97% účinný měnič DC na DC Buck [3A, nastavitelný]: 12 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Malá deska konvertoru bucků DC na DC je užitečná pro mnoho aplikací, zejména pokud dokáže dodávat proudy až 3A (2A nepřetržitě bez chladiče). V tomto článku se naučíme stavět malý, účinný a levný obvod převaděče bucků.

[1]: Analýza obvodu

Obrázek 1 ukazuje schematický diagram zařízení. Hlavní komponentou je MP2315 step-down buck converter.

Krok 1: Reference

Zdroj článku:

[2]:

[3]:

Krok 2: Obrázek 1, schematický diagram převaděče DC na DC Buck

Podle datového listu MP2315 [1]: „MP2315 je vysokofrekvenční synchronně usměrněný převodník se spínacím režimem s vestavěným vnitřním napájením MOSFET. Nabízí velmi kompaktní řešení pro dosažení 3A spojitého výstupního proudu v širokém rozsahu vstupního napájení s vynikající regulací zátěže a vedení. MP2315 má provoz v synchronním režimu pro vyšší účinnost v rozsahu zatížení výstupního proudu. Provoz v aktuálním režimu poskytuje rychlou přechodovou odezvu a usnadňuje stabilizaci smyčky. Mezi funkce plné ochrany patří OCP a tepelné vypnutí. “Nízké RDS (zapnuto) umožňuje tomuto čipu zvládnout vysoké proudy.

C1 a C2 se používají ke snížení šumů vstupního napětí. R2, R4 a R5 vytvářejí cestu zpětné vazby k čipu. R2 je 200K víceotáčkový potenciometr pro nastavení výstupního napětí. L1 a C4 jsou základní prvky převodníku buck. L2, C5 a C7 vytvářejí další výstupní LC filtr, který jsem přidal ke snížení šumu a zvlnění. Mezní frekvence tohoto filtru je kolem 1KHz. R6 omezuje tok proudu na kolík EN. Hodnota R1 byla nastavena podle datového listu. R3 a C3 souvisejí s obvodem bootstrapu a jsou určeny podle datového listu.

Obrázek 2 ukazuje graf účinnosti vs. výstupního proudu. Nejvyšší účinnosti pro téměř všechna vstupní napětí bylo dosaženo kolem 1A.

Krok 3: Obrázek 2, Účinnost vs. výstupní proud

[2]: Rozložení DPS Obrázek 3 ukazuje navržené rozvržení DPS. Je to malá (2,1 cm*2,6 cm) dvouvrstvá deska.

Pro IC1 [2] jsem použil knihovny komponent SamacSys (Schematický symbol a stopa PCB), protože tyto knihovny jsou zdarma a co je důležitější, dodržují průmyslové standardy IPC. Používám CAD software Altium Designer, takže jsem použil plugin SamacSys Altium k přímé instalaci knihoven komponent [3]. Obrázek 4 ukazuje vybrané komponenty. Můžete také vyhledávat a instalovat/používat knihovny pasivních komponent.

Krok 4: Obrázek 3, Rozložení DPS převodníku DC na DC Buck

Krok 5: Obrázek 4, vybraná součást (IC1) z pluginu SamacSys Altium

Toto je poslední revize desky plošných spojů. Obrázky 5 a 6 ukazují 3D pohledy na desku plošných spojů shora a zdola.

Krok 6: Obrázek 5 a 6, 3D pohledy na desku plošných spojů (TOP a Buttom)

[3]: Konstrukce a test Obrázek 7 ukazuje první prototyp (první verze) desky. Deska plošných spojů byla vyrobena společností PCBWay, což je vysoce kvalitní deska. S pájením jsem neměl žádný problém.

Jak je zřejmé z obrázku 8, upravil jsem některé části obvodu, abych dosáhl nižšího šumu, takže poskytnuté Schematic a PCB jsou nejnovější verze.

