97% efektīvs līdzstrāvas pārveidotājs [3A, regulējams]: 12 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:53

Neliela līdzstrāvas līdzstrāvas pārveidotāja plāksne ir noderīga daudziem lietojumiem, it īpaši, ja tā varētu piegādāt strāvu līdz 3A (2A nepārtraukti bez radiatora). Šajā rakstā mēs iemācīsimies izveidot nelielu, efektīvu un lētu buks pārveidotāja ķēdi.

[1]: Ķēdes analīze

1. attēlā parādīta ierīces shematiskā shēma. Galvenā sastāvdaļa ir MP2315 pazemināmā buka pārveidotājs.

1. darbība. Atsauces

Raksta avots:

[2]:

[3]:

2. darbība: 1. attēls, DC līdz DC Buck pārveidotāja shematiskā diagramma

Saskaņā ar MP2315 [1] datu lapu: “MP2315 ir augstfrekvences sinhronā rektificēts pazeminošs slēdža režīma pārveidotājs ar iebūvētu iekšējo barošanas MOSFET. Tas piedāvā ļoti kompaktu risinājumu, lai sasniegtu 3A nepārtrauktu izejas strāvu plašā ieejas padeves diapazonā ar lielisku slodzes un līnijas regulēšanu. MP2315 ir sinhronā režīma darbība, kas nodrošina lielāku efektivitāti izejas strāvas slodzes diapazonā. Pašreizējā režīma darbība nodrošina ātru pārejošu reakciju un atvieglo cilpas stabilizāciju. Pilnas aizsardzības funkcijas ietver OCP un termisko izslēgšanu.” Zems RDS (ieslēgts) ļauj šai mikroshēmai apstrādāt lielas strāvas.

C1 un C2 tiek izmantoti, lai samazinātu ieejas sprieguma trokšņus. R2, R4 un R5 veido atgriezenisko saiti uz mikroshēmu. R2 ir 200K daudzapgriezienu potenciometrs, lai pielāgotu izejas spriegumu. L1 un C4 ir būtiski buksu pārveidotāja elementi. L2, C5 un C7 izveido papildu izejas LC filtru, ko es pievienoju, lai samazinātu troksni un pulsāciju. Šī filtra izslēgšanas frekvence ir aptuveni 1KHz. R6 ierobežo strāvas plūsmu līdz EN tapai. R1 vērtība ir iestatīta saskaņā ar datu lapu. R3 un C3 ir saistīti ar sāknēšanas ķēdi un tiek noteikti saskaņā ar datu lapu.

2. attēlā parādīta efektivitātes un izejas strāvas diagramma. Visaugstākā efektivitāte gandrīz visiem ieejas spriegumiem ir sasniegta pie aptuveni 1A.

3. solis: 2. attēls. Efektivitātes Vs izejas strāva

[2]: PCB izkārtojums 3. attēlā parādīts izstrādātais PCB izkārtojums. Tā ir maza (2,1 cm*2,6 cm) divu slāņu tāfele.

IC1 izmantoju SamacSys komponentu bibliotēkas (shematisks simbols un PCB nospiedums) [2], jo šīs bibliotēkas ir bezmaksas un, vēl svarīgāk, atbilst rūpnieciskajiem IPC standartiem. Es izmantoju Altium Designer CAD programmatūru, tāpēc es izmantoju SamacSys Altium spraudni, lai tieši instalētu komponentu bibliotēkas [3]. 4. attēlā parādīti atlasītie komponenti. Varat arī meklēt un instalēt/izmantot pasīvo komponentu bibliotēkas.

4. solis: 3. attēls, DCB līdzstrāvas pārveidotāja PCB izkārtojums

5. solis: 4. attēls, atlasītais komponents (IC1) no SamacSys Altium spraudņa

Šī ir pēdējā PCB plates pārskatīšana. 5. un 6. attēlā parādīti PCB plates 3D skati no augšas un apakšas.

6. solis: 5. un 6. attēls, PCB plates 3D skati (TOP un Buttom)

[3]: Konstrukcija un tests 7. attēlā parādīts tāfeles pirmais prototips (pirmā versija). PCB plāksni ir izgatavojis PCBWay, kas ir augstas kvalitātes plāksne. Man nebija nekādu problēmu ar lodēšanu.

Kā redzams 8. attēlā, esmu modificējis dažas ķēdes daļas, lai panāktu zemāku troksni, tāpēc sniegtā shēma un PCB ir jaunākās versijas.

