Convertor 97% eficient DC-DC Buck [3A, reglabil]: 12 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:43

O mică placă de conversie DC-DC este utilă pentru multe aplicații, mai ales dacă ar putea furniza curenți de până la 3A (2A continuu fără radiator). În acest articol, vom învăța să construim un circuit convertor mic, eficient și ieftin.

[1]: Analiza circuitului

Figura 1 prezintă schema schematică a dispozitivului. Componenta principală este convertorul de coborâre MP2315.

Pasul 1: Referințe

Sursa articolului:

[2]:

[3]:

Pasul 2: Figura 1, Diagrama schematică a convertorului DC-DC Buck

Potrivit fișei tehnice MP2315 [1]: „MP2315 este un convertor sincron de înaltă frecvență rectificat, cu comutare în trepte, cu MOSFET-uri de putere interne încorporate. Oferă o soluție foarte compactă pentru a obține un curent continuu de ieșire de 3A pe o gamă largă de alimentare cu intrare, cu o reglare excelentă a sarcinii și a liniei. MP2315 funcționează în mod sincron pentru o eficiență mai mare în domeniul de sarcină al curentului de ieșire. Funcționarea în modul curent oferă un răspuns tranzitoriu rapid și facilitează stabilizarea buclei. Funcțiile de protecție completă includ OCP și oprire termică.” RDS scăzut (activat) permite acestui cip să gestioneze curenți mari.

C1 și C2 sunt utilizate pentru a reduce zgomotele de tensiune de intrare. R2, R4 și R5 construiesc o cale de feedback către cip. R2 este un potențiometru multiturn de 200K pentru a regla tensiunea de ieșire. L1 și C4 sunt elementele esențiale ale convertorului buck. L2, C5 și C7 fac un filtru LC de ieșire suplimentar pe care l-am adăugat pentru a reduce zgomotul și ondularea. Frecvența de întrerupere a acestui filtru este de aproximativ 1KHz. R6 limitează debitul curent la pinul EN. Valoarea R1 a fost setată conform fișei tehnice. R3 și C3 sunt legate de circuitul bootstrap și determinate în conformitate cu fișa tehnică.

Figura 2 prezintă graficul de eficiență vs curent de ieșire. Cea mai mare eficiență pentru aproape toate tensiunile de intrare a fost atinsă la aproximativ 1A.

Pasul 3: Figura 2, Eficiența Vs curentul de ieșire

[2]: Layout PCB Figura 3 prezintă aspectul PCB proiectat. Este o placă mică (2,1 cm * 2,6 cm) cu două straturi.

Am folosit bibliotecile de componente SamacSys (simbol schematic și amprentă PCB) pentru IC1 [2] deoarece aceste biblioteci sunt gratuite și, mai important, respectă standardele IPC industriale. Folosesc software-ul Altium Designer CAD, așa că am folosit pluginul SamacSys Altium pentru a instala direct bibliotecile de componente [3]. Figura 4 prezintă componentele selectate. Puteți căuta și instala / utiliza și bibliotecile de componente pasive.

Pasul 4: Figura 3, Structura PCB a convertorului DC-DC Buck

Pasul 5: Figura 4, Componenta selectată (IC1) din pluginul SamacSys Altium

Aceasta este ultima revizuire a plăcii PCB. Figura 5 și figura 6 prezintă vederi 3D ale plăcii PCB, de sus și de jos.

Pasul 6: Figura 5 și 6, vizualizări 3D ale plăcii PCB (TOP și Buttom)

[3]: Construcție și test Figura 7 prezintă primul prototip (prima versiune) a plăcii. Placa PCB a fost fabricată de PCBWay, care este o placă de înaltă calitate. Nu am avut nicio problemă cu lipirea.

După cum este clar în figura 8, am modificat unele părți ale circuitului pentru a obține un zgomot mai mic, astfel încât Schematicul și PCB-ul furnizat sunt cele mai recente versiuni.

