Schakelregelaars voor dummies

Schakelregelaars voor dummies

Tijdstempel: 22 januari 2024 1:00 uur
Bronknooppunt: 3078533

In onze ontwerpen maken wij vaak gebruik van lineaire regelaars. Ze zijn goedkoop en eenvoudig: je plaatst de regelaarchip zelf op het bord, voegt twee condensatoren toe en krijgt een spanning. Lineaire regelaars zijn natuurlijk onvolmaakt – ze kunnen het spanningsverschil niet laten als warmte, om te beginnen, wat ze meteen uitsluit voor doeleinden met een hoge stroomsterkte, of conversies van aanzienlijke spanningsverschillen, tenzij je een flink koellichaam bij de hand hebt. Ze kunnen de spanning ook niet verhogen, wat betekent dat je alleen van hoog naar laag kunt gaan – een beetje een teleurstelling.

Natuurlijk hebben we niet alleen maar onze handen in de lucht gegooid als een lineaire regelaar niet aan ons doel voldoet. Overschakelende regelaars hebben geen van deze nadelen en daarom heeft alleen uw mobiele telefoon er enkele tientallen. Ze zijn veel efficiënter en hi-tec, in staat om de ene spanning in de andere om te zetten, terwijl ze nauwelijks stroom in warmte verliezen. Het enige dat u hoeft te doen is een spoel op een enigszins hoge frequentie schakelen!

Voor sommigen kan het overstappen van toezichthouders echter een beetje intimiderend lijken. Ze hebben doorgaans hogere normen voor de lay-out van de printplaat vergeleken met lineaire regelaars, en ze hebben wel een inductor nodig – soms ook nog een paar componenten. Inductoren alleen al zijn enigszins intimiderende componenten, met behoorlijk wat meer parameters dan we zouden verwachten, en je zou in de war kunnen raken als je overweegt een schakelende regelaar aan je circuit toe te voegen.

Niet meer! In dit artikel zal ik je de basisprincipes van de schakelregelaar geven, alle oorlogsmist wegnemen die je zicht zou kunnen vertroebelen, en je laten zien hoe gemakkelijk je een flink aantal versterkers kunt krijgen op je favoriete spanning wanneer je die nodig hebt.

Je favorieten vinden

Er zijn talloze schakelende regelaars die u voor veel verschillende doeleinden kunt gebruiken! Buck-regelaars kunnen bijvoorbeeld alleen de spanning verlagen, boost-regelaars kunnen deze alleen verhogen, terwijl buck-boost beide kan doen, waardoor je bijvoorbeeld 12 V kunt krijgen uit een LiIon-pakket dat varieert van 10 V tot 14.4 V. Er zijn twee manieren waarop je vrienden kunt vinden die van regelaar wisselen: door onderdeelnummers van de circuits van iemand anders te verkrijgen, of door via Digikey/Mouser/etc te gaan en hun aanbod te bekijken.

Er zijn schakelende regelaars voor de meeste doeleinden die je maar kunt bedenken. Wil je 12V omzetten in een paar ampère van 5V of 3.3V? Je hebt hier heel veel opties! Wilt u 5V of 3.3V maken van LiIon-spanning? Er zijn een groot aantal toezichthouders voor dit specifieke doel! Een regelaar met extreem laag vermogen die 3.3 V voor uw ESP8266 produceert uit twee AA-batterijen? Jij hebt het! En de eenvoudigste optie die mogelijk is, is het lenen van een circuit van een bestaand, redelijk open of gewoon publiekelijk zichtbaar ontwerp.

Er zijn bijvoorbeeld een heleboel verschillende “DC-DC”-borden die je snel online kunt vinden – alleen al op Aliexpress zijn er tientallen populaire ontwerpen, en ook een flink aantal meer obscure ontwerpen. Voer eenvoudigweg "step-down DC-DC 5V" in, elke gewenste configuratie/spanning, zoek een paar lijsten die daadwerkelijk nauwkeurig zijn en kijk welke chip ze gebruiken. Kunt u de datasheet vinden? Kun je het gemakkelijk kopen? Sommige vermeldingen liegen over de huidige waarden, dus kan de chip daadwerkelijk produceren wat je nodig hebt? Zo ja, dan ben je klaar!

