Reguladores de conmutación para principiantes

Reguladores de conmutación para principiantes

Sello de tiempo: 22 de enero de 2024 1:00 p.m.
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A menudo utilizamos reguladores lineales en nuestros diseños. Son baratos y simples: colocas el chip regulador en la placa, agregas dos capacitores y obtienes voltaje. Los reguladores lineales son imperfectos, por supuesto: para empezar, no pueden evitar desperdiciar la diferencia de voltaje en forma de calor, lo que directamente los excluye para propósitos de alta corriente o conversiones de diferencia de voltaje significativas, a menos que tenga a mano un disipador de calor pesado. Tampoco pueden aumentar el voltaje, lo que significa que sólo puedes pasar de mayor a menor, lo cual es un poco decepcionante.

Por supuesto, no nos hemos limitado a levantar las manos al aire si un regulador lineal no se ajusta a nuestro propósito. Los reguladores de conmutación no tienen ninguna de estas desventajas, por lo que sólo su teléfono móvil tiene algunas docenas de ellas. Son mucho más eficientes y de alta tecnología, capaces de convertir un voltaje en otro sin apenas perder energía en calor. ¡Todo lo que necesitas hacer es cambiar un inductor a una frecuencia algo alta!

Sin embargo, para algunos, cambiar de regulador puede parecer un poco intimidante. Suelen tener estándares más altos para el diseño de la placa en comparación con los reguladores lineales y necesitan un inductor; a veces, también algunos componentes más. Los inductores por sí solos son componentes algo intimidantes, con algunos parámetros más de los que esperaríamos, y es posible que se confunda al considerar agregar un regulador de conmutación a su circuito.

¡No más! En este artículo, le brindaré los conceptos básicos del regulador de conmutación, eliminaré cualquier niebla de guerra que pueda nublar su visión y le mostraré con qué facilidad puede obtener unos cuantos amperios en su voltaje favorito cuando lo necesite.

Encontrar tus favoritos

¡Hay innumerables reguladores de conmutación que puedes usar para muchos propósitos diferentes! Por ejemplo, los reguladores reductores solo pueden disminuir el voltaje, los reguladores elevadores solo pueden aumentarlo, mientras que los reguladores reductores pueden hacer ambas cosas, permitiéndole obtener, digamos, 12 V de un paquete de LiIon que varía de 10 V a 14.4 V. Hay dos maneras de encontrar amigos reguladores de conmutación: ya sea obteniendo números de pieza de los circuitos de otra persona o visitando Digikey/Mouser/etc y viendo sus ofertas.

Existen reguladores de conmutación para la mayoría de los fines que se puedan imaginar. ¿Quiere convertir 12 V en unos pocos amperios de 5 V o 3.3 V? ¡Tienes un montón de opciones aquí! ¿Quiere generar 5 V o 3.3 V con voltaje de LiIon? ¡Existe una buena cantidad de reguladores para este propósito exacto! ¿Un regulador de potencia extremadamente baja que produce 3.3 V para su ESP8266 con dos baterías AA? ¡Lo entendiste! Y la opción más sencilla posible es tomar prestado un circuito de un diseño existente razonablemente abierto o simplemente visible públicamente.

Por ejemplo, hay un montón de placas “DC-DC” diferentes que puedes encontrar rápidamente en línea; solo en Aliexpress, hay docenas de diseños populares y también una buena cantidad de otros más oscuros. Simplemente ingrese "DC-DC 5V reductor", cualquier configuración/voltaje que desee, busque algunos listados que sean realmente precisos y vea qué chip están usando. ¿Puedes encontrar la hoja de datos? ¿Puedes comprarlo fácilmente? Algunas listas mienten sobre los valores actuales, entonces, ¿puede el chip realmente producir lo que necesita? Si es así, ¡estás listo!

Por supuesto, para muchos propósitos, puedes reutilizar esos módulos y no preocuparte ni siquiera por buscar tus propios diseños. Sin embargo, la mayoría de las veces, hacer su propio circuito regulador de conmutación dará sus frutos, ¡tanto en precio como en estabilidad de su circuito! Por ejemplo, un secreto a voces es que estos módulos tienden a tener inductores mal adaptados, ya sea piezas más baratas posibles o simplemente valores mal calculados. Muy a menudo, solo tiene que reemplazar el inductor para ver cómo la corriente de salida se dispara y la producción de calor también disminuye en general.

A menudo, los circuitos integrados reguladores de conmutación utilizados en estos módulos también son los chips más baratos posibles, y hay mejores circuitos integrados disponibles por poco más dinero. Entonces, visite el selector de piezas del regulador de conmutación de su sitio web de piezas favorito: Digikey/LCSC/Mouser o cualquier otro. Ingrese los rangos de voltaje de entrada y salida que desee, la corriente máxima con cierto margen de maniobra, marque "En stock", ordene por precio y vea hasta dónde puede llegar por menos de $1.

Mis favoritos personales recientemente son unos cuantos. PAM2306 es un regulador reductor de 3.3 V/1 A de doble riel capaz de realizar un ciclo de trabajo del 100 %, lo que ayuda muchísimo a la hora de alimentar cosas con una batería LiIon o LiFePO4. AP63200 puede funcionar con 5 V o 3.3 V a 2 A desde hasta 30 V, ¡lo cual es fantástico para mis travesuras de USB-PD! Y, en el frente oriental, SY8089 es una buena elección para rieles generales de bajo voltaje. ¿Tiene algunos reguladores que recomendaría a otros? ¡Compártelos con nosotros en la sección de comentarios!

