97% efficiënte DC naar DC Buck-converter [3A, instelbaar] - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Een klein DC naar DC buck-converterbord is handig voor veel toepassingen, vooral als het stromen tot 3A (2A continu zonder koellichaam) kan leveren. In dit artikel zullen we leren een klein, efficiënt en goedkoop buck-convertercircuit te bouwen.

[1]: Circuitanalyse

Figuur 1 toont het schematische diagram van het apparaat. Het belangrijkste onderdeel is de MP2315 step-down buck converter.

Stap 1: Referenties

Artikelbron:

[2]:

[3]:

Stap 2: Figuur 1, Schematisch diagram van de DC naar DC Buck-converter

Volgens de MP2315 [1] datasheet: "De MP2315 is een hoogfrequente synchrone gelijkgerichte step-down switch-mode converter met ingebouwde interne power MOSFET's. Het biedt een zeer compacte oplossing om een continue uitgangsstroom van 3 A te bereiken over een breed ingangsbereik met uitstekende belasting- en lijnregeling. De MP2315 heeft een synchrone modus voor een hogere efficiëntie over het uitgangsstroombelastingsbereik. De werking in de huidige modus biedt een snelle transiënte respons en vergemakkelijkt de lusstabilisatie. Volledige beschermingsfuncties omvatten OCP en thermische uitschakeling.” Door een lage RDS(aan) kan deze chip hoge stromen aan.

C1 en C2 worden gebruikt om ingangsspanningsgeluiden te verminderen. R2, R4 en R5 bouwen een feedbackpad naar de chip. R2 is een 200K multiturn potentiometer om de uitgangsspanning aan te passen. L1 en C4 zijn de essentiële buck-converterelementen. L2, C5 en C7 maken een extra output LC-filter dat ik heb toegevoegd om de ruis en rimpeling te verminderen. De afsnijfrequentie van dit filter ligt rond de 1KHz. R6 begrenst de stroom naar de EN-pin. De R1-waarde is ingesteld volgens de datasheet. R3 en C3 zijn gerelateerd aan het bootstrap-circuit en bepaald volgens de datasheet.

Figuur 2 toont de grafiek van de efficiëntie versus de uitgangsstroom. Het hoogste rendement voor bijna alle ingangsspanningen is bereikt rond de 1A.

Stap 3: Afbeelding 2, efficiëntie versus uitgangsstroom

[2]: PCB-layout Afbeelding 3 toont de ontworpen PCB-lay-out. Het is een klein (2,1 cm * 2,6 cm) bord met twee lagen.

Ik heb de SamacSys-componentbibliotheken (schemasymbool en PCB-voetafdruk) gebruikt voor de IC1 [2] omdat deze bibliotheken gratis zijn en, belangrijker nog, ze voldoen aan de industriële IPC-normen. Ik gebruik de Altium Designer CAD-software, dus ik gebruikte de SamacSys Altium-plug-in om de componentenbibliotheken rechtstreeks te installeren [3]. Figuur 4 toont de geselecteerde componenten. U kunt ook de passieve componentenbibliotheken zoeken en installeren/gebruiken.

Stap 4: Afbeelding 3, PCB-layout van de DC naar DC Buck-converter

Stap 5: Afbeelding 4, Geselecteerd onderdeel (IC1) van de SamacSys Altium-plug-in

Dit is de laatste revisie van de printplaat. Figuur 5 en figuur 6 tonen 3D-aanzichten van de printplaat, van boven en van onder.

Stap 6: Figuur 5 & 6, 3D-aanzichten van de printplaat (TOP en Buttom)

[3]: Constructie en TestFiguur 7 toont het eerste prototype (eerste versie) van het bord. De printplaat is vervaardigd door de PCBWay, een bord van hoge kwaliteit. Ik had geen enkel probleem met solderen.

Zoals duidelijk is in figuur 8, heb ik sommige delen van het circuit aangepast om minder ruis te bereiken, dus het meegeleverde schema en PCB zijn de nieuwste versies.