Natuurlijk kunt u deze modules voor veel doeleinden hergebruiken en hoeft u zich geen zorgen te maken over het zoeken naar uw eigen ontwerpen. Meestal zal het maken van uw eigen schakelende regelaarcircuit echter de moeite waard zijn – zowel qua prijs, maar ook qua stabiliteit van uw circuit! Een publiek geheim is bijvoorbeeld dat deze modules over het algemeen slecht geschikte inductoren hebben, ofwel de goedkoopste onderdelen die mogelijk zijn, ofwel gewoon verkeerd berekende waarden. Zo vaak hoeft u alleen maar de inductor te vervangen om de uitgangsstroom omhoog te zien schieten, en de warmteafgifte in het algemeen ook te zien afnemen!

Vaak zijn de schakelregulator-IC's die op deze modules worden gebruikt ook de goedkoopste chips die mogelijk zijn, en zijn er betere IC's beschikbaar voor nauwelijks meer geld. Ga dus naar de onderdelenkiezer voor de schakelende regelaar van uw favoriete onderdelenwebsite – Digikey/LCSC/Mouser of wat dan ook. Voer het gewenste ingangs- en uitgangsspanningsbereik in, maximale stroom met enige speelruimte, vink "Op voorraad" aan, sorteer op prijs en kijk hoe ver u onder de $ 1 kunt komen!

Mijn persoonlijke favorieten van de laatste tijd zijn een flink aantal. PAM2306 is een dual-rail 3.3V/1A buck-regelaar die een inschakelduur van 100% kan uitvoeren, wat enorm helpt bij het voeden van dingen via een LiIon- of LiFePO4-batterij. AP63200 kan 5V of 3.3V leveren bij 2A vanaf wel 30V, wat geweldig is voor mijn USB-PD-shenanigans! En aan het oostfront is SY8089 een goede keuze voor algemene laagspanningsrails. Heeft u een aantal toezichthouders die u aan anderen zou aanbevelen? Deel ze met ons in de commentaarsectie!

Heb je een chip gevonden die je leuk vindt? Proost! De overgrote meerderheid van hen heeft een inductor nodig. Laten we geen tijd verspillen en daar meer over leren.

Maak kennis met de inductor

Inductoren zijn draadspoelen die op een bepaalde manier zijn gemaakt en die onder de juiste omstandigheden een goede hoeveelheid elektromagnetische energie kunnen opslaan. Ze zijn ook bestand tegen stroomveranderingen door een tegengestelde spanning te produceren. Iemand die meer verstand heeft van inductoren dan ik, zou je veel kunnen vertellen over hoe inductoren echt cool zijn, en ze zijn absoluut heel cool! En voor het gebruik van een schakelregelaar hoeft u niet veel over inductoren te weten om ze te gebruiken. Wat je wel moet weten is dat een schakelende regelaarchip gebruik maakt van deze kenmerken om de ene spanning in de andere om te zetten, en dat er maar drie parameters zijn die je echt in de gaten hoeft te houden.

De eerste is inductantie, meestal in het uH-bereik (microHenry). Het gegevensblad van uw schakelende regelaar zal u direct vertellen welke inductantiewaarde goed past, misschien in het voorbeeldschema of in de sectie "aanbevolen parameters", of het zal u een formule geven om de inductantie te berekenen die u nodig heeft. Als je geen van deze twee krijgt, onderzoek dan de waarden die andere mensen met deze chip gebruiken, of kies een andere chip. Vaker wel dan niet zijn er andere schakelregulatorchips die je net zo gemakkelijk kunt gebruiken en die eigenlijk goede eigenschappen hebben. datasheets.

