97% effektiv DC til DC Buck Converter [3A, justerbar]: 12 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:27

Et lille DC til DC buck converterkort er nyttigt til mange applikationer, især hvis det kan levere strømme op til 3A (2A kontinuerligt uden køleplade). I denne artikel lærer vi at bygge et lille, effektivt og billigt bukkonverterkredsløb.

[1]: Kredsløbsanalyse

Figur 1 viser det skematiske diagram over enheden. Hovedkomponenten er MP2315 step-down buck converter.

Trin 1: Referencer

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

[2]:

[3]:

Trin 2: Figur 1, skematisk diagram over DC til DC Buck Converter

Ifølge MP2315 [1] -databladet: “MP2315 er en højfrekvent synkron rektificeret trin-down switch-mode-konverter med indbygget intern MOSFET-effekt. Det tilbyder en meget kompakt løsning for at opnå 3A kontinuerlig udgangsstrøm over et bredt inputforsyningsområde med fremragende belastnings- og linieregulering. MP2315 har synkron drift for højere effektivitet over udgangsstrømbelastningsområdet. Aktuel tilstand giver en hurtig forbigående respons og letter loopstabilisering. Fuld beskyttelsesfunktioner inkluderer OCP og termisk nedlukning.” Lavt RDS (on) gør det muligt for denne chip at håndtere høje strømme.

C1 og C2 bruges til at reducere indgangsspændingslyde. R2, R4 og R5 bygger en feedbacksti til chippen. R2 er et 200K multiturn -potentiometer til justering af udgangsspændingen. L1 og C4 er de væsentlige bukkonverterelementer. L2, C5 og C7 laver et ekstra output LC -filter, som jeg tilføjede for at reducere støj og krusninger. Afskæringsfrekvensen for dette filter er omkring 1KHz. R6 begrænser strømmen til EN -stiften. R1 -værdien er indstillet i henhold til databladet. R3 og C3 er relateret til bootstrap -kredsløbet og bestemmes i henhold til databladet.

Figur 2 viser effektiviteten vs output nuværende plot. Den højeste effektivitet for næsten alle indgangsspændinger er opnået ved omkring 1A.

Trin 3: Figur 2, effektivitet mod udgangsstrøm

[2]: PCB -layout Figur 3 viser det designede PCB -layout. Det er et lille (2,1 cm*2,6 cm) bord med to lag.

Jeg brugte SamacSys komponentbiblioteker (skematisk symbol og PCB -fodaftryk) til IC1 [2], fordi disse biblioteker er gratis og endnu vigtigere, de følger de industrielle IPC -standarder. Jeg bruger Altium Designer CAD -softwaren, så jeg brugte SamacSys Altium -pluginet til direkte at installere komponentbibliotekerne [3]. Figur 4 viser de udvalgte komponenter. Du kan også søge og installere/bruge de passive komponentbiblioteker.

Trin 4: Figur 3, PCB -layout af DC til DC Buck Converter

Trin 5: Figur 4, Udvalgt komponent (IC1) Fra SamacSys Altium -plugin

Dette er den sidste revision af printkortet. Figur 5 og 6 viser 3D -visninger af printkortet, ovenfra og fra bunden.

Trin 6: Figur 5 & 6, 3D -visninger af printkortet (TOP og Buttom)

[3]: Konstruktion og testFigur 7 viser den første prototype (første version) af tavlen. Printkortet er fremstillet af PCBWay, som er et bord af høj kvalitet. Jeg havde intet problem med lodning overhovedet.

Som det er tydeligt i figur 8, har jeg ændret nogle dele af kredsløbet for at opnå lavere støj, så det medfølgende skema og print er de nyeste versioner.

Trin 7: Figur 7, den første prototype (en ældre version) af Buck Converter

Efter lodning af komponenterne er vi klar til at teste kredsløbet. Databladet siger, at vi kan anvende en spænding fra 4,5V til 24V til indgangen. De største forskelle mellem den første prototype (mit testede bord) og den sidste PCB/skematisk er nogle ændringer i printkortets design og komponentplacering/værdier. For den første prototype er udgangskondensatoren kun 22uF-35V. Så jeg ændrede det med to 47uF SMD -kondensatorer (C5 og C7, 1210 pakker). Jeg anvendte de samme ændringer for indgangen og erstattede inputkondensatoren med to 35V -klassificerede kondensatorer. Jeg ændrede også outputhovedets placering.

Da den maksimale udgangsspænding er 21V og kondensatorer er klassificeret til 25V (keramik), bør der ikke være et problem med spændingshastighed, men hvis du er bekymret over kondensatorernes nominelle spændinger, skal du blot reducere deres kapacitansværdier til 22uF og øge nominelle spændinger til 35V. Du kan altid kompensere dette ved at tilføje ekstra udgangskondensatorer på dit målkredsløb/belastning. Selv du kan tilføje en 470uF eller 1000uF kondensator "eksternt", fordi der ikke er nok plads på tavlen til at passe til nogen af dem. Faktisk reducerer vi ved at tilføje flere kondensatorer skæringsfrekvensen for det endelige filter, så det ville undertrykke flere lyde.

Det er bedre, at du bruger kondensatorerne parallelt. Brug f.eks. To 470uF parallelt i stedet for en 1000uF. Det hjælper med at reducere den samlede ESR -værdi (reglen for parallelle modstande).

Lad os nu undersøge output-krusning og støj ved at bruge et støjsvagt front-oscilloskop som Siglent SDS1104X-E. Det kan måle spændinger ned til 500uV/div, hvilket er en meget flot funktion.

Jeg loddet konverterkortet, ledsaget af en ekstern 470uF-35V kondensator, på et lille stykke DIY prototypekort for at teste krusningen og støj (figur 8)

Trin 8: Figur 8, konverterkortet på et lille stykke DIY -prototypekort (inklusive en 470uF udgangskondensator)

Når indgangsspændingen er høj (24V), og udgangsspændingen er lav (f.eks. 5V), bør den maksimale krusning og støj genereres, fordi forskellen mellem input og udgangsspænding er høj. Så lad os udstyre oscilloskopproben med en jordfjeder og kontrollere outputstøj (figur 9). Det er vigtigt at bruge jordfjederen, fordi oscilloskopprobens jordledning kan absorbere mange almindelige lyde, især i sådanne målinger.

Trin 9: Figur 9, Udskiftning af probens jordledning med en jordfjeder

Figur 10 viser outputstøj, når input er 24V, og output er 5V. Det skal nævnes, at konverterens output er gratis og ikke har været forbundet med nogen belastning.

Trin 10: Figur 10, Outputstøj fra DC til DC -omformeren (input = 24V, Output = 5V)

Lad os nu teste udgangsstøjen under den laveste indgang/udgangsspændingsforskel (0,8V). Jeg indstillede indgangsspændingen til 12V og udgangen til 11,2V (figur 11).

Trin 11: Figur 11, Outputstøj under den laveste input/output spændingsforskel (input = 12V, Output = 11.2V)

Bemærk, at ved at øge udgangsstrømmen (tilføje en belastning) øges outputstøj/krusning. Dette er en sand historie for alle strømforsyninger eller konvertere.

[4] Materialekartotek

Figur 12 viser projektets stykliste.