Convertidor eficient del 97% de CC a CC [3A, ajustable]: 12 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Una petita placa convertidora de CC a CC és útil per a moltes aplicacions, especialment si pot produir corrents de fins a 3A (2A contínuament sense dissipador de calor). En aquest article, aprendrem a construir un circuit de conversió de dòlars petit, eficient i barat.

[1]: Anàlisi de circuits

La figura 1 mostra l’esquema esquemàtic del dispositiu. El component principal és el convertidor reductor MP2315.

Pas 1: referències

Font de l'article:

[2]:

[3]:

Pas 2: figura 1, diagrama esquemàtic del convertidor de CC a CC

Segons el full de dades MP2315 [1]: “El MP2315 és un convertidor de mode de commutació reduït i sincronitzat rectificat síncron d’alta freqüència amb MOSFET d’alimentació interns incorporats. Ofereix una solució molt compacta per aconseguir un corrent de sortida continu de 3A en un ampli rang de subministrament d’entrada amb una excel·lent regulació de càrrega i línia. El MP2315 té un funcionament en mode síncron per obtenir una eficiència superior al rang de càrrega del corrent de sortida. El funcionament en mode actual proporciona una resposta transitòria ràpida i facilita l'estabilització del bucle. Les funcions de protecció completa inclouen OCP i apagat tèrmic ". El RDS baix (activat) permet a aquest xip gestionar corrents elevats.

C1 i C2 s’utilitzen per reduir els sorolls de la tensió d’entrada. R2, R4 i R5 construeixen un camí de retroalimentació al xip. R2 és un potenciòmetre multitorn de 200K per ajustar la tensió de sortida. L1 i C4 són els elements essencials del convertidor de dòlars. L2, C5 i C7 fan un filtre LC de sortida addicional que he afegit per reduir el soroll i l’ondulació. La freqüència de tall d’aquest filtre és d’uns 1 KHz. R6 limita el flux de corrent al pin EN. El valor R1 s'ha establert segons el full de dades. R3 i C3 estan relacionats amb el circuit d’arrencada i es determinen segons el full de dades.

La figura 2 mostra l'eficiència en comparació amb el traç de corrent de sortida. La màxima eficiència per a gairebé totes les tensions d'entrada s'ha aconseguit al voltant d'1A.

Pas 3: Figura 2, Eficiència contra corrent de sortida

[2]: Disseny de PCB La figura 3 mostra el disseny de PCB dissenyat. És un tauler petit (2,1 cm * 2,6 cm) de dues capes.

Vaig utilitzar les biblioteques de components SamacSys (símbol esquemàtic i petjada de PCB) per a l'IC1 [2] perquè aquestes biblioteques són gratuïtes i el que és més important, segueixen els estàndards industrials IPC. Utilitzo el programari CAD Altium Designer, de manera que he utilitzat el connector SamacSys Altium per instal·lar directament les biblioteques de components [3]. La figura 4 mostra els components seleccionats. També podeu cercar i instal·lar / utilitzar les biblioteques de components passius.

Pas 4: Figura 3, Disseny de PCB del convertidor de CC a CC

Pas 5: Figura 4, component seleccionat (IC1) del connector SamacSys Altium

Aquesta és l'última revisió de la placa PCB. La figura 5 i la figura 6 mostren vistes 3D de la placa PCB, des de la part superior i inferior.

Pas 6: Figura 5 i 6, vistes 3D de la placa PCB (TOP i Buttom)

[3]: Construcció i prova La figura 7 mostra el primer prototip (primera versió) del tauler. La placa PCB ha estat fabricada per PCBWay, que és una placa d'alta qualitat. No vaig tenir cap problema amb la soldadura.

Com queda clar a la figura 8, he modificat algunes parts del circuit per aconseguir un soroll més baix, de manera que l’esquema i el PCB proporcionats són les darreres versions.

Pas 7: Figura 7, el primer prototip (una versió anterior) del convertidor Buck

Després de soldar els components, estem preparats per provar el circuit. El full de dades diu que podem aplicar una tensió de 4,5V a 24V a l'entrada. Les principals diferències entre el primer prototip (la meva placa provada) i l'últim PCB / Schematic són algunes modificacions en el disseny i la posició / valors dels components de PCB. Per al primer prototip, el condensador de sortida només és de 22uF-35V. Així que el vaig canviar amb dos condensadors SMD de 47 uF (paquets C5 i C7, 1210). Vaig aplicar les mateixes modificacions per a l'entrada i vaig substituir el condensador d'entrada per dos condensadors de 35V. També he canviat la ubicació de la capçalera de sortida.

Com que la tensió màxima de sortida és de 21 V i els condensadors tenen una classificació de 25 V (ceràmica), no hauria d’haver cap problema de velocitat de voltatge, però, si teniu dubtes sobre les tensions nominals dels condensadors, simplement reduïu els seus valors de capacitat a 22 uF i tensions nominals a 35V. Sempre podeu compensar-ho afegint condensadors de sortida addicionals al circuit / càrrega objectiu. Fins i tot podeu afegir un condensador de 470uF o 1000uF “externament” perquè no hi ha prou espai a la placa per encabir-ne cap. De fet, en afegir més condensadors, disminuïm la freqüència de tall del filtre final, de manera que suprimiria més sorolls.

És millor que utilitzeu els condensadors en paral·lel. Per exemple, utilitzeu dos 470uF en paral·lel en lloc d’un 1000uF. Ajuda a reduir el valor ESR total (la regla de les resistències paral·leles).

Ara examinem l’ondulació i el soroll de la sortida mitjançant un oscil·loscopi frontal de baix soroll, com ara Siglent SDS1104X-E. Pot mesurar tensions fins a 500 uV / div, que és una característica molt agradable.

He soldat la placa convertidora, acompanyada d’un condensador extern de 470uF-35V, en una petita peça de prototip de bricolatge per provar l’ondulació i el soroll (figura 8)

Pas 8: Figura 8, la placa convertidor en una petita peça de prototip de placa DIY (inclòs un condensador de sortida 470uF)

Quan el voltatge d'entrada és alt (24 V) i el voltatge de sortida és baix (per exemple, 5 V), s'hauria de generar la màxima ondulació i soroll perquè la diferència de tensió d'entrada i sortida és alta. Per tant, equipem la sonda de l’oscil·loscopi amb una molla de terra i comprovem el soroll de sortida (figura 9). És fonamental utilitzar la molla de terra, perquè el cable de terra de la sonda de l’oscil·loscopi pot absorbir molts sorolls en mode comú, especialment en aquestes mesures.

Pas 9: Figura 9, Substitució del cable de terra de la sonda per una molla de terra

La figura 10 mostra el soroll de sortida quan l’entrada és de 24V i la sortida és de 5V. Cal esmentar que la sortida del convertidor és gratuïta i no s’ha connectat a cap càrrega.

Pas 10: Figura 10, Soroll de sortida del convertidor de CC a CC (entrada = 24 V, sortida = 5 V)

Ara comprovem el soroll de sortida amb la diferència de tensió d’entrada / sortida més baixa (0,8 V). He definit el voltatge d’entrada a 12V i la sortida a 11,2V (figura 11).

Pas 11: Figura 11, Soroll de sortida sota la diferència de tensió d'entrada / sortida més baixa (entrada = 12V, sortida = 11,2V)

Tingueu en compte que en augmentar el corrent de sortida (afegint una càrrega), el soroll / ondulació de la sortida augmenta. Aquesta és una història real per a totes les fonts d’alimentació o convertidors.

[4] Declaració de materials

La figura 12 mostra la llista de materials del projecte.