Een andere waarde is gelijkstroom. Nogmaals, veel datasheets zullen je hand vasthouden terwijl ze je door de selectie van de inductor leiden, en de PAM2306-datasheet die ik hierboven laat zien, vertelt je dat gelijkstroom je maximale stroom plus rimpelstroom is, en je kunt ervan uitgaan dat de rimpelstroom 40% is. van de maximale stroom die u wilt. Als je het zeker wilt weten: de datasheet geeft een formule om een ​​nauwkeurigere waarde te berekenen, maar over het algemeen vertellen de datasheets die ik heb gecontroleerd dat je 40-50% moet toevoegen. Dus als u de gelijkstroom van de spoel 1.5 keer groter kiest dan de maximale stroom die u wilt, zult u waarschijnlijk niet fout gaan.

Mogelijk ziet u ook een specifieke parameter: DC-weerstand. Hoe lager, hoe beter natuurlijk – minder stroom verspild als warmte. Het is ook niet alleen maar verspilling: de eigenschappen van de soort inductoren die worden gebruikt in toepassingen met schakelregelaars verslechteren snel als ze warmer worden. Bovendien zijn sommige inductoren niet op hun best als ze worden gebruikt voor het schakelen van regelaars, ook al zien ze er goed uit. Hier is Een voorbeeld van een dergelijke spoel. Dit is een powerrail-filterinductor, en als dat is wat je tegenkwam, is er waarschijnlijk een power-inductor (het soort dat je gebruikt voor schakeldoeleinden) verkrijgbaar met betere specificaties die veel beter bij je toepassing past – niet dat het 100% onbruikbaar is, maar je zult er baat bij hebben als je verder kijkt.

Laten we samenvatten hoe eenvoudig het is om een ​​inductor te vinden. Drie parameters: inductie, gelijkstroom en gelijkstroomweerstand. Inductantie staat in het gegevensblad, DC-stroom is de gewenste maximale stroom maal 1.5 geven of nemen, en de derde is zo laag als je kunt voor je geld. Controleer bovendien of de inductor geschikt is voor toepassingen met schakelregelaars. Wilt u meer weten? Hier zijn enkele appnotes – hier zijn een Wurth-appnote over de fijne kneepjes van de inductor, en een TI-appnote over de basisbeginselen van het schakelen tussen regelaars.

Ga naar uw favoriete componentkiezerwebsite – Digikey, Mouser, LCSC of iets anders – plaats de inductie- en DC-stroomparameters in de inductoronderdeelkiezer, zoek de beste DC-weerstand voor uw geld, en u bent klaar. Je kunt zelfs spoelen vinden op AliExpress! Ze hebben niet de neiging om gelijkstroom-/weerstandsparameters op te sommen, en datasheets zijn schaars, maar als je iets eenvoudigs en goedkoops nodig hebt, ligt het op tafel.

Een spoel gevonden? Haal de datasheet op, kijk of KiCad al een passende voetafdruk heeft, zo niet, neem dan gewoon een bestaande voetafdruk en pas deze aan, en dat is alles. We hebben de regelaarchip, we hebben de inductor uitgekozen, nu is het tijd om een ​​bord te ontwerpen!

Voor het geval je verdwaalt

Als het gegevensblad van uw regelaar goed is, bent u al klaar. De beste datasheets bieden een voorbeeldlay-out, laten u zien welke weerstanden u moet gebruiken, vermelden eventuele extra componenten, condensatorvereisten en leren u al het andere dat u maar wilt weten.

Niet alle datasheets bevatten echter alles wat u zou willen weten. Het is vervelend, maar dat betekent niet dat je het niet kunt doen! Er zijn slechts een paar aspecten waarmee u rekening moet houden: de lay-out van het bord, feedbackweerstanden en eventuele extra componenten die u mogelijk nodig heeft. Laten we deze de volgende keer eens doornemen, en ik zal je ook enkele tips en trucs voor het schakelen van regelaars laten zien!

Tijdstempel:

Meer van Hack een dag