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Massimizzare efficienza DCDC

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Massimizzare efficienza DCDC

Messaggioda Foto Utentefedericomassimi » 24 giu 2019, 10:40

Salve,
Sto realizzando un DCDC (step-up) per un piccolo progetto che ho in mente. Devo semplicemente alimentare 3 scaldini (delle resistenze sostanzialmente).
Ora il mio dubbio è sul collegamento, ovviamente li posso collegare sia in serie che in parallelo, ma quale è il modo più efficiente per il DCDC.
Mi spiego meglio: è più conveniente collegarli in parallelo e avere una tensione Vout più vicina alla Vin oppure è meglio collegarli in serie per minimizzare la corrente?
Come è meglio far lavorare il DCDC? Grazie in anticipo.

FM
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[2] Re: Massimizzare efficienza DCDC

Messaggioda Foto UtentePietroBaima » 24 giu 2019, 11:24

La potenza dissipata dal carico è sempre la stessa, ma il DCDC dissipa meno se la corrente è più bassa, per cui, se puoi, ti conviene salire in tensione.
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Io capisco le cose per come le scrivete. Per esempio: K sono kelvin e non chilo, h.z è la costante di Planck per zepto o per la zeta di Riemann e l'inverso di una frequenza non si misura in siemens.
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[3] Re: Massimizzare efficienza DCDC

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 24 giu 2019, 11:34

Pero` non bisogna salire troppo, altrimenti il convertitore comincia a patire per il duty cycle troppo piccolo, e quindi il rendimento scende di nuovo :(

Bisogna avere dei numeri per fare una valutazione.
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[4] Re: Massimizzare efficienza DCDC

Messaggioda Foto Utentefedericomassimi » 27 giu 2019, 11:01

Scusate per la risposta in ritardo ma non mi arrivano le notifiche mail.

Comunque, gli scaldini hanno una resistenza di 40 ohm e vanno alimentati tra i 5 e i 6 volt.
La tensione di alimentazione Vin del DCDC viene da una batteria e a seconda del modello va dai 3.3 ai 5 volt.
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[5] Re: Massimizzare efficienza DCDC

Messaggioda Foto Utenteelfo » 27 giu 2019, 11:31

Guarda la tabella seguente:

Con 3 scaldini a:

5 V hai 1.9 W
6 V hai 2.7 W
3.3 V hai 0.8 W

Supponendo di volere 2.3 W (valore di Potenza medio tra 5 V e 6 V)

ti occorrono:

- 4 scaldini a 5 V
- 8 scaldini a 3.3 V

In questo modo l'efficienza del sistema e' il 100% (non hai bisogno del DC/DC converter)

Puoi variare il numero degli scaldini?

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[6] Re: Massimizzare efficienza DCDC

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 28 giu 2019, 14:17

Provo a fare due conti in croce per vedere l'efficienza mettendo in serie i carichi.

Servono 18V e 150mA, partendo da una tensione di caso peggiore di 3.3V, che vuol dire un guadagno di tensione di circa 6 volte, e quindi la corrente media di ingresso viene circa di 900mA. Il duty cycle per ottenere una moltiplicazione di tensione di 6 volte vale circa 83%. che vuol dire che l'interruttore vede una corrente media (in modo continuo, con poco ripple) di circa 750mA e una corrente di picco media di 900mA ed efficace di circa 820mA.
Se non si vuole uccidere il rendimento bisogna usare un diodo di uscita Schottky, che dara` una perdita di circa una ottantina di milliwat.

Per l'ingresso bisogna usare un induttore a bassa resistenza: se si sceglie una con resistenza DC da 100mohm o meno, la potenza dissipata e` dell'ordine di nuovo di una ottantina di milliwatt. Per il MOS ci vuole qualcosa di analogo, ad esempio una Rdson a caldo di 120mΩ. Poi ci sono le perdite di commutazione, che dipendono dalla frequenza di commutazione e da come si pilota il MOS. Totale direi almeno 300mW di perdite che fanno un redimento dalle parti del 90%. Se la tensione di ingresso sale, le cose migliorano.

Poi bisogna scegliere bene il circuito di controllo, che riesca a far partire il boost con soli 3.3V: potrebbe essere complicato trovare un MOS adatto. Una volta partito si puo` usare la stessa tensione di uscita per pilotare il MOS.
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[7] Re: Massimizzare efficienza DCDC

Messaggioda Foto Utentefedericomassimi » 29 giu 2019, 13:04

@elfo:
Purtroppo il numero di scaldini è fisso, hanno dei fissaggi specifici sul case e c'è posto solo per 3.

@IsidoroKZ:
Ho capito il ragionamento che hai fatto. Potrebbe essere una soluzione usare 3 DCDC separati, uno per ogni scaldino? Dovrei vedere a cosa si arriva in temperini di costi e area, vale la pena pensare anche a questa soluzione per migliorare l'efficienza?
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[8] Re: Massimizzare efficienza DCDC

Messaggioda Foto Utenteelfo » 29 giu 2019, 13:41

Qual e' il rendimento del circuito di figura, supponendo la resistenza dei mosfet (switch) trascurabile?

La frequenza di switching conviene tenerla piu' bassa possibile (compatibilmente con avere capacita' di valore "umano")?

La tensione di uscita puo' essere impostata "giocando" sul ripple (valore di condensatori).
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[9] Re: Massimizzare efficienza DCDC

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 29 giu 2019, 14:15

elfo ha scritto:Qual e' il rendimento del circuito di figura...


Basso, dipende dal ripple. Le capacità commutata sono delle resistenze, anche con interruttori ideali :(
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[10] Re: Massimizzare efficienza DCDC

Messaggioda Foto UtenteEdmondDantes » 29 giu 2019, 14:34

Nel circuito reale, inoltre, bisognerebbe tener conto anche degli effetti parassiti presenti nel circuito, in quanto all'aumentare del duty cycle il voltage transfer ratio si abbassa notevolmente rispetto alla medesima caratteristica ideale.
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