97% Αποτελεσματικός μετατροπέας σφαλμάτων DC σε DC [3A, Ρυθμιζόμενο]: 12 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:34

Ένας μικροσκοπικός πίνακας μετατροπέα μπάκ DC σε DC είναι χρήσιμος για πολλές εφαρμογές, ειδικά αν θα μπορούσε να δώσει ρεύματα έως 3Α (2Α συνεχώς χωρίς ψύκτρα). Σε αυτό το άρθρο, θα μάθουμε να κατασκευάζουμε ένα μικρό, αποδοτικό και φθηνό κύκλωμα μετατροπέα buck.

[1]: Ανάλυση κυκλώματος

Το σχήμα 1 δείχνει το σχηματικό διάγραμμα της συσκευής. Το κύριο συστατικό είναι ο μετατροπέας παλινδρόμησης MP2315.

Βήμα 1: Αναφορές

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

[2]:

[3]:

Βήμα 2: Σχήμα 1, Σχηματικό διάγραμμα του μετατροπέα σφαλμάτων DC σε DC

Σύμφωνα με το φύλλο δεδομένων MP2315 [1]: «Το MP2315 είναι ένας συγχρονισμένος διορθωμένος μετατροπέας λειτουργίας εναλλαγής λειτουργίας με συχνότητα υψηλής συχνότητας με ενσωματωμένα εσωτερικά MOSFET ισχύος. Προσφέρει μια πολύ συμπαγή λύση για την επίτευξη συνεχούς ρεύματος εξόδου 3Α σε ένα ευρύ φάσμα τροφοδοσίας εισόδου με εξαιρετική ρύθμιση φορτίου και γραμμής. Το MP2315 έχει λειτουργία σύγχρονης λειτουργίας για υψηλότερη απόδοση πέρα από το εύρος φορτίου ρεύματος εξόδου. Η λειτουργία τρέχουσας λειτουργίας παρέχει γρήγορη παροδική απόκριση και διευκολύνει τη σταθεροποίηση του βρόχου. Τα χαρακτηριστικά πλήρους προστασίας περιλαμβάνουν OCP και θερμικό κλείσιμο. " Το χαμηλό RDS (ενεργοποιημένο) επιτρέπει σε αυτό το τσιπ να χειρίζεται υψηλά ρεύματα.

Τα C1 και C2 χρησιμοποιούνται για τη μείωση των θορύβων τάσης εισόδου. Τα R2, R4 και R5 δημιουργούν μια διαδρομή ανάδρασης στο τσιπ. Το R2 είναι ένα ποτενσιόμετρο πολλαπλών στροφών 200K για τη ρύθμιση της τάσης εξόδου. Τα L1 και C4 είναι τα βασικά στοιχεία μετατροπέα buck. Τα L2, C5 και C7 δημιουργούν ένα πρόσθετο φίλτρο εξόδου LC που πρόσθεσα για να μειώσετε τον θόρυβο και τον κυματισμό. Η συχνότητα διακοπής αυτού του φίλτρου είναι περίπου 1KHz. Το R6 περιορίζει τη ροή ρεύματος στον πείρο EN. Η τιμή R1 έχει οριστεί σύμφωνα με το φύλλο δεδομένων. Τα R3 και C3 σχετίζονται με το κύκλωμα εκκίνησης και καθορίζονται σύμφωνα με το φύλλο δεδομένων.

Το σχήμα 2 δείχνει το διάγραμμα απόδοσης έναντι ρεύματος εξόδου. Η υψηλότερη απόδοση για όλες σχεδόν τις τάσεις εισόδου έχει επιτευχθεί σε περίπου 1Α.

Βήμα 3: Εικόνα 2, Απόδοση Vs Ρεύμα εξόδου

[2]: Διάταξη PCB Το Σχήμα 3 δείχνει τη σχεδιασμένη διάταξη PCB. Είναι μια μικρή σανίδα δύο στρώσεων (2,1cm*2,6cm).

