch machen.

Möglicherweise sehen Sie auch einen bestimmten Parameter, den Gleichstromwiderstand. Je niedriger, desto besser natürlich – weniger Strom wird als Wärme verschwendet. Dabei handelt es sich nicht nur um Verschwendung – die Eigenschaften von Induktivitäten, die in Schaltregleranwendungen verwendet werden, verschlechtern sich bei Erwärmung rapide. Außerdem sind einige Induktivitäten nicht optimal, wenn sie für Schaltreglerzwecke verwendet werden, auch wenn sie optisch ansprechend aussehen. Hier ist ein Beispiel eines solchen Induktors. Dabei handelt es sich um eine Stromschienen-Filterinduktivität. Wenn Sie darauf gestoßen sind, gibt es wahrscheinlich eine Strominduktivität (die Art, die Sie zum Schalten verwenden) mit besseren Spezifikationen, die viel besser zu Ihrer Anwendung passt – nicht, dass es zu 100 % unbrauchbar wäre, Aber Sie werden davon profitieren, wenn Sie weiter suchen.

Fassen wir zusammen, wie einfach es ist, einen Induktor zu finden. Drei Parameter – Induktivität, Gleichstrom und Gleichstromwiderstand. Die Induktivität steht im Datenblatt, der Gleichstrom ist Ihr gewünschter Maximalstrom mal 1.5 Geben oder Nehmen und drittens ist er so niedrig, wie Sie für Ihr Geld erreichen können. Überprüfen Sie außerdem, ob der Induktor für Schaltregleranwendungen geeignet ist. Möchten Sie mehr erfahren? Hier sind einige Anmerkungen – hier eine Wurth-Anmerkung zu den Feinheiten von Induktoren, und eine TI-Anmerkung zu den Grundlagen von Schaltreglern.

Gehen Sie zu Ihrer bevorzugten Komponentenauswahl-Website – Digikey, Mouser, LCSC oder irgendetwas anderes – geben Sie die Induktivitäts- und Gleichstromparameter in die Induktor-Komponentenauswahl ein, finden Sie den besten Gleichstromwiderstand für Ihr Geld, und schon sind Sie fertig. Verdammt, Sie können sogar Induktoren auf Aliexpress finden! Sie neigen nicht dazu, Gleichstrom-/Widerstandsparameter aufzulisten, und Datenblätter sind rar gesät, aber wenn Sie etwas Einfaches und Billiges brauchen, ist es auf dem Tisch.

Einen Induktor gefunden? Holen Sie sich das Datenblatt und prüfen Sie, ob KiCad bereits über einen passenden Footprint verfügt. Wenn nicht, nehmen Sie einfach einen vorhandenen Footprint und passen Sie ihn an, und fertig. Wir haben den Reglerchip, wir haben den Induktor ausgewählt, jetzt ist es an der Zeit, eine Platine zu entwerfen!

Für den Fall, dass Sie sich verlaufen

Wenn das Datenblatt Ihres Reglers gut ist, sind Sie bereits bereit. Die besten Datenblätter bieten ein Beispiellayout, zeigen Ihnen, welche Widerstände Sie verwenden sollten, erwähnen alle zusätzlichen Komponenten und Kondensatoranforderungen und bringen Ihnen alles bei, was Sie sonst noch wissen möchten.

Allerdings enthalten nicht alle Datenblätter alles, was Sie wissen möchten. Es ist schade, aber das bedeutet nicht, dass Sie es nicht schaffen! Es sind nur wenige Aspekte zu beachten – Platinenlayout, Rückkopplungswiderstände und alle zusätzlichen Komponenten, die Sie möglicherweise benötigen. Lassen Sie uns das nächste Mal diese durchgehen, und ich zeige Ihnen auch einige Tipps und Tricks zum Schalten von Reglern!

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