Przetwornica DC na DC o sprawności 97% [3A, regulowana]: 12 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Mała płytka konwertera DC na DC buck jest przydatna w wielu zastosowaniach, zwłaszcza jeśli może dostarczać prądy do 3A (2A w sposób ciągły bez radiatora). W tym artykule nauczymy się budować mały, wydajny i tani obwód konwertera buck.

[1]: Analiza obwodu

Rysunek 1 przedstawia schemat ideowy urządzenia. Głównym elementem jest konwerter obniżający napięcie MP2315.

Krok 1: Referencje

Źródło artykułu:

[2]:

[3]:

Krok 2: Rysunek 1, schemat ideowy konwertera DC na DC buck

Zgodnie z arkuszem danych MP2315 [1]: „MP2315 jest synchronicznym, prostowanym konwerterem impulsowym step-down wysokiej częstotliwości z wbudowanymi wewnętrznymi tranzystorami MOSFET mocy. Oferuje bardzo kompaktowe rozwiązanie umożliwiające uzyskanie ciągłego prądu wyjściowego 3A w szerokim zakresie zasilania wejściowego z doskonałą regulacją obciążenia i linii. MP2315 działa w trybie synchronicznym, co zapewnia wyższą wydajność w zakresie obciążenia prądem wyjściowym. Praca w trybie prądowym zapewnia szybką odpowiedź przejściową i ułatwia stabilizację pętli. Pełne funkcje ochrony obejmują OCP i wyłączanie termiczne”. Niski RDS(on) pozwala temu chipowi obsługiwać wysokie prądy.

C1 i C2 służą do redukcji szumów napięcia wejściowego. R2, R4 i R5 tworzą ścieżkę sprzężenia zwrotnego do układu. R2 to potencjometr wieloobrotowy 200K do regulacji napięcia wyjściowego. L1 i C4 to podstawowe elementy konwertera buck. L2, C5 i C7 tworzą dodatkowy wyjściowy filtr LC, który dodałem w celu zmniejszenia szumów i tętnień. Częstotliwość odcięcia tego filtra wynosi około 1KHz. R6 ogranicza przepływ prądu do pinu EN. Wartość R1 została ustawiona zgodnie z arkuszem danych. R3 i C3 są powiązane z obwodem ładowania początkowego i określane zgodnie z arkuszem danych.

Rysunek 2 przedstawia wykres wydajności w funkcji prądu wyjściowego. Najwyższą wydajność dla prawie wszystkich napięć wejściowych osiągnięto przy około 1A.

Krok 3: Rysunek 2, sprawność vs prąd wyjściowy

[2]: Układ PCB Rysunek 3 przedstawia zaprojektowany układ PCB. Jest to mała (2,1 cm * 2,6 cm) dwuwarstwowa deska.

Użyłem bibliotek komponentów SamacSys (symbol schematu i ślad PCB) dla IC1 [2], ponieważ te biblioteki są bezpłatne i, co ważniejsze, są zgodne z przemysłowymi standardami IPC. Korzystam z oprogramowania CAD Altium Designer, więc wykorzystałem wtyczkę SamacSys Altium do bezpośredniej instalacji bibliotek komponentów [3]. Rysunek 4 przedstawia wybrane komponenty. Możesz także wyszukiwać i instalować/używać bibliotek komponentów pasywnych.

Krok 4: Rysunek 3, Układ PCB konwertera DC na DC buck

Krok 5: Rysunek 4, wybrany komponent (IC1) z wtyczki SamacSys Altium

To ostatnia wersja płytki PCB. Rysunek 5 i rysunek 6 przedstawiają widoki 3D płytki PCB od góry i od dołu.

Krok 6: Rysunek 5 i 6, widoki 3D płytki PCB (góra i dół)

[3]: Budowa i test Rysunek 7 przedstawia pierwszy prototyp (pierwszą wersję) płytki. Płytka PCB została wyprodukowana przez PCBWay, który jest płytą wysokiej jakości. Nie miałem żadnego problemu z lutowaniem.

Jak widać na rysunku 8, zmodyfikowałem niektóre części obwodu, aby uzyskać niższy poziom szumów, więc dostarczony schemat i płytka drukowana są najnowszymi wersjami.