Χρησιμοποίησα τις βιβλιοθήκες στοιχείων SamacSys (Σχηματικό σύμβολο και αποτύπωμα PCB) για το IC1 [2] επειδή αυτές οι βιβλιοθήκες είναι δωρεάν και το πιο σημαντικό, ότι ακολουθούν τα βιομηχανικά πρότυπα IPC. Χρησιμοποιώ το λογισμικό Altium Designer CAD, οπότε χρησιμοποίησα το πρόσθετο SamacSys Altium για να εγκαταστήσω απευθείας τις βιβλιοθήκες των στοιχείων [3]. Το σχήμα 4 δείχνει τα επιλεγμένα στοιχεία. Μπορείτε επίσης να αναζητήσετε και να εγκαταστήσετε/χρησιμοποιήσετε τις βιβλιοθήκες παθητικών στοιχείων.

Βήμα 4: Εικόνα 3, Διάταξη PCB του μετατροπέα πακέτων DC σε DC

Βήμα 5: Εικόνα 4, Επιλεγμένο συστατικό (IC1) Από την προσθήκη SamacSys Altium

Αυτή είναι η τελευταία αναθεώρηση της πλακέτας PCB. Το σχήμα 5 και το σχήμα 6 δείχνουν τρισδιάστατες προβολές της πλακέτας PCB, από πάνω και κάτω.

Βήμα 6: Εικόνα 5 & 6, τρισδιάστατες προβολές της πλακέτας PCB (TOP και Buttom)

[3]: Κατασκευή και δοκιμήΤο Σχήμα 7 δείχνει το πρώτο πρωτότυπο (πρώτη έκδοση) του πίνακα. Η πλακέτα PCB έχει κατασκευαστεί από το PCBWay, το οποίο είναι ένας πίνακας υψηλής ποιότητας. Δεν είχα κανένα πρόβλημα με την συγκόλληση.

Όπως είναι σαφές στο σχήμα 8, έχω τροποποιήσει ορισμένα μέρη του κυκλώματος για να επιτύχω χαμηλότερο θόρυβο, οπότε το παρεχόμενο Σχήμα και το PCB είναι οι πιο πρόσφατες εκδόσεις.

Βήμα 7: Εικόνα 7, το πρώτο πρωτότυπο (παλαιότερη έκδοση) του μετατροπέα Buck

Μετά τη συγκόλληση των εξαρτημάτων, είμαστε έτοιμοι να δοκιμάσουμε το κύκλωμα. Το φύλλο δεδομένων λέει ότι μπορούμε να εφαρμόσουμε μια τάση από 4,5V έως 24V στην είσοδο. Οι κύριες διαφορές μεταξύ του πρώτου πρωτοτύπου (ο δοκιμασμένος πίνακας μου) και του τελευταίου PCB/Schematic είναι μερικές τροποποιήσεις στο σχεδιασμό του PCB και την τοποθέτηση/τιμές εξαρτημάτων. Για το πρώτο πρωτότυπο, ο πυκνωτής εξόδου είναι μόνο 22uF-35V. Έτσι το άλλαξα με δύο πυκνωτές 47uF SMD (πακέτα C5 και C7, 1210). Εφάρμοσα τις ίδιες τροποποιήσεις για την είσοδο και αντικατέστησα τον πυκνωτή εισόδου με δύο πυκνωτές ονομαστικής ισχύος 35V. Επίσης, άλλαξα τη θέση της κεφαλίδας εξόδου.

Δεδομένου ότι η μέγιστη τάση εξόδου είναι 21V και οι πυκνωτές βαθμολογούνται στα 25V (κεραμικά), τότε δεν πρέπει να υπάρχει πρόβλημα ρυθμού τάσης, ωστόσο, εάν έχετε ανησυχίες σχετικά με τις ονομαστικές τάσεις των πυκνωτών, απλώς μειώστε τις τιμές χωρητικότητας σε 22uF και αυξήστε το ονομαστικές τάσεις έως 35V. Μπορείτε πάντα να το αντισταθμίσετε προσθέτοντας επιπλέον πυκνωτές εξόδου στο στοχευόμενο κύκλωμα/φορτίο. Ακόμα και εσείς μπορείτε να προσθέσετε έναν πυκνωτή 470uF ή 1000uF «εξωτερικά» επειδή δεν υπάρχει αρκετός χώρος στην πλακέτα για να χωρέσει κανένα από αυτά. Στην πραγματικότητα, προσθέτοντας περισσότερους πυκνωτές, μειώνουμε τη συχνότητα διακοπής του τελικού φίλτρου, έτσι θα καταστείλει περισσότερους θορύβους.

