97% effektiv DC till DC Buck -omvandlare [3A, justerbar]: 12 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:41

Ett litet DC till DC buck converterkort är användbart för många applikationer, särskilt om det kan leverera strömmar upp till 3A (2A kontinuerligt utan kylfläns). I den här artikeln kommer vi att lära oss att bygga en liten, effektiv och billig buck converter -krets.

[1]: Kretsanalys

Figur 1 visar det schematiska diagrammet över anordningen. Huvudkomponenten är MP2315 step-down buck-omvandlare.

Steg 1: Referenser

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

[2]:

[3]:

Steg 2: Figur 1, schematisk diagram över DC till DC Buck Converter

Enligt MP2315 [1] -databladet:”MP2315 är en högfrekvent, synkron, korrigerad steg-om-omkopplare med omvandlare med inbyggd intern MOSFET. Den erbjuder en mycket kompakt lösning för att uppnå 3A kontinuerlig utström över ett brett ingångsförsörjningsområde med utmärkt last- och linjereglering. MP2315 har synkron drift för högre effektivitet över utgående strömbelastningsområde. Aktuellt läge ger ett snabbt övergående svar och underlättar loopstabilisering. Fullständiga skyddsfunktioner inkluderar OCP och termisk avstängning.” Låg RDS (på) gör att detta chip kan hantera höga strömmar.

C1 och C2 används för att minska ingångsspänningsbrus. R2, R4 och R5 bygger en återkopplingsväg till chipet. R2 är en 200K multiturn -potentiometer för att justera utspänningen. L1 och C4 är de viktigaste buck converter -elementen. L2, C5 och C7 gör ett extra LC -filter som jag lade till för att minska buller och krusning. Avstängningsfrekvensen för detta filter är cirka 1 KHz. R6 begränsar strömflödet till EN -stiftet. R1 -värdet har ställts in enligt databladet. R3 och C3 är relaterade till bootstrap -kretsen och bestäms enligt databladet.

Figur 2 visar diagrammet för effektivitet vs utgångsström. Den högsta verkningsgraden för nästan alla ingångsspänningar har uppnåtts vid cirka 1A.

Steg 3: Figur 2, effektivitet mot utström

[2]: PCB -layout Figur 3 visar den utformade PCB -layouten. Det är en liten (2,1 cm*2,6 cm) tvålagerskartong.

Jag använde SamacSys komponentbibliotek (schematisk symbol och PCB -fotavtryck) för IC1 [2] eftersom dessa bibliotek är gratis och ännu viktigare, de följer industriella IPC -standarder. Jag använder CAD -programvaran Altium Designer, så jag använde SamacSys Altium -plugin för att direkt installera komponentbiblioteken [3]. Figur 4 visar de valda komponenterna. Du kan också söka och installera/använda de passiva komponentbiblioteken.

Steg 4: Figur 3, PCB -layout för DC till DC Buck Converter

Steg 5: Figur 4, vald komponent (IC1) från SamacSys Altium -plugin

Detta är den senaste revisionen av kretskortet. Figur 5 och figur 6 visar 3D -vyer av kretskortet, uppifrån och nedifrån.

Steg 6: Figur 5 & 6, 3D -vyer av kretskortet (TOPP och Buttom)

[3]: Konstruktion och TestFigur 7 visar den första prototypen (första versionen) av tavlan. Kretskortet har tillverkats av PCBWay, som är ett högkvalitativt kort. Jag hade inga problem med lödning alls.

Som det är tydligt i figur 8 har jag modifierat vissa delar av kretsen för att uppnå lägre brus, så den medföljande schematiska och kretskortet är de senaste versionerna.

Steg 7: Figur 7, den första prototypen (en äldre version) av Buck Converter

Efter lödning av komponenterna är vi redo att testa kretsen. Databladet säger att vi kan tillföra en spänning från 4,5V till 24V på ingången. De viktigaste skillnaderna mellan den första prototypen (mitt testade kort) och den sista PCB/schemat är några modifieringar i PCB -konstruktionen och komponentplacering/värden. För den första prototypen är utgångskondensatorn endast 22uF-35V. Så jag bytte den med två 47uF SMD -kondensatorer (C5 och C7, 1210 paket). Jag tillämpade samma ändringar för ingången och ersatte ingångskondensatorn med två 35V -klassade kondensatorer. Jag ändrade också utskriftsrubrikens plats.

Eftersom den maximala utspänningen är 21V och kondensatorerna är klassade till 25V (keramik), bör det inte vara något spänningshastighetsproblem, men om du har oro angående kondensatorernas märkspänningar, helt enkelt minska deras kapacitansvärden till 22uF och öka märkspänning till 35V. Du kan alltid kompensera detta genom att lägga till extra utgångskondensatorer på din målkrets/belastning. Även du kan lägga till en 470uF eller 1000uF kondensator "externt" eftersom det inte finns tillräckligt med utrymme på kortet för att passa någon av dem. Genom att lägga till fler kondensatorer minskar vi faktiskt slutfiltrets skärfrekvens, så det skulle dämpa fler ljud.

Det är bättre att du använder kondensatorerna parallellt. Till exempel, använd två 470uF parallellt istället för en 1000uF. Det hjälper till att minska det totala ESR -värdet (parallellmotståndsregeln).

Låt oss nu undersöka output-krusningen och bruset med hjälp av ett lågbrusigt frontend-oscilloskop som Siglent SDS1104X-E. Den kan mäta spänningar ner till 500uV/div, vilket är en mycket trevlig funktion.

Jag lödde omvandlarkortet, tillsammans med en extern 470uF-35V kondensator, på en liten bit av DIY prototypkort för att testa krusningen och bruset (figur 8)

Steg 8: Figur 8, omvandlarkortet på en liten bit av DIY -prototypkort (inklusive en 470uF -utgångskondensator)

När ingångsspänningen är hög (24V) och utspänningen är låg (till exempel 5V), bör den maximala krusningen och bruset genereras eftersom in- och utspänningsskillnaden är hög. Så låt oss utrusta oscilloskopproben med en jordfjäder och kontrollera utgångsbruset (figur 9). Det är viktigt att använda markfjädern, eftersom oscilloskopsondens jordkabel kan absorbera många vanliga ljud, särskilt vid sådana mätningar.

Steg 9: Figur 9, Byte av sondens jordtråd med en jordfjäder

Figur 10 visar utgångsbruset när ingången är 24V och utgången är 5V. Det bör nämnas att omvandlarens utgång är fri och inte har anslutits till någon belastning.

Steg 10: Figur 10, Utgångsljud från DC till DC -omvandlaren (ingång = 24V, utgång = 5V)

Låt oss nu testa utgångsbruset under den lägsta in-/utspänningsskillnaden (0,8V). Jag ställer in ingångsspänningen till 12V och utgången till 11,2V (figur 11).

Steg 11: Figur 11, utgångsljud under den lägsta ingångs-/utgångsspänningsskillnaden (ingång = 12V, utgång = 11,2V)

Observera att genom att öka utströmmen (lägga till en belastning) ökar utbruset/krusningen. Detta är en sann historia för alla strömförsörjningar eller omvandlare.

[4] Materialförteckning

Figur 12 visar projektets faktura.