Высокоэффективный понижающий преобразователь выходного напряжения 5 В своими руками !: 7 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:48

Мне нужен был эффективный способ понижения более высоких напряжений от LiPo аккумуляторов (и других источников) до 5 В для проектов электроники. Раньше я использовал обычные понижающие модули от eBay, но сомнительный контроль качества и отсутствие именных электролитических конденсаторов не внушали мне уверенности.

Итак, я решил, что сделаю свой собственный понижающий преобразователь, чтобы не только испытать себя, но и сделать что-то полезное!

В итоге я получил понижающий преобразователь, который имеет очень широкий диапазон входного напряжения (от 6 до 50 В на входе) и выдает 5 В при токе нагрузки до 1 А и все это в небольшом форм-факторе. Пиковая эффективность, которую я измерил, составила 94%, так что эта схема не только мала, но и остается прохладной.

Шаг 1: выбор микросхемы Buck

Хотя вы, безусловно, можете сделать понижающий преобразователь с несколькими операционными усилителями и другими вспомогательными компонентами, вы получите лучшую производительность и, безусловно, сэкономите много места на печатной плате, если вместо этого выберете специальную интегральную схему понижающего преобразователя.

Вы можете использовать функции поиска и фильтрации на таких сайтах, как DigiKey, Mouser и Farnell, чтобы найти подходящую ИС для ваших нужд. На картинке выше вы можете увидеть устрашающие 16 453 детали, которые сужаются до 12 вариантов всего за несколько кликов!

Я выбрал MAX17502F в крошечном корпусе 3 мм x 2 мм, но, вероятно, лучше было бы немного побольше, если вы планируете пайку компонентов вручную. Эта ИС обладает множеством функций, наиболее заметными из которых являются большой входной диапазон до 60 В * и внутренние силовые полевые транзисторы, что означает отсутствие необходимости во внешних полевых МОП-транзисторах или диодах.

* Обратите внимание, что во вступлении я сказал, что это вход 50 В, но часть может выдерживать 60 В? Это связано с входными конденсаторами, и если вам нужен вход 60 В, схему можно изменить в соответствии с требованиями.

Шаг 2: проверьте техническое описание выбранной микросхемы

Чаще всего в таблице данных будет отображаться так называемая «Типовая схема приложения», которая будет очень похожа на то, что вы пытаетесь достичь. Это было верно для моего случая, и хотя можно было просто скопировать значения компонентов и называть это готовым, я бы рекомендовал следовать процедуре проектирования (если она предусмотрена).

Вот техническое описание MAX17502F:

Начиная со страницы 12 есть около десятка очень простых уравнений, которые могут помочь вам выбрать более подходящие значения компонентов, а также предоставить подробную информацию о некоторых пороговых значениях, таких как минимальное значение индуктивности.

Шаг 3: Выберите компоненты для вашей схемы

Подождите, я думал, мы уже сделали эту часть? Что ж, предыдущая часть заключалась в том, чтобы найти идеальные значения компонентов, но в реальном мире мы должны довольствоваться неидеальными компонентами и вытекающими отсюда предостережениями.

Например, для входных и выходных конденсаторов используются многослойные керамические конденсаторы (MLCC). MLCC имеют много преимуществ перед электролитическими конденсаторами, особенно в преобразователях постоянного / постоянного тока, но они подвержены так называемому смещению постоянного тока.

Когда напряжение постоянного тока подается на MLCC, номинальная емкость может упасть до 60%! Это означает, что емкость вашего конденсатора 10 мкФ теперь составляет всего 4 мкФ при определенном постоянном напряжении. Не верите мне? Взгляните на веб-сайт TDK и прокрутите вниз, чтобы увидеть характеристики этого конденсатора 10 мкФ.

Легкое решение для этого типа проблемы - просто использовать больше MLCC параллельно. Это также помогает уменьшить пульсации напряжения, поскольку снижается ESR, что очень часто встречается в коммерческих продуктах, которые должны соответствовать строгим требованиям регулирования напряжения.

