97% efektyvus nuolatinės srovės ir nuolatinės srovės keitiklis [3A, reguliuojamas]: 12 žingsnių

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:45

Nedidelė nuolatinės srovės į nuolatinę srovę konverterio plokštė yra naudinga daugeliui programų, ypač jei ji galėtų tiekti srovę iki 3A (2A nuolat be aušintuvo). Šiame straipsnyje mes išmoksime sukurti nedidelę, efektyvią ir pigią „Buck“keitiklio grandinę.

[1]: Grandinės analizė

1 paveiksle parodyta įrenginio schema. Pagrindinė sudedamoji dalis yra MP2315 pakopinis konverteris.

1 žingsnis: nuorodos

Straipsnio šaltinis:

[2]:

[3]:

2 žingsnis: 1 paveikslas, DC į DC Buck keitiklio schema

Pagal MP2315 [1] duomenų lapą: „MP2315 yra aukšto dažnio sinchroninis ištaisytas žemesnio lygio perjungimo režimo keitiklis su įmontuotais vidiniais maitinimo MOSFET. Siūlomas labai kompaktiškas sprendimas, leidžiantis pasiekti 3A nuolatinę išėjimo srovę plačiame įvesties tiekimo diapazone, puikiai reguliuojant apkrovą ir liniją. MP2315 veikia sinchroniniu režimu, kad būtų didesnis efektyvumas per išėjimo srovės apkrovos diapazoną. Esamo režimo veikimas užtikrina greitą trumpalaikį atsaką ir palengvina ciklo stabilizavimą. Visos apsaugos funkcijos apima OCP ir terminį išjungimą. Žemas RDS (įjungtas) leidžia šiam lustui valdyti dideles sroves.

C1 ir C2 naudojami įėjimo įtampos triukšmui mažinti. R2, R4 ir R5 sukuria grįžtamojo ryšio kelią į lustą. R2 yra 200K daugiafunkcinis potenciometras, skirtas išėjimo įtampai reguliuoti. L1 ir C4 yra esminiai kainų keitiklio elementai. L2, C5 ir C7 sukuria papildomą išvesties LC filtrą, kurį pridėjau, kad sumažintų triukšmą ir bangavimą. Šio filtro išjungimo dažnis yra apie 1KHz. R6 riboja srovės srautą iki EN kaiščio. R1 vertė nustatyta pagal duomenų lapą. R3 ir C3 yra susiję su įkrovos grandine ir nustatomi pagal duomenų lapą.

2 paveiksle pavaizduotas efektyvumo ir išėjimo srovės grafikas. Didžiausias efektyvumas beveik visoms įėjimo įtampoms buvo pasiektas esant maždaug 1A.

3 žingsnis: 2 pav. Efektyvumas Vs išėjimo srovė

[2]: PCB išdėstymas 3 pav. Parodytas suprojektuotas PCB išdėstymas. Tai maža (2,1 cm*2,6 cm) dviejų sluoksnių lenta.

IC1 naudojau „SamacSys“komponentų bibliotekas (scheminis simbolis ir PCB pėdsakas) [2], nes šios bibliotekos yra nemokamos ir, svarbiausia, atitinka pramonės IPC standartus. Aš naudoju „Altium Designer CAD“programinę įrangą, todėl naudoju „SamacSys Altium“papildinį, kad tiesiogiai įdiegčiau komponentų bibliotekas [3]. 4 paveiksle pavaizduoti pasirinkti komponentai. Taip pat galite ieškoti ir įdiegti/naudoti pasyviųjų komponentų bibliotekas.

4 žingsnis: 3 pav., DC į DC Buck keitiklio PCB išdėstymas

5 žingsnis: 4 paveikslas, pasirinktas komponentas (IC1) iš „SamacSys“altiumo papildinio

Tai paskutinė PCB plokštės peržiūra. 5 paveiksle ir 6 paveiksle pavaizduoti trimačiai PCB plokštės vaizdai iš viršaus ir apačios.

6 veiksmas: 5 ir 6 paveikslai, PCB plokštės 3D vaizdai (TOP ir Buttom)

[3]: Konstrukcija ir bandymas 7 paveiksle pavaizduotas pirmasis plokštės prototipas (pirmoji versija). PCB plokštę pagamino „PCBWay“, kuri yra aukštos kokybės plokštė. Aš neturėjau jokių problemų su litavimu.

Kaip aišku 8 paveiksle, aš modifikavau kai kurias grandinės dalis, kad pasiekčiau mažesnį triukšmą, todėl pateikta schema ir PCB yra naujausios versijos.