Krok 7: Rysunek 7, pierwszy prototyp (starsza wersja) konwertera Buck

Po zlutowaniu elementów jesteśmy gotowi do przetestowania obwodu. Karta katalogowa mówi, że na wejście możemy podać napięcie od 4,5V do 24V. Główne różnice między pierwszym prototypem (moja testowana płytka) a ostatnią płytką/schematem to pewne modyfikacje w projekcie PCB i rozmieszczeniu/wartościach komponentów. W przypadku pierwszego prototypu kondensator wyjściowy ma tylko 22uF-35V. Zamieniłem go więc na dwa kondensatory SMD 47uF (pakiety C5 i C7, 1210). Zastosowałem te same modyfikacje na wejściu i wymieniłem kondensator wejściowy na dwa kondensatory o napięciu znamionowym 35V. Zmieniłem również lokalizację nagłówka wyjściowego.

Ponieważ maksymalne napięcie wyjściowe wynosi 21 V, a kondensatory 25 V (ceramiczne), nie powinno być problemu z napięciem, jednak jeśli masz obawy dotyczące napięć znamionowych kondensatorów, po prostu zmniejsz ich pojemność do 22 uF i zwiększ napięcia znamionowe do 35V. Zawsze możesz to zrekompensować, dodając dodatkowe kondensatory wyjściowe na docelowym obwodzie/obciążeniu. Nawet możesz dodać kondensator 470uF lub 1000uF „zewnętrznie”, ponieważ na płytce nie ma wystarczająco dużo miejsca, aby zmieścić którykolwiek z nich. Właściwie, dodając więcej kondensatorów, zmniejszamy częstotliwość odcięcia końcowego filtra, aby wytłumić więcej szumów.

Lepiej jest używać kondensatorów równolegle. Na przykład użyj dwóch 470uF równolegle zamiast jednego 1000uF. Pomaga zmniejszyć całkowitą wartość ESR (zasada rezystorów równoległych).

Przyjrzyjmy się teraz tętnieniu i szumom wyjściowym za pomocą niskoszumowego oscyloskopu przedniego, takiego jak Siglent SDS1104X-E. Może mierzyć napięcia do 500uV/div, co jest bardzo fajną funkcją.

Przylutowałem płytkę konwertera wraz z zewnętrznym kondensatorem 470uF-35V do małego kawałka płytki prototypowej DIY, aby przetestować tętnienia i szumy (rysunek 8)

Krok 8: Rysunek 8, płytka konwertera na małym kawałku płytki prototypowej DIY (w tym kondensator wyjściowy 470uF)

Gdy napięcie wejściowe jest wysokie (24 V), a napięcie wyjściowe jest niskie (na przykład 5 V), maksymalne tętnienia i szumy powinny być generowane, ponieważ różnica napięć wejściowych i wyjściowych jest wysoka. Wyposażmy więc sondę oscyloskopową w sprężynę uziemiającą i sprawdźmy szum wyjściowy (rysunek 9). Zastosowanie sprężyny uziemiającej jest bardzo istotne, ponieważ przewód uziemiający sondy oscyloskopowej może pochłaniać wiele szumów wspólnych, zwłaszcza przy takich pomiarach.

Krok 9: Rysunek 9, Wymiana przewodu uziemiającego sondy na sprężynę uziemiającą

Rysunek 10 pokazuje szum wyjściowy, gdy napięcie wejściowe wynosi 24 V, a wyjście 5 V. Należy wspomnieć, że wyjście konwertera jest wolne i nie zostało podłączone do żadnego obciążenia.

Krok 10: Rysunek 10, Szum wyjściowy konwertera DC na DC (wejście = 24 V, wyjście = 5 V)

Teraz przetestujmy szum wyjściowy przy najniższej różnicy napięcia wejściowego/wyjściowego (0,8 V). Ustawiłem napięcie wejściowe na 12V, a wyjście na 11,2V (rysunek 11).

Krok 11: Rysunek 11, Szum wyjściowy przy najniższej różnicy napięcia wejściowego/wyjściowego (wejście=12V, wyjście=11,2V)

Należy pamiętać, że zwiększenie prądu wyjściowego (dodanie obciążenia) powoduje wzrost szumów/tętnienia na wyjściu. To prawdziwa historia dla wszystkich zasilaczy czy przetworników.

[4] Zestawienie materiałów

Rysunek 12 przedstawia zestawienie materiałów projektu.