Krok 7: Obrázek 7, první prototyp (starší verze) Buck Converter

Po pájení součástek jsme připraveni obvod otestovat. Datasheet říká, že na vstup můžeme aplikovat napětí od 4,5V do 24V. Hlavní rozdíly mezi prvním prototypem (moje testovaná deska) a posledním PCB/Schematic jsou některé úpravy v návrhu PCB a umístění/hodnotách komponent. U prvního prototypu je výstupní kondenzátor pouze 22uF-35V. Tak jsem to změnil dvěma 47uF SMD kondenzátory (C5 a C7, 1210 balení). Použil jsem stejné úpravy pro vstup a nahradil vstupní kondenzátor dvěma kondenzátory o jmenovité hodnotě 35 V. Také jsem změnil umístění výstupní hlavičky.

Protože maximální výstupní napětí je 21 V a kondenzátory jsou dimenzovány na 25 V (keramické), neměl by být problém s napětím, pokud však máte obavy ohledně jmenovitého napětí kondenzátorů, jednoduše snižte jejich hodnoty kapacity na 22 uF a zvyšte jmenovité napětí do 35V. Vždy to můžete kompenzovat přidáním dalších výstupních kondenzátorů do cílového obvodu/zátěže. Dokonce i „externě“můžete přidat kondenzátor 470uF nebo 1000uF, protože na desce není dostatek místa, aby se vešel do kteréhokoli z nich. Ve skutečnosti přidáním dalších kondenzátorů snižujeme mezní frekvenci konečného filtru, takže by potlačil více šumů.

Je lepší používat kondenzátory paralelně. Použijte například dva 470uF paralelně místo jednoho 1000uF. Pomáhá snížit celkovou hodnotu ESR (pravidlo paralelních odporů).

Nyní se podívejme na zvlnění a šum výstupu pomocí nízkošumového předního osciloskopu, jako je Siglent SDS1104X-E. Dokáže měřit napětí až 500uV/div, což je velmi příjemná funkce.

Desku měniče jsem připájel spolu s externím kondenzátorem 470uF-35V na malý kousek desky prototypu DIY, abych otestoval zvlnění a šum (obrázek 8)

Krok 8: Obrázek 8, deska převodníku na malém kusu prototypové desky DIY (včetně výstupního kondenzátoru 470 uF)

Když je vstupní napětí vysoké (24 V) a výstupní napětí je nízké (například 5 V), mělo by být generováno maximální zvlnění a šum, protože rozdíl vstupního a výstupního napětí je vysoký. Vybavíme tedy osciloskopickou sondu zemní pružinou a zkontrolujeme výstupní šum (obrázek 9). Je nezbytné použít zemnící pružinu, protože uzemňovací vodič sondy osciloskopu může absorbovat mnoho zvuků běžného režimu, zvláště při takových měřeních.

Krok 9: Obrázek 9, Výměna uzemňovacího drátu sondy zemnicí pružinou

Obrázek 10 ukazuje výstupní šum, když je vstup 24 V a výstup 5 V. Je třeba zmínit, že výstup převodníku je volný a nebyl připojen k žádné zátěži.

Krok 10: Obrázek 10, Výstupní šum převodníku DC na DC (vstup = 24 V, výstup = 5 V)

Nyní otestujeme výstupní šum pod nejnižším rozdílem vstupního/výstupního napětí (0,8 V). Vstupní napětí jsem nastavil na 12V a výstup na 11,2V (obrázek 11).

Krok 11: Obrázek 11, Výstupní šum pod nejnižším rozdílem vstupního/výstupního napětí (vstup = 12V, výstup = 11,2V)

Pamatujte, že zvýšením výstupního proudu (přidáním zátěže) se výstupní šum/zvlnění zvyšuje. Toto je skutečný příběh pro všechny napájecí zdroje nebo měniče.

[4] Kusovník

Obrázek 12 ukazuje kusovník projektu.