Cálculo de la pérdida de potencia en el regulador de potencia de conmutación?

Soy nuevo en la construcción de fuentes de alimentación de CC / CC (aún estudiante universitario) y he construido fuentes básicas utilizando reguladores de voltaje lineales simples. Recientemente he descubierto el mundo de las fuentes de alimentación conmutadas y su mayor eficiencia (a cambio de un mayor número de piezas). Esto es útil ya que estoy construyendo un proyecto que puede usar una corriente máxima de 1.5A a 5V, y estoy usando una fuente de ~ 12V. Los reguladores de voltaje lineal son, al menos por lo que estoy leyendo, una buena selección para aplicaciones de alta corriente y el calor se convierte en un problema.

Quiero utilizar un convertidor de voltaje de conmutación reductor TI TPS5420 . Noté que el paquete (8-SOIC) es mucho más pequeño que muchos reguladores lineales de alta corriente, y eso plantea la pregunta sobre la disipación de calor y energía. Los reguladores lineales pueden requerir disipadores de calor grandes y paquetes más grandes a "corrientes más altas" (> 1A, pero realmente cuenta con otros factores como voltaje de entrada, voltaje de salida, etc.).

¿Alguien puede ayudarme a calcular cómo calcularía la potencia disipada por el calor en este chip y si debo preocuparme de que el IC esté demasiado caliente para tocarlo? A pesar de que el IC es más eficiente que un regulador lineal grande, también es mucho más pequeño y no tiene una almohadilla térmica; esto me preocupa de cómo se disipa el calor. ¿O simplemente estoy pensando demasiado en el problema?

Tiene razón en que un conmutador tiene mucho más sentido para su aplicación (entrada de 12V, salida de 5V y 1.5A) que un regulador lineal. Un lineal desperdiciaría 7V * 1.5A = 10.5W en calor, lo que sería un desafío deshacerse de él. Para reguladores lineales, corriente de entrada = corriente de salida + corriente de funcionamiento. Para conmutadores power in = power out / eficiencia.

No he buscado la parte de TI que menciona (podría haberlo hecho si hubiera proporcionado un enlace). Hay dos clases amplias de reguladores de conmutación, aquellos con interruptores internos y aquellos que controlan interruptores externos. Si este regulador es del segundo tipo, entonces la disipación en la parte no será un problema ya que no está manejando la energía directamente.

Si se trata de una solución totalmente integrada, debe analizar la disipación. Puede calcular esta disipación a partir de la potencia de salida y la eficiencia. La salida será de 5V * 1.5A = 7.5W. Si el conmutador es 80% eficiente, por ejemplo, entonces la potencia de entrada total será 7.5W / 0.8 = 9.4W. La diferencia entre la potencia de salida y la potencia de entrada es la potencia de calentamiento, que en este caso es 1.9W. Eso es mucho mejor de lo que haría un regulador lineal, pero aún es suficiente calor para requerir un poco de reflexión y planificación.

El 80% fue solo un número que elegí como ejemplo. Debe mirar la hoja de datos detenidamente y tener una buena idea de la eficiencia que probablemente tendrá en su punto de operación. Los buenos chips de conmutación tienen muchos gráficos y otra información sobre esto.

Una vez que sepa cuántos vatios calentará el chip, observe su especificación térmica para ver cuál es la caída de temperatura desde el dado hasta la caja. La hoja de datos debería darle un valor de degC por vatio. Multiplique eso por la disipación de vatios, y eso es cuánto más caliente será el dado que el exterior de la caja. A veces te dicen la resistencia térmica del dado al aire ambiente. Este suele ser el caso cuando la pieza no está diseñada para usarse con un disipador de calor. De cualquier manera, descubres cuántos grados C más calientes será el dado que cualquier cosa que puedas enfriar o manejar.

Ahora observa la temperatura máxima de la matriz y luego resta el valor de caída de temperatura anterior. Si eso no es al menos un poco por encima de la temperatura ambiente del peor de los casos, entonces tiene un problema. Si es así, se pone desordenado. Necesita un disipador de calor, aire forzado o usar una parte diferente. Los conmutadores de mayor potencia generalmente están diseñados para elementos de conmutación externos porque los transistores de potencia vienen en casos destinados a ser hundidos por calor. Los chips de conmutación generalmente no lo hacen.

No quiero seguir especulando, así que regrese con números sobre su situación particular, y podemos continuar desde allí.

La hoja de datos tiene un gráfico de eficiencia vs corriente de salida en la primera página. Para una corriente máxima de 1.5 A, se ve aproximadamente 91% eficiente. Si suministra 7,5 W con una eficiencia del 91%, estaría desperdiciando 0,7 W de sí mismo.

Un regulador lineal que deja caer 12 V a 5 V a 1.5 A desperdiciaría 10.5 W mientras suministra 7.5 W , lo que lo hace 42% eficiente.

Obviamente, el conmutador es más eficiente y menos derrochador. Sin embargo, también tienden a ser más caros y más difíciles de usar sin problemas.