¿Encontraste un chip que te gusta? ¡Salud! La inmensa mayoría de ellos necesita un inductor. No perdamos el tiempo y aprendamos sobre ellos.

Conozca el inductor

Los inductores son bobinas de alambre fabricadas de cierta manera, capaces de almacenar una buena cantidad de energía electromagnética en las circunstancias adecuadas. También resisten los cambios de corriente produciendo un voltaje opuesto. Alguien más experto en inductores que yo podría contarte mucho sobre cómo los inductores son realmente geniales, ¡y absolutamente son geniales! Y, para usar el regulador de conmutación, no es necesario saber mucho sobre inductores para usarlos. Lo que sí necesita saber es que un chip regulador de conmutación utiliza estas características para convertir un voltaje en otro, y solo hay tres parámetros que realmente necesita seguir.

El primero es la inductancia, generalmente en el rango de uH (microHenry). La hoja de datos de su regulador de conmutación le indicará directamente qué valor de inductancia es el adecuado, tal vez en el esquema de ejemplo o en la sección "parámetros recomendados", o le dará una fórmula para calcular la inductancia que necesita. Si no le proporciona ninguno de estos dos, busque los valores que otras personas usan con este chip o elija un chip diferente; la mayoría de las veces, hay otros chips reguladores de conmutación que puede usar con la misma facilidad y que realmente tienen buenos resultados. hojas de datos.

Otro valor es la corriente CC. Nuevamente, muchas hojas de datos tomarán su mano mientras lo guían a través de la selección del inductor, y la hoja de datos PAM2306 que muestro arriba le indica que la corriente CC es su corriente máxima más la corriente de ondulación, y puede asumir que la corriente de ondulación es del 40 %. de corriente máxima que desee. Si quiere estar seguro, la hoja de datos proporciona una fórmula para calcular un valor más preciso, pero en general, las hojas de datos que he revisado le indican que agregue entre un 40 y un 50 %. Por lo tanto, si elige que la corriente CC del inductor sea 1.5 veces mayor que la corriente máxima que desea, probablemente no se equivocará.

También es posible que vea un parámetro específico, la resistencia de CC. Cuanto más bajo, mejor, por supuesto: menos corriente desperdiciada en forma de calor. Tampoco se trata sólo de desperdicio: el tipo de inductores utilizados en aplicaciones de reguladores de conmutación tienen sus características rápidamente empeoradas cuando se calientan. Además, algunos inductores no funcionan mejor cuando se utilizan con fines de regulación de conmutación, incluso si se ven bien. Aquí está un ejemplo de tal inductor. Este es un inductor de filtrado de riel de energía, y si eso es lo que encontró, es probable que haya un inductor de energía (del tipo que usa para fines de conmutación) disponible con mejores especificaciones que se adapta mucho mejor a su aplicación. no es que sea 100% inutilizable, pero se beneficiará si mira más allá.

Resumamos lo sencillo que es encontrar un inductor. Tres parámetros: inductancia, corriente CC y resistencia CC. La inductancia está en la hoja de datos, la corriente CC es la corriente máxima deseada multiplicada por 1.5 más o menos, y el tercero es lo más bajo que puede obtener por su dinero. Además, verifique que el inductor sea adecuado para aplicaciones de regulador de conmutación. ¿Quiere saber más? Aquí hay algunas notas de aplicación – aquí está una nota de Wurth sobre las complejidades de los inductores, y una nota de TI sobre los conceptos básicos del regulador de conmutación.

Vaya a su sitio web de selección de componentes favorito (Digikey, Mouser, LCSC o cualquier otro), coloque los parámetros de inductancia y corriente CC en el selector de piezas del inductor, encuentre la mejor resistencia CC por su dinero y listo. ¡Diablos, incluso puedes encontrar inductores en Aliexpress! No tienden a enumerar los parámetros de corriente/resistencia de CC, y las hojas de datos son pocas y espaciadas, pero si necesita algo simple y barato, está sobre la mesa.

¿Encontraste un inductor? Obtenga la hoja de datos, vea si KiCad ya tiene una huella adecuada; si no, simplemente tome una huella existente y ajústela, y eso es todo. Tenemos el chip regulador, elegimos el inductor, ¡ahora es el momento de diseñar una placa!

En caso de que te pierdas

Si la hoja de datos de su regulador es buena, ya está listo. Las mejores hojas de datos brindan un diseño de ejemplo, le muestran qué resistencias usar, mencionan los componentes adicionales, los requisitos de los capacitores y le enseñan todo lo que pueda desear saber.

Sin embargo, no todas las hojas de datos contienen todo lo que desea saber. Es una lástima, ¡pero eso no significa que no puedas hacerlo! Solo hay que tener en cuenta algunos aspectos: diseño de la placa, resistencias de retroalimentación y cualquier componente adicional que pueda necesitar. La próxima vez, repasemos esto y también le mostraré algunos consejos y trucos para cambiar el regulador.

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