97% tehokas DC -DC Buck -muunnin [3A, säädettävä]: 12 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:00

Pieni DC -DC -buck -muunninkortti on hyödyllinen monissa sovelluksissa, varsinkin jos se voisi tuottaa jopa 3A (2A jatkuvasti ilman jäähdytyselementtiä) virtaa. Tässä artikkelissa opimme rakentamaan pienen, tehokkaan ja halvan buck -muunninpiirin.

[1]: Piirien analyysi

Kuva 1 esittää laitteen kaaviokuvaa. Pääkomponentti on MP2315-alaslaskuri.

Vaihe 1: Viitteet

Artikkelin lähde:

[2]:

[3]:

Vaihe 2: Kuva 1, DC -DC Buck -muuntimen kaavio

MP2315 [1] -lomakkeen mukaan:”MP2315 on korkeataajuinen synkroninen tasasuunnattu tasasuuntainen kytkinmoodimuunnin, jossa on sisäänrakennettu sisäinen MOSFET-virtalähde. Se tarjoaa erittäin pienikokoisen ratkaisun 3A jatkuvan lähtövirran saavuttamiseksi laajalla syöttöalueella erinomaisella kuormituksella ja linjasäädöllä. MP2315: ssä on synkroninen toimintatila, joka parantaa tehokkuutta lähtövirran kuormitusalueella. Nykyinen toimintatila tarjoaa nopean ohimenevän vasteen ja helpottaa silmukan vakauttamista. Täydellisiin suojaominaisuuksiin kuuluvat OCP ja lämpösulku.” Alhainen RDS (päällä) sallii tämän sirun käsitellä suuria virtauksia.

C1 ja C2 käytetään tulojänniteäänien vähentämiseen. R2, R4 ja R5 muodostavat palautepolun sirulle. R2 on 200K monikierrospotentiometri lähtöjännitteen säätämiseksi. L1 ja C4 ovat olennaisia buck -muunninelementtejä. L2, C5 ja C7 tekevät ylimääräisen LC -suodattimen, jonka lisäsin vähentämään melua ja aaltoilua. Tämän suodattimen rajataajuus on noin 1 KHz. R6 rajoittaa virran EN -nastaan. R1 -arvo on asetettu taulukon mukaan. R3 ja C3 liittyvät käynnistyshihnapiiriin ja määritetään tietolomakkeen mukaan.

Kuva 2 esittää tehokkuus vs. lähtövirtakaavio. Suurin hyötysuhde lähes kaikilla tulojännitteillä on saavutettu noin 1A: n lämpötilassa.

Vaihe 3: Kuva 2, Tehokkuus vs. lähtövirta

[2]: PCB LayoutKuvio 3 esittää suunnitellun piirilevyasettelun. Se on pieni (2,1 cm*2,6 cm) kaksikerroksinen lauta.

Käytin IC1: ssä [2] SamacSys -komponenttikirjastoja (kaavamainen symboli ja PCB -jalanjälki), koska nämä kirjastot ovat ilmaisia ja mikä tärkeintä, ne noudattavat teollisia IPC -standardeja. Käytän Altium Designer CAD -ohjelmistoa, joten käytin SamacSys Altium -laajennusta komponenttikirjastojen asentamiseen suoraan [3]. Kuva 4 esittää valitut komponentit. Voit myös etsiä ja asentaa/käyttää passiivisten komponenttien kirjastoja.

Vaihe 4: Kuva 3, DC -DC Buck -muuntimen piirilevyasettelu

Vaihe 5: Kuva 4, Valittu komponentti (IC1) SamacSys Altium -laajennuksesta

Tämä on PCB -levyn viimeinen versio. Kuvio 5 ja kuva 6 esittävät 3D -näkymiä piirilevystä ylhäältä ja alhaalta.

Vaihe 6: Kuva 5 ja 6, piirilevyn 3D -näkymät (TOP ja Buttom)

[3]: Rakenne ja testi Kuvio 7 esittää levyn ensimmäisen prototyypin (ensimmäinen versio). Piirilevy on valmistanut PCBWay, joka on korkealaatuinen levy. Minulla ei ollut mitään ongelmia juottamisen kanssa.

