Cómo lograr la máxima eficiencia de un convertidor Buck

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

Permítanme resaltar el de la eficiencia. Las simulaciones muestran que este IC tiene una mejor eficiencia cuando Vin es de 20 V, pero esta diferencia no es mucha.

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

Por lo general, hay gráficos similares en las hojas de datos si herramientas como esta no están disponibles.

Si solo necesita 200 mA, debe elegir un convertidor que sea capaz de, digamos, 300 mA de corriente máxima en lugar de 3 A, la eficiencia es mejor cerca de la corriente máxima. Otro convertidor, que puede manejar un máximo de 300 mA, tabla de eficiencia de LMR14203 :

De nuevo es el peor a 30V, pero ronda el 88% mientras que con el LM2596 es del 79% lo que es una diferencia significativa. En 20V está por encima del 90%, lo cual es bastante bueno.

Para lograr la máxima eficiencia, debemos comprender dónde pueden existir pérdidas y qué medidas están disponibles.

Voy a usar 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 mostrar eso, aquí hay un circuito que expone la ruta de alimentación correctamente:

He resaltado las rutas primarias de alta corriente en rojo; Q1, Q2/Q3, L1 y D2 y la resistencia de detección de corriente. Tenga en cuenta que los controladores de compuerta pueden tener una corriente significativa según la aplicación.

Las pérdidas en Q1 son principalmente resistivas y capacitivas, en Q2/Q3 resistivas y resistivas en el inductor. Hay una resistencia de detección de corriente en este esquema que disipa algo de energía, obviamente.

Hay (como siempre) compensaciones.

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

Las pérdidas capacitivas del 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 del tiempo a medida que Vout y Vin se acercan entre sí.

Contraste esto con el término capacitivo que es directamente proporcional a la frecuencia. (k es una constante relacionada con la inversa de la corriente de activación de la puerta).

En realidad, hay un punto de cruce; a un Vin más bajo, es deseable una resistencia del interruptor más baja, pero a voltajes de entrada más altos puede ser preferible una carga de puerta total más baja.

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

Las pérdidas en el segundo y tercer trimestre se deben completamente a$R_ds(on)$: específicamente

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

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

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

Nota D1 y D2: estos deben dimensionarse para un voltaje directo mínimo a una corriente adecuada para minimizar otras pérdidas.

Este es un tema enorme (que no necesariamente recibe suficiente atención), pero con la atención adecuada, se puede lograr la eficiencia óptima para una aplicación determinada.

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

La pregunta, tal como la leí, es que el dispositivo de destino le da un convertidor reductor con un consumidor de 12V @ 200ma, ¿la corriente de entrada al regulador depende del voltaje de entrada?

Un regulador de conmutación mantiene aproximadamente la energía de entrada a salida, menos energía requerida por el regulador y otras pérdidas, expresadas como eficiencia .

Su dispositivo de destino consume 2,4 vatios (12 x 0,2). Por lo tanto, el regulador de conmutación consumirá de su fuente de alimentación un poco más de 2,4 vatios. Si la entrada es de 30 voltios, consumirá un poco más de 0,08 amperios (2,4/30). En cambio, con una entrada de 20 voltios consumirá algo más de 0,12 amperios (2,4/20). Ambas cifras representan 2,4 vatios.

Si observa las curvas en la publicación anterior, verá que hay un pequeño cambio en la eficiencia (tal vez 78% frente a 80%), pero esto se ve empequeñecido por el cambio en el consumo de corriente debido al cambio de voltaje pero manteniendo el poder .