Pasul 7: Figura 7, primul prototip (o versiune mai veche) a convertorului Buck

După lipirea componentelor, suntem gata să testăm circuitul. Fișa tehnică spune că putem aplica o tensiune de la 4,5V la 24V la intrare. Principalele diferențe dintre primul prototip (placa mea testată) și ultimul PCB / Schematic sunt câteva modificări în designul PCB și plasarea / valorile componentelor. Pentru primul prototip, condensatorul de ieșire este de numai 22uF-35V. Așa că l-am schimbat cu doi condensatori SMD de 47 uF (pachete C5 și C7, 1210). Am aplicat aceleași modificări pentru intrare și am înlocuit condensatorul de intrare cu doi condensatori de 35V. De asemenea, am schimbat locația antetului de ieșire.

Deoarece tensiunea maximă de ieșire este de 21 V și condensatoarele sunt nominale la 25 V (ceramică), atunci nu ar trebui să existe o problemă a ratei de tensiune, totuși, dacă aveți îngrijorări cu privire la tensiunile nominale ale condensatorilor, reduceți pur și simplu valorile capacității lor la 22 uF și creșteți tensiuni nominale la 35V. Puteți compensa întotdeauna acest lucru adăugând condensatori de ieșire suplimentari pe circuitul / sarcina țintă. Chiar și puteți adăuga un condensator 470uF sau 1000uF „extern”, deoarece nu există suficient spațiu pe placă pentru a se potrivi cu oricare dintre ele. De fapt, adăugând mai mulți condensatori, reducem frecvența de întrerupere a filtrului final, astfel încât acesta să suprime mai multe zgomote.

Este mai bine să utilizați condensatorii în paralel. De exemplu, utilizați două 470uF în paralel în loc de unul 1000uF. Ajută la reducerea valorii ESR totale (regula rezistențelor paralele).

Acum, să examinăm ondulația și zgomotul de ieșire utilizând un osciloscop frontal cu zgomot redus, cum ar fi Siglent SDS1104X-E. Poate măsura tensiuni de până la 500uV / div, ceea ce este o caracteristică foarte frumoasă.

Am lipit placa convertizorului, însoțită de un condensator extern 470uF-35V, pe o bucată mică de placă prototip DIY pentru a testa ondulația și zgomotul (figura 8)

Pasul 8: Figura 8, placa convertor pe o bucată mică de placă prototip DIY (inclusiv un condensator de ieșire 470uF)

Atunci când tensiunea de intrare este mare (24V) și tensiunea de ieșire este mică (de exemplu, 5V), ar trebui să se genereze zgomotul maxim și zgomotul, deoarece diferența de tensiune de intrare și ieșire este mare. Deci, să echipăm sonda osciloscopului cu un arc de masă și să verificăm zgomotul de ieșire (figura 9). Este esențial să se utilizeze arcul de masă, deoarece firul de masă al sondei osciloscopului poate absorbi o mulțime de zgomote în modul comun, în special în astfel de măsurători.

Pasul 9: Figura 9, Înlocuirea firului de masă al sondei cu un arc de masă

Figura 10 arată zgomotul de ieșire atunci când intrarea este de 24V și ieșirea este de 5V. Trebuie menționat faptul că ieșirea convertorului este gratuită și nu a fost conectată la nicio încărcare.

Pasul 10: Figura 10, Zgomotul de ieșire al convertorului DC-DC (intrare = 24V, ieșire = 5V)

Acum să testăm zgomotul de ieșire sub cea mai mică diferență de tensiune de intrare / ieșire (0,8V). Am setat tensiunea de intrare la 12V și ieșirea la 11,2V (figura 11).

Pasul 11: Figura 11, Zgomotul de ieșire sub cea mai mică diferență de tensiune de intrare / ieșire (intrare = 12V, ieșire = 11,2V)

Vă rugăm să rețineți că, prin creșterea curentului de ieșire (adăugarea unei sarcini), zgomotul / ondularea de ieșire crește. Aceasta este o poveste adevărată pentru toate sursele de alimentare sau convertoarele.

[4] Lista de materiale

Figura 12 prezintă lista materialelor proiectului.