Convertitore buck da CC a CC efficiente al 97% [3A, regolabile]: 12 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Una minuscola scheda convertitore buck da CC a CC è utile per molte applicazioni, soprattutto se può fornire correnti fino a 3 A (2 A in continuo senza dissipatore di calore). In questo articolo impareremo a costruire un circuito di conversione buck piccolo, efficiente ed economico.

[1]: Analisi del circuito

La figura 1 mostra il diagramma schematico del dispositivo. Il componente principale è il convertitore buck step-down MP2315.

Passaggio 1: riferimenti

Fonte articolo:

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Passaggio 2: Figura 1, diagramma schematico del convertitore buck da CC a CC

Secondo la scheda tecnica dell'MP2315 [1]: “L'MP2315 è un convertitore step-down step-down raddrizzato sincrono ad alta frequenza con MOSFET di potenza interni incorporati. Offre una soluzione molto compatta per ottenere una corrente di uscita continua di 3 A su un ampio intervallo di alimentazione in ingresso con un'eccellente regolazione del carico e della linea. L'MP2315 ha un funzionamento in modalità sincrona per una maggiore efficienza rispetto all'intervallo di carico della corrente di uscita. Il funzionamento in modalità corrente fornisce una risposta rapida ai transitori e facilita la stabilizzazione del loop. Le funzioni di protezione completa includono OCP e spegnimento termico.” Low RDS(on) consente a questo chip di gestire correnti elevate.

C1 e C2 vengono utilizzati per ridurre i disturbi della tensione di ingresso. R2, R4 e R5 creano un percorso di feedback al chip. R2 è un potenziometro multigiro da 200K per regolare la tensione di uscita. L1 e C4 sono gli elementi essenziali del convertitore buck. L2, C5 e C7 creano un filtro LC di uscita aggiuntivo che ho aggiunto per ridurre il rumore e l'ondulazione. La frequenza di taglio di questo filtro è di circa 1KHz. R6 limita il flusso di corrente al pin EN. Il valore R1 è stato impostato secondo la scheda tecnica. R3 e C3 sono relativi al circuito di bootstrap e determinati secondo il datasheet.

La Figura 2 mostra il grafico dell'efficienza rispetto alla corrente di uscita. La massima efficienza per quasi tutte le tensioni di ingresso è stata raggiunta a circa 1A.

Passaggio 3: Figura 2, Efficienza rispetto alla corrente di uscita

[2]: Layout PCB La Figura 3 mostra il layout PCB progettato. È una piccola tavola a due strati (2,1 cm * 2,6 cm).

Ho usato le librerie di componenti SamacSys (Schematic symbol e PCB footprint) per IC1 [2] perché queste librerie sono gratuite e, cosa più importante, seguono gli standard IPC industriali. Utilizzo il software CAD Altium Designer, quindi ho utilizzato il plugin SamacSys Altium per installare direttamente le librerie dei componenti [3]. La Figura 4 mostra i componenti selezionati. Puoi anche cercare e installare/utilizzare le librerie dei componenti passivi.

Passaggio 4: Figura 3, layout PCB del convertitore buck da CC a CC

Passaggio 5: Figura 4, componente selezionato (IC1) dal plugin SamacSys Altium

Questa è l'ultima revisione della scheda PCB. La Figura 5 e la Figura 6 mostrano viste 3D della scheda PCB, dall'alto e dal basso.

Fase 6: Figure 5 e 6, viste 3D della scheda PCB (TOP e Buttom)

[3]: Costruzione e test La figura 7 mostra il primo prototipo (prima versione) della scheda. La scheda PCB è stata fabbricata da PCBWay, che è una scheda di alta qualità. Non ho avuto alcun problema con la saldatura.

Come è chiaro nella figura 8, ho modificato alcune parti del circuito per ottenere un rumore inferiore, quindi lo schema e il PCB forniti sono le ultime versioni.

