Понижающий преобразователь постоянного тока с КПД 97% [3 А, регулируемый]: 12 ступеней

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

Крошечная плата понижающего преобразователя постоянного тока полезна для многих приложений, особенно если она может обеспечивать токи до 3 А (2 А непрерывно без радиатора). В этой статье мы научимся создавать небольшую, эффективную и дешевую схему понижающего преобразователя.

[1]: Анализ цепей

На рисунке 1 представлена принципиальная схема устройства. Основным компонентом является понижающий понижающий преобразователь MP2315.

Шаг 1. Ссылки

Источник статьи:

[2]:

[3]:

Шаг 2: Рисунок 1, принципиальная схема понижающего преобразователя постоянного тока

Согласно техническому описанию MP2315 [1]: «MP2315 - это высокочастотный синхронный выпрямленный понижающий импульсный преобразователь со встроенными внутренними силовыми полевыми МОП-транзисторами. Он предлагает очень компактное решение для достижения непрерывного выходного тока 3 А в широком диапазоне входных напряжений с отличной нагрузкой и регулировкой линии. MP2315 работает в синхронном режиме для повышения эффективности в диапазоне нагрузки выходного тока. Работа в токовом режиме обеспечивает быстрый переходный отклик и упрощает стабилизацию контура. Функции полной защиты включают OCP и тепловое отключение ». Низкое RDS (включено) позволяет этой микросхеме выдерживать большие токи.

C1 и C2 используются для уменьшения шума входного напряжения. R2, R4 и R5 создают обратную связь к микросхеме. R2 - многооборотный потенциометр 200K для регулировки выходного напряжения. L1 и C4 являются основными элементами понижающего преобразователя. L2, C5 и C7 образуют дополнительный выходной LC-фильтр, который я добавил для уменьшения шума и пульсаций. Частота среза этого фильтра составляет около 1 кГц. R6 ограничивает ток на выводе EN. Значение R1 установлено в соответствии с таблицей данных. R3 и C3 относятся к схеме начальной загрузки и определяются в соответствии с таблицей данных.

На рисунке 2 показан график зависимости КПД от выходного тока. Наивысшая эффективность почти для всех входных напряжений была достигнута на уровне около 1 А.

Шаг 3: Рисунок 2, КПД по отношению к выходному току

[2]: Схема расположения печатной платы На рисунке 3 показана спроектированная компоновка печатной платы. Это небольшая (2,1 см * 2,6 см) двухслойная доска.

Я использовал библиотеки компонентов SamacSys (схематический символ и посадочное место на печатной плате) для IC1 [2], потому что эти библиотеки бесплатны и, что более важно, они соответствуют промышленным стандартам IPC. Я использую программное обеспечение САПР Altium Designer, поэтому я использовал плагин SamacSys Altium для прямой установки библиотек компонентов [3]. На рисунке 4 показаны выбранные компоненты. Вы также можете искать и устанавливать / использовать библиотеки пассивных компонентов.

Шаг 4: Рисунок 3, Компоновка печатной платы понижающего преобразователя постоянного тока

Шаг 5: Рисунок 4, выбранный компонент (IC1) из подключаемого модуля SamacSys Altium

Это последняя ревизия печатной платы. На рисунках 5 и 6 показаны трехмерные виды печатной платы сверху и снизу.

Шаг 6: рис. 5 и 6, трехмерные изображения печатной платы (верхняя и нижняя части)

[3]: Конструкция и тестирование На рисунке 7 показан первый прототип (первая версия) платы. Плата PCB изготовлена компанией PCBWay, которая представляет собой высококачественную плату. С пайкой проблем не возникло вообще.

Как видно из рисунка 8, я изменил некоторые части схемы для снижения шума, поэтому предоставленная схема и печатная плата являются последними версиями.

Шаг 7. Рисунок 7, первый прототип (более старая версия) понижающего преобразователя

После пайки компонентов мы готовы протестировать схему. В даташите сказано, что мы можем подавать на вход напряжение от 4,5 В до 24 В. Основные различия между первым прототипом (моя протестированная плата) и последней печатной платой / схемой заключаются в некоторых изменениях в конструкции печатной платы и размещении / значениях компонентов. Для первого прототипа выходной конденсатор составляет всего 22 мкФ-35 В. Поэтому я заменил его двумя конденсаторами SMD 47uF (C5 и C7, 1210 корпусов). Я применил те же модификации для входа и заменил входной конденсатор двумя конденсаторами номиналом 35 В. Кроме того, я изменил расположение выходного заголовка.

Поскольку максимальное выходное напряжение составляет 21 В, а конденсаторы рассчитаны на 25 В (керамические), проблем с номинальным напряжением быть не должно, однако, если у вас есть сомнения относительно номинального напряжения конденсаторов, просто уменьшите их значения емкости до 22 мкФ и увеличьте номинальное напряжение до 35В. Вы всегда можете компенсировать это, добавив дополнительные выходные конденсаторы к целевой цепи / нагрузке. Даже вы можете добавить конденсатор 470 мкФ или 1000 мкФ «извне», потому что на плате недостаточно места для установки любого из них. Фактически, добавляя больше конденсаторов, мы уменьшаем частоту среза финального фильтра, чтобы он подавлял больше шумов.

Лучше параллельно использовать конденсаторы. Например, используйте два параллельно 470 мкФ вместо одного 1000 мкФ. Это помогает снизить общее значение ESR (правило параллельных резисторов).

Теперь давайте исследуем пульсации и шум на выходе с помощью малошумящего входного осциллографа, такого как Siglent SDS1104X-E. Он может измерять напряжение до 500 мкВ / дел, что очень удобно.

Я припаял плату преобразователя вместе с внешним конденсатором 470 мкФ-35 В на небольшой кусок прототипной платы DIY, чтобы проверить пульсации и шум (рисунок 8).

Шаг 8: Рисунок 8, плата преобразователя на небольшом кусочке прототипной платы DIY (включая выходной конденсатор 470 мкФ)

Когда входное напряжение высокое (24 В), а выходное напряжение низкое (например, 5 В), должны генерироваться максимальные пульсации и шум, потому что разница входного и выходного напряжения велика. Итак, давайте оснастим пробник осциллографа заземляющей пружиной и проверим выходной шум (рисунок 9). Важно использовать заземляющую пружину, потому что заземляющий провод пробника осциллографа может поглощать много синфазных помех, особенно при таких измерениях.

Шаг 9. Рисунок 9. Замена провода заземления зонда пружиной заземления

На рисунке 10 показан выходной шум, когда на входе 24 В и на выходе 5 В. Следует отметить, что выход преобразователя свободен и не подключен к какой-либо нагрузке.

Шаг 10: Рисунок 10, Выходной шум преобразователя постоянного тока в постоянный (вход = 24 В, выход = 5 В)

Теперь давайте проверим выходной шум при минимальной разнице входного / выходного напряжения (0,8 В). Я установил входное напряжение на 12 В и выход на 11,2 В (рисунок 11).

Шаг 11: Рисунок 11, Выходной шум при минимальной разнице входного / выходного напряжения (вход = 12 В, выход = 11,2 В)

Обратите внимание, что при увеличении выходного тока (добавлении нагрузки) выходной шум / пульсации увеличивается. Это правдивая история для всех блоков питания или преобразователей.

[4] Спецификация материалов

На Рисунке 12 показана ведомость материалов проекта.