Stap 7: Figuur 7, het eerste prototype (een oudere versie) van de Buck Converter

Na het solderen van de componenten zijn we klaar om de schakeling te testen. In de datasheet staat dat we een spanning van 4,5V tot 24V op de ingang kunnen zetten. De belangrijkste verschillen tussen het eerste prototype (mijn geteste bord) en de laatste PCB/Schema zijn enkele wijzigingen in het PCB-ontwerp en de plaatsing/waarden van de componenten. Voor het eerste prototype is de uitgangscondensator slechts 22uF-35V. Dus ik veranderde het met twee 47uF SMD-condensatoren (C5 en C7, 1210-pakketten). Ik heb dezelfde wijzigingen aangebracht voor de ingang en de ingangscondensator vervangen door twee 35V nominale condensatoren. Ook heb ik de locatie van de uitvoerkop gewijzigd.

Aangezien de maximale uitgangsspanning 21 V is en condensatoren een nominale spanning van 25 V (keramiek) hebben, zou er geen probleem moeten zijn met de spanningssnelheid. Als u zich echter zorgen maakt over de nominale spanningen van de condensatoren, verlaagt u eenvoudig hun capaciteitswaarden tot 22 uF en verhoogt u de nominale spanningen tot 35V. Je kunt dit altijd compenseren door extra uitgangscondensatoren toe te voegen aan je doelcircuit/belasting. Zelfs u kunt een 470uF- of 1000uF-condensator "extern" toevoegen omdat er niet genoeg ruimte op het bord is om op een van hen te passen. Door meer condensatoren toe te voegen, verlagen we de afsnijfrequentie van het laatste filter, zodat het meer ruis zou onderdrukken.

Het is beter de condensatoren parallel te gebruiken. Gebruik bijvoorbeeld twee 470uF parallel in plaats van één 1000uF. Het helpt om de totale ESR-waarde te verlagen (de regel van parallelle weerstanden).

Laten we nu de uitgangsrimpel en ruis onderzoeken met behulp van een ruisarme front-end-oscilloscoop zoals Siglent SDS1104X-E. Het kan spanningen meten tot 500uV/div, wat een erg leuke functie is.

Ik heb het converterbord, samen met een externe 470uF-35V condensator, op een klein stukje DIY prototypebord gesoldeerd om de rimpel en ruis te testen (figuur 8)

Stap 8: Figuur 8, het converterbord op een klein stukje zelfbouwprototypebord (inclusief een 470uF uitgangscondensator)

Wanneer de ingangsspanning hoog is (24V) en de uitgangsspanning laag is (bijvoorbeeld 5V), moet de maximale rimpel en ruis worden gegenereerd omdat het ingangs- en uitgangsspanningsverschil hoog is. Laten we de oscilloscoopsonde dus uitrusten met een aardveer en de uitgangsruis controleren (figuur 9). Het is essentieel om de aardingsveer te gebruiken, omdat de aarddraad van de oscilloscoop-sonde veel common-mode-ruis kan absorberen, vooral bij dergelijke metingen.

Stap 9: Afbeelding 9, De aardingsdraad van de sonde vervangen door een aardingsveer

Afbeelding 10 toont de uitgangsruis wanneer de ingang 24V is en de uitgang 5V. Er moet worden vermeld dat de uitgang van de converter vrij is en niet is aangesloten op een belasting.

Stap 10: Afbeelding 10, Uitgangsruis van de DC-naar-DC-omzetter (ingang =24V, uitgang = 5V)

Laten we nu de uitgangsruis testen onder het laagste ingangs-/uitgangsspanningsverschil (0,8 V). Ik heb de ingangsspanning ingesteld op 12V en de uitgang op 11,2V (figuur 11).

Stap 11: Afbeelding 11, Uitgangsruis onder het laagste ingangs-/uitgangsspanningsverschil (ingang=12V, uitgang=11.2V)

Houd er rekening mee dat door het verhogen van de uitgangsstroom (toevoegen van een belasting), de uitgangsruis/rimpeling toeneemt. Dit is een waargebeurd verhaal voor alle voedingen of omvormers.

[4] Stuklijst

Figuur 12 toont de materiaallijst van het project.