Как добиться максимальной эффективности понижающего преобразователя

У TI есть инструмент под названием WEBENCH , который может сделать для вас множество графиков и расчетов. Вот его вывод с вашими параметрами в pdf .

Позвольте мне выделить один об эффективности. Моделирование показывает, что эта ИС имеет лучшую эффективность, когда Vin равно 20 В, но эта разница не так уж велика.

Важно не только значение Vin, если вы измените подаваемый ток с 200 мА на 3 А, будет показана другая диаграмма эффективности. В этом случае лучше выбрать Vin = 30 В.

Обычно в таблицах данных есть аналогичные диаграммы, если такие инструменты недоступны.

Если вам нужно только 200 мА, вы должны выбрать преобразователь, который способен, скажем, на максимальный ток 300 мА, а не на 3 А, эффективность выше при максимальном токе. Другой преобразователь, который может управлять макс. 300 мА, диаграмма эффективности LMR14203 :

Это снова самое худшее при 30 В, но оно составляет около 88%, а с LM2596 - 79%, что является значительной разницей. На 20 В это выше 90%, что довольно хорошо.

Для достижения максимальной эффективности нам необходимо понимать, где могут существовать потери и какие меры доступны.

Я собираюсь использовать более общую схему, так как принципы применимы везде; некоторые схемы предлагают свободу изменения некоторых параметров для максимизации эффективности в данном приложении, а другие - нет.

Чтобы показать это, вот схема, которая правильно показывает путь питания:

Я выделил основные сильноточные пути красным; Q1, Q2/Q3, L1 и D2 и токоизмерительный резистор. Обратите внимание, что приводы затворов могут иметь значительный ток в зависимости от приложения.

Потери в Q1 в основном резистивные и емкостные, в Q2/Q3 резистивные и резистивные в катушке индуктивности. В этой схеме есть токоизмерительный резистор, который, очевидно, рассеивает некоторую мощность.

Есть (как всегда) компромиссы.

Для главного выключателя (Q1) резистивные потери составляют:$\frac {Vout} {Vin} (Imax)^2 (1+δ)R_ds(on)$где$\delta$температурная зависимость$R_ds(on)$

Емкостные потери главного выключателя определяются по формуле:$k(Vin)^2 (Imax)(Crss)(f)$

Таким образом, резистивные потери увеличиваются при более низких рабочих циклах, что является разумным, поскольку главный выключатель включен в течение большей части времени, когда Vout и Vin приближаются друг к другу.

Сравните это с емкостным членом, который прямо пропорционален частоте. (k — константа, обратно пропорциональная току привода затвора).

На самом деле есть точка пересечения; при более низком Vin желательно более низкое сопротивление ключа, но при более высоком входном напряжении может быть предпочтительнее меньший общий заряд затвора.

Я могу минимизировать размер катушки индуктивности (что сводит к минимуму количество обмоток и, следовательно, сопротивление постоянному току), увеличив частоту коммутации, но это увеличит емкостные потери в Q1.

Потери во 2 и 3 кварталах полностью связаны с$R_ds(on)$: конкретно

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

Это показывает, что при более низких рабочих циклах (более высоком Vin) потери увеличиваются.

Таким образом, нам нравятся более низкие рабочие циклы (более высокое значение Vin) для главного переключателя, но нам нравится более низкое значение Vin (более низкий рабочий цикл) для синхронного переключателя; тем не менее, в последние годы были достигнуты огромные успехи с точки зрения сопротивления МОП-транзисторов — см., например, IRF6718L2 — очень впечатляющий$1m\Omega$при 4,5 В$V_gs$

Обратите внимание на D1 и D2 — они должны быть рассчитаны на минимальное прямое напряжение при соответствующем токе, чтобы свести к минимуму другие потери.

Это огромная тема (которой не обязательно уделяется достаточно внимания), но при должном внимании можно достичь оптимальной эффективности для данного приложения.

Ответ @BenceKaulics об эффективности хорош, но, как я понимаю, на самом деле не отвечает на исходный вопрос.

Вопрос, как я его читал, задается понижающий преобразователь с выходом потребителя 12В @ 200мА целевым устройством, зависит ли входной ток регулятора от входного напряжения?

Импульсный регулятор примерно поддерживает мощность от входа до выхода, меньшую мощность, требуемую регулятором, и другие потери, выраженные как эффективность .

Ваше целевое устройство потребляет 2,4 Вт (12 x 0,2). Следовательно, импульсный стабилизатор будет потреблять от своего источника питания чуть больше 2,4 Вт. Если на входе 30 вольт, он будет потреблять чуть больше 0,08 ампер (2,4/30). С другой стороны, при входном напряжении 20 вольт он будет потреблять чуть больше 0,12 ампер (2,4/20). Обе эти цифры представляют собой 2,4 Вт.

Если вы посмотрите на кривые в предыдущей публикации, вы увидите, что есть небольшое изменение в эффективности (возможно, 78% против 80%), но оно затмевается изменением потребляемого тока из-за изменения напряжения при сохранении мощности. .