97% efektívny prevodník DC - DC Buck [3A, nastaviteľný]: 12 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Malá doska prevodníka DC - DC Buck je užitočná pre mnoho aplikácií, najmä ak dokáže dodávať prúdy až do 3 A (2 A nepretržite bez chladiča). V tomto článku sa naučíme stavať malý, efektívny a lacný obvod prevodníka dolárov.

[1]: Analýza obvodu

Obrázok 1 zobrazuje schematický diagram zariadenia. Hlavnou súčasťou je zostupný prevodník MP2315.

Krok 1: Referencie

Zdroj článku: https://www.pcbway.com/blog/technology/DC_to_DC_B…[1]:

[2]:

[3]:

Krok 2: Obrázok 1, schematický diagram prevodníka DC na DC Buck

Podľa údajového listu MP2315 [1]: „MP2315 je vysokofrekvenčný synchrónne usmerňovaný menič stupňovitého spínania so vstavanými vnútornými výkonovými MOSFETmi. Ponúka veľmi kompaktné riešenie na dosiahnutie 3A spojitého výstupného prúdu v širokom rozsahu vstupného napájania s vynikajúcou reguláciou záťaže a vedenia. MP2315 má prevádzku v synchrónnom režime pre vyššiu účinnosť v rozsahu zaťaženia výstupného prúdu. Prevádzka v aktuálnom režime poskytuje rýchlu prechodovú odozvu a uľahčuje stabilizáciu slučky. Plné ochranné funkcie zahŕňajú OCP a tepelné vypnutie. “Nízke RDS (zapnuté) umožňuje tomuto čipu zvládnuť vysoké prúdy.

C1 a C2 sa používajú na zníženie šumov vstupného napätia. R2, R4 a R5 vytvárajú cestu spätnej väzby k čipu. R2 je 200K viacotáčkový potenciometer na úpravu výstupného napätia. L1 a C4 sú základnými prvkami prevodníka dolára. L2, C5 a C7 tvoria ďalší výstupný LC filter, ktorý som pridal na zníženie šumu a zvlnenia. Medzná frekvencia tohto filtra je okolo 1 kHz. R6 obmedzuje tok prúdu na kolík EN. Hodnota R1 bola nastavená podľa technického listu. R3 a C3 súvisia s obvodom bootstrapu a sú určené podľa technického listu.

Obrázok 2 ukazuje graf účinnosti proti výstupnému prúdu. Najvyššia účinnosť pre takmer všetky vstupné napätia bola dosiahnutá pri približne 1A.

Krok 3: Obrázok 2, Účinnosť vs. výstupný prúd

[2]: Rozloženie DPSObrázok 3 ukazuje navrhnuté rozloženie DPS. Je to malá (2,1 cm*2,6 cm) dvojvrstvová doska.

Pre IC1 [2] som použil knižnice komponentov SamacSys (schematický symbol a stopa PCB), pretože tieto knižnice sú bezplatné a čo je dôležitejšie, dodržujú priemyselné štandardy IPC. Používam CAD softvér Altium Designer, takže na priamu inštaláciu knižníc komponentov som použil doplnok SamacSys Altium [3]. Obrázok 4 zobrazuje vybrané komponenty. Môžete tiež vyhľadávať a inštalovať/používať knižnice pasívnych komponentov.

Krok 4: Obrázok 3, Rozloženie PCB prevodníka DC na DC Buck

Krok 5: Obrázok 4, vybraný komponent (IC1) z doplnku SamacSys Altium

Toto je posledná revízia dosky plošných spojov. Obrázky 5 a 6 ukazujú 3D pohľady na dosku plošných spojov zhora a zdola.

Krok 6: Obrázok 5 a 6, 3D pohľady na dosku plošných spojov (HORNÁ a zadná)

[3]: Konštrukcia a test Obrázok 7 zobrazuje prvý prototyp (prvá verzia) dosky. Doska PCB bola vyrobená spoločnosťou PCBWay, ktorá je vysoko kvalitnou doskou. S spájkovaním som nemal žiadny problém.

Ako je zrejmé z obrázku 8, niektoré časti obvodu som upravil, aby som dosiahol nižší hluk, takže dodaná schéma a doska plošných spojov sú najnovšími verziami.