7. solis: 7. attēls, Buck Converter pirmais prototips (vecāka versija)

Pēc sastāvdaļu lodēšanas mēs esam gatavi pārbaudīt ķēdi. Datu lapā ir teikts, ka mēs varam ievadīt spriegumu no 4,5 V līdz 24 V. Galvenās atšķirības starp pirmo prototipu (manu pārbaudīto plati) un pēdējo PCB/shēmu ir dažas izmaiņas PCB dizainā un komponentu izvietojumā/vērtībās. Pirmajam prototipam izejas kondensators ir tikai 22uF-35V. Tāpēc es to nomainīju ar diviem 47uF SMD kondensatoriem (C5 un C7, 1210 iepakojumi). Ievadei piemēroju tādas pašas izmaiņas un ieejas kondensatoru nomainīju ar diviem 35 V nominālajiem kondensatoriem. Es arī mainīju izvades galvenes atrašanās vietu.

Tā kā maksimālais izejas spriegums ir 21V un kondensatori ir nomināli uz 25V (keramikas), tad nevajadzētu būt sprieguma ātruma problēmām, tomēr, ja jums ir bažas par kondensatoru nominālo spriegumu, vienkārši samaziniet to kapacitātes vērtības līdz 22uF un palieliniet nominālais spriegums līdz 35 V. Jūs vienmēr varat to kompensēt, pievienojot papildu izejas kondensatorus mērķa shēmai/slodzei. Pat jūs varat pievienot 470uF vai 1000uF kondensatoru “ārēji”, jo uz tāfeles nav pietiekami daudz vietas, lai ietilptu kādā no tiem. Faktiski, pievienojot vairāk kondensatoru, mēs samazinām gala filtra izslēgšanas frekvenci, lai tas nomāktu vairāk trokšņu.

Labāk ir izmantot kondensatorus paralēli. Piemēram, paralēli izmantojiet divus 470uF, nevis vienu 1000uF. Tas palīdz samazināt kopējo ESR vērtību (paralēlo rezistoru noteikums).

Tagad pārbaudīsim izvades pulsāciju un troksni, izmantojot zema trokšņa priekšējo osciloskopu, piemēram, Siglent SDS1104X-E. Tas var izmērīt spriegumu līdz 500uV/div, kas ir ļoti jauka iezīme.

Es lodēju pārveidotāja plāksni kopā ar ārēju 470uF-35V kondensatoru uz neliela DIY prototipa plāksnes, lai pārbaudītu pulsāciju un troksni (8. attēls)

8. solis: 8. attēls, pārveidotāja dēlis nelielā DIY prototipa plāksnes gabalā (ieskaitot 470uF izejas kondensatoru)

Ja ieejas spriegums ir augsts (24V) un izejas spriegums ir zems (piemēram, 5V), jārada maksimālais pulsācija un troksnis, jo ieejas un izejas sprieguma starpība ir augsta. Tāpēc aprīkosim osciloskopa zondi ar zemējuma atsperi un pārbaudīsim izejas troksni (9. attēls). Ir obligāti jāizmanto zemējuma atspere, jo osciloskopa zondes zemējuma vads var absorbēt daudz parasto režīmu trokšņu, īpaši šādos mērījumos.

9. solis: 9. attēls, zondes zemējuma stieples nomaiņa ar zemējuma atsperi

10. attēlā parādīts izejas troksnis, ja ieeja ir 24 V un izeja ir 5 V. Jāpiemin, ka pārveidotāja izeja ir brīva un nav pievienota nevienai slodzei.

10. solis: 10. attēls. Līdzstrāvas līdzstrāvas pārveidotāja izejas troksnis (ieeja = 24V, izeja = 5V)

Tagad pārbaudīsim izejas troksni zemākajā ieejas/izejas sprieguma starpībā (0,8 V). Es iestatīju ieejas spriegumu uz 12V un izeju uz 11,2V (11. attēls).

11. solis: 11. attēls. Izejas troksnis zemākajā ieejas/izejas sprieguma starpībā (ievade = 12V, izeja = 11.2V)

Lūdzu, ņemiet vērā, ka, palielinot izejas strāvu (pievienojot slodzi), palielinās izejas troksnis/pulsācija. Šis ir patiess stāsts par visiem barošanas avotiem vai pārveidotājiem.

[4] Materiālu saraksts

12. attēlā parādīts projekta materiālu saraksts.