Kuten kuvassa 8 on selvää, olen muokannut joitakin piirin osia pienemmän melun saavuttamiseksi, joten toimitettu kaavio ja piirilevy ovat uusimmat versiot.

Vaihe 7: Kuva 7, Buck -muuntimen ensimmäinen prototyyppi (vanhempi versio)

Komponenttien juottamisen jälkeen olemme valmiita testaamaan piirin. Tietolomake kertoo, että voimme syöttää jännitteen 4,5 V - 24 V tuloon. Suurimmat erot ensimmäisen prototyypin (testatun korttini) ja viimeisen piirilevyn/kaavion välillä ovat joitain muutoksia piirilevyn suunnitteluun ja komponenttien sijoitteluun/arvoihin. Ensimmäisen prototyypin lähtökondensaattori on vain 22uF-35V. Joten vaihdoin sen kahdella 47uF SMD -kondensaattorilla (C5 ja C7, 1210 pakkausta). Käytin samoja muutoksia tuloon ja korvasin tulokondensaattorin kahdella 35 V: n nimelliskondensaattorilla. Lisäksi muutin tulostusotsikon sijaintia.

Koska suurin lähtöjännite on 21 V ja kondensaattoreiden nimellisarvo on 25 V. Nimellisjännite 35V. Voit aina kompensoida tämän lisäämällä ylimääräisiä lähtökondensaattoreita kohdepiiriin/kuormitukseen. Jopa voit lisätä 470uF tai 1000uF kondensaattorin "ulkoisesti", koska levyllä ei ole tarpeeksi tilaa mihinkään. Itse asiassa lisäämällä lisää kondensaattoreita vähennämme lopullisen suodattimen rajataajuutta, joten se vaimentaa enemmän melua.

On parempi käyttää kondensaattoreita rinnakkain. Käytä esimerkiksi kahta 470uF: ää rinnakkain yhden 1000uF: n sijasta. Se auttaa pienentämään ESR -kokonaisarvoa (rinnakkaisvastuiden sääntö).

Tarkastellaan nyt ulostulon aaltoa ja kohinaa käyttämällä hiljaista etupää oskilloskooppia, kuten Siglent SDS1104X-E. Se voi mitata jännitteitä aina 500uV/div, mikä on erittäin mukava ominaisuus.

Juotin muunninkortin ulkoisen 470uF-35V-kondensaattorin mukana pieneen DIY-prototyyppikorttiin, jotta voit testata aaltoa ja melua (kuva 8)

Vaihe 8: Kuva 8, muunninkortti pienelle palalle DIY -prototyyppikorttia (mukaan lukien 470uF: n lähtökondensaattori)

Kun tulojännite on korkea (24 V) ja lähtöjännite on alhainen (esimerkiksi 5 V), suurin aaltoilu ja kohina tulisi tuottaa, koska tulo- ja lähtöjännite -ero on suuri. Varustakaamme siis oskilloskooppianturi maadoitusjousella ja tarkista lähtöääni (kuva 9). Maadoitusjousen käyttö on välttämätöntä, koska oskilloskooppi-anturin maajohto voi absorboida paljon yhteismuotoisia ääniä, erityisesti tällaisissa mittauksissa.

Vaihe 9: Kuva 9, Anturin maadoitusjohdon vaihtaminen maadoitusjousiin

Kuva 10 esittää lähtökohinaa, kun tulo on 24 V ja lähtö on 5 V. On mainittava, että muuntimen lähtö on vapaa eikä sitä ole kytketty mihinkään kuormaan.

Vaihe 10: Kuva 10, DC -DC -muuntimen lähtökohina (tulo = 24V, lähtö = 5V)

Testaa nyt lähtökohina pienimmällä tulo-/lähtöjänniteerolla (0,8 V). Asetin tulojännitteeksi 12V ja lähtöksi 11,2V (kuva 11).

Vaihe 11: Kuva 11, Lähdön kohina pienimmän tulo-/lähtöjänniteeron alla (tulo = 12 V, lähtö = 11,2 V)

Huomaa, että lisäämällä lähtövirtaa (lisäämällä kuormaa) lähtökohina/aaltoilu kasvaa. Tämä on totta tarina kaikille virtalähteille tai muuntimille.

[4] Materiaalikirja

Kuva 12 esittää hankkeen materiaaliluettelon.