Krok 7: Obrázok 7, prvý prototyp (staršia verzia) programu Buck Converter

Po spájkovaní súčiastok sme pripravení testovať obvod. Datasheet hovorí, že na vstup môžeme použiť napätie od 4,5V do 24V. Hlavnými rozdielmi medzi prvým prototypom (moja testovaná doska) a poslednou doskou s plošnými spojmi/schéma je niekoľko úprav v dizajne dosky s plošnými spojmi a umiestnenia/hodnôt komponentov. U prvého prototypu je výstupný kondenzátor iba 22uF-35V. Zmenil som to teda na dvoch 47uF SMD kondenzátoroch (C5 a C7, 1210 balení). Na vstup som použil rovnaké úpravy a vstupný kondenzátor som nahradil dvoma 35 V menovitými kondenzátormi. Tiež som zmenil umiestnenie výstupnej hlavičky.

Pretože maximálne výstupné napätie je 21 V a kondenzátory sú dimenzované na 25 V (keramické), potom by nemal byť problém s napätím, ak však máte obavy z menovitého napätia kondenzátorov, jednoducho znížte hodnoty ich kapacity na 22 uF a zvýšte menovité napätie do 35V. Vždy to môžete kompenzovať pridaním ďalších výstupných kondenzátorov do cieľového obvodu/záťaže. Dokonca aj „externe“môžete pridať kondenzátor 470uF alebo 1 000uF, pretože na doske nie je dostatok miesta na umiestnenie akéhokoľvek z nich. V skutočnosti pridaním ďalších kondenzátorov znížime medznú frekvenciu konečného filtra, takže by potlačil viac šumov.

Je lepšie používať kondenzátory paralelne. Napríklad použite dva 470uF paralelne namiesto jedného 1000uF. Pomáha znížiť celkovú hodnotu ESR (pravidlo paralelných rezistorov).

Teraz preskúmajme zvlnenie a hluk výstupu pomocou nízkošumového predného osciloskopu, ako je Siglent SDS1104X-E. Dokáže merať napätie až 500uV/div, čo je veľmi príjemná funkcia.

Dosku meniča som spolu s externým kondenzátorom 470uF-35V spájkoval na malý kúsok prototypovej dosky pre domácich majstrov, aby som otestoval zvlnenie a šum (obrázok 8).

Krok 8: Obrázok 8, doska meniča na malom kúsku prototypovej dosky pre domácich majstrov (vrátane výstupného kondenzátora 470 uF)

Keď je vstupné napätie vysoké (24 V) a výstupné napätie nízke (napríklad 5 V), malo by sa generovať maximálne zvlnenie a šum, pretože rozdiel vstupného a výstupného napätia je vysoký. Poďme teda vybaviť sondu osciloskopu zemnou pružinou a skontrolovať výstupný šum (obrázok 9). Je nevyhnutné použiť zemnú pružinu, pretože uzemňovací vodič sondy osciloskopu môže absorbovať veľa zvukov bežného režimu, najmä pri takýchto meraniach.

Krok 9: Obrázok 9, Výmena uzemňovacieho vodiča sondy za uzemňovaciu pružinu

Obrázok 10 zobrazuje výstupný šum, keď je vstup 24 V a výstup 5 V. Malo by byť spomenuté, že výstup prevodníka je voľný a nebol pripojený k žiadnemu zaťaženiu.

Krok 10: Obrázok 10, Výstupný hluk prevodníka DC na DC (vstup = 24 V, výstup = 5 V)

Teraz vyskúšajme výstupný šum pri najnižšom rozdiele vstupného/výstupného napätia (0,8 V). Vstupné napätie som nastavil na 12V a výstup na 11,2V (obrázok 11).

Krok 11: Obrázok 11, Hluk výstupu pri najnižšom rozdiele vstupného/výstupného napätia (vstup = 12V, výstup = 11,2V)

Upozorňujeme, že zvýšením výstupného prúdu (pridaním záťaže) sa zvyšuje výstupný šum/zvlnenie. Toto je skutočný príbeh pre všetky napájacie zdroje alebo meniče.

[4] Kusovník

Obrázok 12 zobrazuje kusovník projektu.