Passaggio 7: Figura 7, il primo prototipo (una versione precedente) del convertitore buck

Dopo aver saldato i componenti, siamo pronti per testare il circuito. La scheda tecnica dice che possiamo applicare una tensione da 4.5V a 24V all'ingresso. Le principali differenze tra il primo prototipo (la mia scheda testata) e l'ultimo PCB/Schematic sono alcune modifiche nel design del PCB e nel posizionamento/valori dei componenti. Per il primo prototipo, il condensatore di uscita è solo 22uF-35V. Quindi l'ho cambiato con due condensatori SMD 47uF (pacchetti C5 e C7, 1210). Ho applicato le stesse modifiche per l'ingresso e ho sostituito il condensatore di ingresso con due condensatori da 35V. Inoltre, ho cambiato la posizione dell'intestazione di output.

Poiché la tensione di uscita massima è 21 V e i condensatori sono classificati a 25 V (ceramica), non dovrebbero esserci problemi di velocità di tensione, tuttavia, se hai dubbi riguardo alle tensioni nominali dei condensatori, riduci semplicemente i loro valori di capacità a 22 uF e aumenta il tensioni nominali a 35V. Puoi sempre compensare questo aggiungendo condensatori di uscita extra sul tuo circuito/carico di destinazione. Anche tu puoi aggiungere un condensatore da 470uF o 1000uF "esternamente" perché non c'è abbastanza spazio sulla scheda per adattarsi a nessuno di essi. In realtà, aggiungendo più condensatori, diminuiamo la frequenza di taglio del filtro finale, in modo che sopprima più rumori.

È meglio usare i condensatori in parallelo. Ad esempio, usa due 470uF in parallelo invece di uno da 1000uF. Aiuta a ridurre il valore ESR totale (la regola dei resistori paralleli).

Ora esaminiamo l'ondulazione e il rumore di uscita utilizzando un oscilloscopio front-end a basso rumore come Siglent SDS1104X-E. Può misurare tensioni fino a 500uV/div, che è una caratteristica molto interessante.

Ho saldato la scheda del convertitore, accompagnata da un condensatore esterno da 470uF-35V, su un piccolo pezzo di scheda prototipo fai-da-te per testare l'ondulazione e il rumore (figura 8)

Passaggio 8: Figura 8, la scheda del convertitore su un piccolo pezzo di scheda prototipo fai-da-te (incluso un condensatore di uscita da 470uF)

Quando la tensione di ingresso è alta (24 V) e la tensione di uscita è bassa (5 V per esempio), dovrebbero essere generati l'ondulazione e il rumore massimi perché la differenza di tensione di ingresso e di uscita è elevata. Dotiamo quindi la sonda dell'oscilloscopio di una molla di massa e controlliamo il rumore in uscita (figura 9). È essenziale utilizzare la molla di terra, perché il filo di terra della sonda dell'oscilloscopio può assorbire molti rumori di modo comune, specialmente in tali misurazioni.

Fase 9: Figura 9, Sostituzione del filo di terra della sonda con una molla di terra

La Figura 10 mostra il rumore di uscita quando l'ingresso è 24 V e l'uscita è 5 V. Va detto che l'uscita del convertitore è libera e non è stata collegata ad alcun carico.

Passaggio 10: Figura 10, Rumore di uscita del convertitore da CC a CC (ingresso = 24 V, uscita = 5 V)

Ora testiamo il rumore di uscita con la differenza di tensione di ingresso/uscita più bassa (0,8 V). Ho impostato la tensione di ingresso a 12V e l'uscita a 11,2V (figura 11).

Fase 11: Figura 11, Rumore in uscita sotto la minima differenza di tensione di ingresso/uscita (ingresso = 12 V, uscita = 11,2 V)

Si noti che aumentando la corrente di uscita (aggiungendo un carico), il rumore/ripple di uscita aumenta. Questa è una storia vera per tutti gli alimentatori o convertitori.

[4] Distinta base

La Figura 12 mostra la distinta base del progetto.