Είναι καλύτερα να χρησιμοποιείτε παράλληλα τους πυκνωτές. Για παράδειγμα, χρησιμοποιήστε δύο 470uF παράλληλα αντί για ένα 1000uF. Βοηθά στη μείωση της συνολικής τιμής ESR (κανόνας παράλληλων αντιστάσεων).

Τώρα ας εξετάσουμε τον κυματισμό και τον θόρυβο εξόδου χρησιμοποιώντας έναν παλμογράφο χαμηλού θορύβου, όπως το Siglent SDS1104X-E. Μπορεί να μετρήσει τάσεις έως 500uV/div, κάτι που είναι πολύ ωραίο.

Συγκόλλησα την πλακέτα μετατροπέα, σε συνδυασμό με έναν εξωτερικό πυκνωτή 470uF-35V, σε ένα μικρό κομμάτι πρωτότυπης πλακέτας DIY για να δοκιμάσω τον κυματισμό και τον θόρυβο (εικόνα 8)

Βήμα 8: Εικόνα 8, ο πίνακας μετατροπέα σε ένα μικρό κομμάτι DIY Prototype Board (συμπεριλαμβανομένου ενός πυκνωτή εξόδου 470uF)

Όταν η τάση εισόδου είναι υψηλή (24V) και η τάση εξόδου είναι χαμηλή (5V για παράδειγμα), ο μέγιστος κυματισμός και ο θόρυβος πρέπει να δημιουργούνται επειδή η διαφορά τάσης εισόδου και εξόδου είναι υψηλή. Ας εξοπλίσουμε λοιπόν τον αισθητήρα παλμογράφου με ελατήριο γείωσης και ελέγχουμε τον θόρυβο εξόδου (εικόνα 9). Είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε το ελατήριο γείωσης, επειδή το καλώδιο γείωσης του αισθητήρα παλμογράφου μπορεί να απορροφήσει πολλούς θορύβους κοινής λειτουργίας, ειδικά σε τέτοιες μετρήσεις.

Βήμα 9: Εικόνα 9, Αντικατάσταση του καλωδίου γείωσης του καθετήρα με ελατήριο γείωσης

Το σχήμα 10 δείχνει τον θόρυβο εξόδου όταν η είσοδος είναι 24V και η έξοδος είναι 5V. Πρέπει να αναφερθεί ότι η έξοδος του μετατροπέα είναι δωρεάν και δεν έχει συνδεθεί με κανένα φορτίο.

Βήμα 10: Εικόνα 10, Θόρυβος εξόδου του μετατροπέα DC σε DC (είσοδος = 24V, έξοδος = 5V)

Τώρα ας δοκιμάσουμε τον θόρυβο εξόδου κάτω από τη χαμηλότερη διαφορά τάσης εισόδου/εξόδου (0,8V). Ρύθμιση της τάσης εισόδου στα 12V και της εξόδου στα 11.2V (εικόνα 11).

Βήμα 11: Εικόνα 11, Θόρυβος εξόδου κάτω από τη χαμηλότερη διαφορά τάσης εισόδου/εξόδου (είσοδος = 12V, έξοδος = 11,2V)

Λάβετε υπόψη ότι αυξάνοντας το ρεύμα εξόδου (προσθέτοντας ένα φορτίο), ο θόρυβος/ο κυματισμός εξόδου αυξάνεται. Αυτή είναι μια αληθινή ιστορία για όλα τα τροφοδοτικά ή τους μετατροπείς.

[4] Bill of Materials

Το σχήμα 12 δείχνει τον πίνακα υλικών του έργου.