7 žingsnis: 7 paveikslas, pirmasis „Buck Converter“prototipas (senesnė versija)

Lituodami komponentus, esame pasirengę išbandyti grandinę. Duomenų lape sakoma, kad įvestį galime įjungti nuo 4,5 V iki 24 V įtampa. Pagrindiniai pirmojo prototipo (mano išbandytos plokštės) ir paskutinės PCB/schemos skirtumai yra kai kurie PCB dizaino ir komponentų išdėstymo/verčių pakeitimai. Pirmajam prototipui išėjimo kondensatorius yra tik 22uF-35V. Taigi aš jį pakeičiau dviem 47uF SMD kondensatoriais (C5 ir C7, 1210 paketai). Aš pritaikiau tas pačias modifikacijas įėjimui ir pakeičiau įvesties kondensatorių dviem 35 V vardiniais kondensatoriais. Be to, pakeičiau išvesties antraštės vietą.

Kadangi didžiausia išėjimo įtampa yra 21 V, o kondensatoriai yra 25 V (keraminiai), tada įtampos greičio problemos neturėtų kilti, tačiau, jei nerimaujate dėl kondensatorių vardinės įtampos, tiesiog sumažinkite jų talpos reikšmes iki 22uF ir padidinkite vardinė įtampa iki 35 V. Jūs visada galite tai kompensuoti pridedant papildomų išvesties kondensatorių į tikslinę grandinę/apkrovą. Net jūs galite pridėti 470uF arba 1000uF kondensatorių „išoriškai“, nes plokštėje nėra pakankamai vietos, kad tilptų bet kuris iš jų. Tiesą sakant, pridedant daugiau kondensatorių, sumažėja galutinio filtro išjungimo dažnis, todėl jis slopina daugiau triukšmo.

Kondensatorius geriau naudoti lygiagrečiai. Pavyzdžiui, lygiagrečiai naudokite du 470uF, o ne vieną 1000uF. Tai padeda sumažinti bendrą ESR vertę (lygiagrečių rezistorių taisyklė).

Dabar išnagrinėkime išėjimo pulsavimą ir triukšmą naudodami mažo triukšmo priekinį osciloskopą, pvz., „Siglent SDS1104X-E“. Jis gali išmatuoti iki 500uV/div įtampą, o tai yra labai gera savybė.

Lituodavau keitiklio plokštę kartu su išoriniu 470uF-35V kondensatoriumi ant nedidelio „pasidaryk pats“prototipo plokštės gabalo, kad patikrintumėte pulsavimą ir triukšmą (8 pav.)

8 žingsnis: 8 paveikslas, keitiklio plokštė ant nedidelio „pasidaryk pats“prototipo plokštės gabalo (įskaitant 470uF išvesties kondensatorių)

Kai įėjimo įtampa yra aukšta (24 V), o išėjimo įtampa yra maža (pavyzdžiui, 5 V), turėtų būti sukuriamas didžiausias pulsas ir triukšmas, nes įėjimo ir išėjimo įtampos skirtumas yra didelis. Taigi aprūpinkime osciloskopo zondą su įžeminimo spyruokle ir patikrinkite išėjimo triukšmą (9 pav.). Būtina naudoti įžeminimo spyruoklę, nes osciloskopo zondo įžeminimo laidas gali sugerti daug bendro režimo triukšmo, ypač atliekant tokius matavimus.

9 veiksmas: 9 paveikslas, zondo įžeminimo laido keitimas įžeminimo spyruokle

10 paveiksle parodytas išėjimo triukšmas, kai įėjimas yra 24 V, o išėjimas - 5 V. Reikėtų paminėti, kad keitiklio išėjimas yra laisvas ir nebuvo prijungtas prie jokios apkrovos.

10 veiksmas: 10 paveikslas, nuolatinės srovės į nuolatinės srovės keitiklio išvesties triukšmas (įėjimas = 24 V, išėjimas = 5 V)

Dabar išbandykime išėjimo triukšmą esant mažiausiam įėjimo/išėjimo įtampos skirtumui (0,8 V). Aš nustatiau įėjimo įtampą 12 V, o išėjimą - 11,2 V (11 pav.).

11 veiksmas: 11 pav. Išėjimo triukšmas esant mažiausiam įėjimo/išėjimo įtampos skirtumui (įėjimas = 12V, išėjimas = 11,2V)

Atminkite, kad padidinus išėjimo srovę (pridedant apkrovą) padidėja išėjimo triukšmas/pulsacija. Tai tikra istorija apie visus maitinimo šaltinius ar keitiklius.

[4] Sąrašas medžiagų

12 paveiksle parodyta projekto medžiagų sąskaita.