На изображениях выше представлена схема и соответствующий список материалов (BOM) из оценочного комплекта MAX17502F, поэтому, если вы не можете найти подходящий компонент, используйте проверенный и проверенный пример:)

Шаг 4: Заполнение схемы и компоновки печатной платы

Выбрав ваши фактические компоненты, пришло время создать схему, которая фиксирует эти компоненты. Для этого я выбрал EasyEDA, поскольку я использовал его раньше с положительными результатами. Просто добавьте свои компоненты, убедившись, что они имеют размер подходящего размера, и соедините компоненты вместе, как это было в типичной схеме приложения ранее.

Как только это будет завершено, нажмите кнопку «Convert to PCB», и вы попадете в раздел PCB Layout инструмента. Не волнуйтесь, если вы в чем-то не уверены, так как в Интернете есть множество руководств по EasyEDA.

Компоновка печатной платы очень важна, и от нее зависит, работает схема или нет. Я настоятельно рекомендую следовать всем советам по компоновке в таблице данных IC, если они есть. Если кому-то интересно, у Analog Devices есть отличное примечание по применению на тему компоновки печатных плат:

Шаг 5: Закажите печатные платы

Я уверен, что большинство из вас уже видели рекламные сообщения в видеороликах на YouTube для JLCPCB и PCBway, поэтому неудивительно, что я использовал одно из этих рекламных предложений. Я заказал свои печатные платы в JLCPCB, и они прибыли чуть более 2 недель спустя, так что с финансовой точки зрения они довольно хороши.

К качеству печатных плат претензий нет, но судите сами:)

Шаг 6: Сборка и тестирование

Я вручную припаял все компоненты к пустой печатной плате, что было довольно неудобно, даже с дополнительным пространством, которое я оставил между компонентами, но есть услуги сборки от JLCPCB и других поставщиков печатных плат, которые устранят необходимость в этом шаге.

Подключив питание к входным клеммам и замерив выход, я увидел 5,02 В, как видно на цифровом мультиметре. После того, как я проверил выход 5 В во всем диапазоне напряжений, я подключил электронную нагрузку к выходу, которая была настроена на потребление тока 1 А.

Бак запустился прямо с этим током нагрузки 1 А, и когда я измерил выходное напряжение (на плате), оно составило 5,01 В, так что регулировка нагрузки была очень хорошей. Я установил входное напряжение на 12 В, так как это был один из вариантов использования этой платы, и я измерил входной ток как 0,476 А. Это дает эффективность примерно 87,7%, но в идеале вам понадобится метод тестирования с четырьмя цифровыми мультиметрами для измерения эффективности.

При токе нагрузки 1А я заметил, что эффективность была немного ниже, чем ожидалось, я считаю, что это связано с потерями (I ^ 2 * R) в катушке индуктивности и в самой ИС. Чтобы подтвердить это, я установил ток нагрузки на половину и повторил вышеупомянутое измерение, чтобы получить КПД 94%. Это означает, что за счет уменьшения выходного тока вдвое потери мощности были уменьшены с ~ 615 мВт до ~ 300 мВт. Некоторые потери будут неизбежны, такие как коммутационные потери внутри ИС, а также ток покоя, поэтому я все еще очень доволен этим результатом.

Шаг 7: Включите вашу собственную печатную плату в некоторые проекты

Теперь у вас есть стабильный источник питания 5 В, 1 А, который может питаться от литиевого аккумулятора от 2S до 11S или любого другого источника от 6 В до 50 В, и вам не нужно беспокоиться о том, как питать ваши собственные электронные проекты. Будь то микроконтроллер или чисто аналоговая схема, этот небольшой понижающий преобразователь может все!

Надеюсь, вам понравилось это путешествие, и, если вы прошли так далеко, большое спасибо за чтение!