97% effektiv DC til DC Buck -omformer [3A, justerbar]: 12 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:22

Et lite DC til DC buck converter -kort er nyttig for mange applikasjoner, spesielt hvis det kan levere strøm opptil 3A (2A kontinuerlig uten kjøleribbe). I denne artikkelen vil vi lære å bygge en liten, effektiv og billig bukkonverteringskrets.

[1]: Kretsanalyse

Figur 1 viser det skjematiske diagrammet for enheten. Hovedkomponenten er MP2315 step-down buck converter.

Trinn 1: Referanser

Artikkelkilde: https://www.pcbway.com/blog/technology/DC_to_DC_B… [1]:

[2]:

[3]:

Trinn 2: Figur 1, skjematisk diagram over DC til DC Buck -omformeren

I henhold til MP2315 [1] -databladet: “MP2315 er en høyfrekvent synkron, utbedret trinn-ned-bryter-modus-omformer med innebygd intern MOSFET-strøm. Den tilbyr en veldig kompakt løsning for å oppnå 3A kontinuerlig utgangsstrøm over et bredt inngangsområde med utmerket last- og linjeregulering. MP2315 har synkron modus for høyere effektivitet over utgangsstrømbelastningsområdet. Aktuell modus gir en rask forbigående respons og letter sløyfestabilisering. Full beskyttelsesfunksjoner inkluderer OCP og termisk nedstengning.” Lav RDS (på) gjør at denne brikken kan håndtere høye strømmer.

C1 og C2 brukes til å redusere inngangsspenningslyder. R2, R4 og R5 bygger en tilbakemeldingsbane til brikken. R2 er et 200K multiturn -potensiometer for å justere utgangsspenningen. L1 og C4 er de viktigste buck converter -elementene. L2, C5 og C7 lager et ekstra LC -filter som jeg la til for å redusere støy og krusning. Skjæringsfrekvensen for dette filteret er rundt 1KHz. R6 begrenser strømmen til EN -pinnen. R1 -verdien er angitt i henhold til databladet. R3 og C3 er relatert til bootstrap -kretsen og bestemmes i henhold til databladet.

Figur 2 viser diagrammet for effektivitet vs utgangsstrøm. Den høyeste effektiviteten for nesten alle inngangsspenninger er oppnådd på rundt 1A.

Trinn 3: Figur 2, Effektivitet mot utgangsstrøm

[2]: PCB -oppsett Figur 3 viser designet PCB -layout. Det er et lite (2,1 cm*2,6 cm) brett med to lag.

Jeg brukte SamacSys komponentbibliotek (skjematisk symbol og PCB -fotavtrykk) for IC1 [2] fordi disse bibliotekene er gratis og enda viktigere, de følger industrielle IPC -standarder. Jeg bruker Altium Designer CAD -programvaren, så jeg brukte SamacSys Altium -pluginet for å installere komponentbibliotekene [3] direkte. Figur 4 viser de valgte komponentene. Du kan også søke og installere/bruke de passive komponentbibliotekene.

Trinn 4: Figur 3, PCB -oppsett av DC til DC Buck Converter

Trinn 5: Figur 4, valgt komponent (IC1) fra SamacSys Altium -plugin

Dette er den siste revisjonen av kretskortet. Figur 5 og figur 6 viser 3D -visninger av kretskortet, fra toppen og bunnen.

Trinn 6: Figur 5 og 6, 3D -visninger av kretskortet (TOPP og Buttom)

[3]: Construction and TestFigure 7 viser den første prototypen (første versjon) av brettet. PCB-kortet er produsert av PCBWay, som er et bord av høy kvalitet. Jeg hadde ikke noe problem med lodding overhodet.

Som det er tydelig i figur 8, har jeg modifisert noen deler av kretsen for å oppnå lavere støy, så den medfølgende skjematikken og PCB er de nyeste versjonene.

Trinn 7: Figur 7, den første prototypen (en eldre versjon) av Buck Converter

Etter lodding av komponentene er vi klare til å teste kretsen. Databladet sier at vi kan bruke en spenning fra 4,5V til 24V til inngangen. De viktigste forskjellene mellom den første prototypen (mitt testede brett) og den siste PCB/skjematisk er noen modifikasjoner i PCB -design og komponentplassering/verdier. For den første prototypen er utgangskondensatoren bare 22uF-35V. Så jeg endret den med to 47uF SMD -kondensatorer (C5 og C7, 1210 pakker). Jeg brukte de samme modifikasjonene for inngangen og erstattet inngangskondensatoren med to 35V -kondensatorer. Jeg endret også plasseringen til utskriftsoverskriften.

Siden den maksimale utgangsspenningen er 21V og kondensatorene er vurdert til 25V (keramisk), bør det ikke være et spenningshastighetsproblem, men hvis du har bekymringer angående kondensatorenes nominelle spenninger, bare reduser kapasitansverdiene til 22uF og øk nominelle spenninger til 35V. Du kan alltid kompensere dette ved å legge til ekstra utgangskondensatorer på målkretsen/belastningen. Selv kan du legge til en 470uF eller 1000uF kondensator "eksternt" fordi det ikke er nok plass på brettet til å passe noen av dem. Faktisk, ved å legge til flere kondensatorer, reduserer vi cut-off-frekvensen til det siste filteret, så det ville undertrykke flere lyder.

Det er bedre at du bruker kondensatorene parallelt. Bruk for eksempel to 470uF parallelt i stedet for en 1000uF. Det bidrar til å redusere den totale ESR -verdien (regelen for parallelle motstander).

La oss nå undersøke utgangsrippel og støy ved å bruke et støysvakt frontend-oscilloskop som Siglent SDS1104X-E. Den kan måle spenninger ned til 500uV/div, noe som er en veldig fin funksjon.

Jeg loddet omformerkortet, sammen med en ekstern 470uF-35V kondensator, på et lite DIY-prototypekort for å teste krusningen og støyen (figur 8)

Trinn 8: Figur 8, omformerkortet på et lite stykke DIY prototypekort (inkludert en 470uF utgangskondensator)

Når inngangsspenningen er høy (24V) og utgangsspenningen er lav (for eksempel 5V), bør maksimal krusning og støy genereres fordi inngangs- og utgangsspenningsforskjellen er høy. Så la oss utstyre oscilloskopproben med en jordfjær og kontrollere utgangsstøyen (figur 9). Det er viktig å bruke jordfjæren, fordi jordledningen til oscilloskopproben kan absorbere mange vanlige lyder, spesielt i slike målinger.

Trinn 9: Figur 9, bytte ut probens jordledning med en jordfjær

Figur 10 viser utgangsstøy når inngangen er 24V og utgangen er 5V. Det skal nevnes at omformerens utgang er ledig og ikke har blitt koblet til noen belastning.

Trinn 10: Figur 10, utgangsstøy fra DC til DC -omformeren (inngang = 24V, utgang = 5V)

La oss nå teste utgangsstøyen under den laveste inngangs-/utgangsspenningsforskjellen (0,8V). Jeg satte inngangsspenningen til 12V og utgangen til 11,2V (figur 11).

Trinn 11: Figur 11, utgangsstøy under laveste inngangs-/utgangsspenningsforskjell (inngang = 12V, utgang = 11,2V)

Vær oppmerksom på at ved å øke utgangsstrømmen (legge til en belastning), øker utgangsstøyen/krusningen. Dette er en sann historie for alle strømforsyninger eller omformere.

[4] Materialliste

Figur 12 viser prosjektregnskapet.