ตัวแปลง DC เป็น DC Buck มีประสิทธิภาพ 97% [3A ปรับได้]: 12 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:04

บอร์ดตัวแปลงบั๊ก DC เป็น DC ขนาดเล็กมีประโยชน์สำหรับการใช้งานจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากสามารถส่งกระแสได้ถึง 3A (2A อย่างต่อเนื่องโดยไม่มีฮีทซิงค์) ในบทความนี้ เราจะเรียนรู้การสร้างวงจรแปลงบั๊กขนาดเล็ก มีประสิทธิภาพ และราคาถูก

[1]: การวิเคราะห์วงจร

รูปที่ 1 แสดงแผนผังของอุปกรณ์ ส่วนประกอบหลักคือตัวแปลงบั๊กสเต็ปดาวน์ MP2315

ขั้นตอนที่ 1: การอ้างอิง

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

[2]:

[3]:

ขั้นตอนที่ 2: รูปที่ 1 แผนผังไดอะแกรมของ DC to DC Buck Converter

ตามเอกสารข้อมูลของ MP2315 [1]: “MP2315 เป็นตัวแปลงโหมดสวิตช์สเต็ปดาวน์แบบซิงโครนัสความถี่สูงที่แก้ไขแล้วพร้อม MOSFET กำลังภายในในตัว นำเสนอโซลูชันที่กะทัดรัดมากเพื่อให้ได้กระแสเอาต์พุตต่อเนื่อง 3A ในช่วงแหล่งจ่ายอินพุตที่กว้าง พร้อมการควบคุมโหลดและสายที่ดีเยี่ยม MP2315 มีการทำงานของโหมดซิงโครนัสเพื่อประสิทธิภาพที่สูงกว่าช่วงโหลดกระแสไฟขาออก การทำงานของโหมดปัจจุบันให้การตอบสนองชั่วคราวที่รวดเร็วและลดการสั่นไหวของลูป คุณสมบัติการป้องกันเต็มรูปแบบรวมถึง OCP และการปิดระบบระบายความร้อน” RDS ต่ำ (เปิด) ช่วยให้ชิปนี้รองรับกระแสสูง

C1 และ C2 ใช้เพื่อลดสัญญาณรบกวนของแรงดันไฟฟ้าขาเข้า R2, R4 และ R5 สร้างเส้นทางป้อนกลับไปยังชิป R2 เป็นโพเทนชิโอมิเตอร์แบบหลายรอบ 200K เพื่อปรับแรงดันเอาต์พุต L1 และ C4 เป็นองค์ประกอบตัวแปลงบั๊กที่จำเป็น L2, C5 และ C7 สร้างตัวกรองเอาต์พุต LC เพิ่มเติมที่ฉันเพิ่มเพื่อลดสัญญาณรบกวนและการกระเพื่อม ความถี่ตัดของตัวกรองนี้อยู่ที่ประมาณ 1KHz R6 จำกัดกระแสไหลไปที่พิน EN ค่า R1 ถูกตั้งค่าตามแผ่นข้อมูล R3 และ C3 เกี่ยวข้องกับวงจรบูตสแตรปและกำหนดตามแผ่นข้อมูล

รูปที่ 2 แสดงประสิทธิภาพเทียบกับพล็อตกระแสไฟขาออก ประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับแรงดันไฟฟ้าอินพุตเกือบทั้งหมดอยู่ที่ประมาณ 1A

ขั้นตอนที่ 3: รูปที่ 2 ประสิทธิภาพเทียบกับกระแสไฟขาออก

[2]: PCB LayoutFigure 3 แสดงเค้าโครง PCB ที่ออกแบบ เป็นกระดานสองชั้นขนาดเล็ก (2.1 ซม. * 2.6 ซม.)

ฉันใช้ไลบรารีคอมโพเนนต์ SamacSys (สัญลักษณ์ Schematic และ PCB footprint) สำหรับ IC1 [2] เนื่องจากไลบรารีเหล่านี้ไม่เสียค่าใช้จ่ายและที่สำคัญกว่านั้นคือเป็นไปตามมาตรฐาน IPC อุตสาหกรรม ฉันใช้ซอฟต์แวร์ Altium Designer CAD ดังนั้นฉันจึงใช้ปลั๊กอิน SamacSys Altium เพื่อติดตั้งไลบรารีส่วนประกอบโดยตรง [3] รูปที่ 4 แสดงส่วนประกอบที่เลือก คุณสามารถค้นหาและติดตั้ง/ใช้ไลบรารีส่วนประกอบแบบพาสซีฟได้เช่นกัน

ขั้นตอนที่ 4: รูปที่ 3 เค้าโครง PCB ของ DC to DC Buck Converter

ขั้นตอนที่ 5: รูปที่ 4 ส่วนประกอบที่เลือก (IC1) จากปลั๊กอิน SamacSys Altium

นี่เป็นการแก้ไขครั้งสุดท้ายของบอร์ด PCB รูปที่ 5 และรูปที่ 6 แสดงมุมมอง 3 มิติของบอร์ด PCB จากด้านบนและด้านล่าง

ขั้นตอนที่ 6: รูปที่ 5 & 6 มุมมอง 3 มิติของบอร์ด PCB (บนและล่าง)

[3]: การสร้างและการทดสอบ รูปที่ 7 แสดงต้นแบบแรก (รุ่นแรก) ของบอร์ด บอร์ด PCB ถูกประดิษฐ์โดย PCBWay ซึ่งเป็นบอร์ดคุณภาพสูง ฉันไม่มีปัญหากับการบัดกรีแต่อย่างใด

ดังที่เห็นได้ชัดเจนในภาพที่ 8 ฉันได้แก้ไขบางส่วนของวงจรเพื่อลดเสียงรบกวน ดังนั้น Schematic และ PCB ที่ให้มาจึงเป็นเวอร์ชันล่าสุด

ขั้นตอนที่ 7: รูปที่ 7 ต้นแบบแรก (รุ่นเก่ากว่า) ของ Buck Converter

หลังจากบัดกรีส่วนประกอบ เราก็พร้อมที่จะทดสอบวงจร แผ่นข้อมูลบอกว่าเราสามารถใช้แรงดันไฟฟ้าจาก 4.5V ถึง 24V กับอินพุตได้ ความแตกต่างหลักระหว่างต้นแบบแรก (บอร์ดทดสอบของฉัน) และ PCB/Schematic ล่าสุดคือการดัดแปลงบางอย่างในการออกแบบ PCB และการจัดวาง/ค่าส่วนประกอบ สำหรับต้นแบบแรก ตัวเก็บประจุเอาต์พุตมีเพียง 22uF-35V ดังนั้นฉันจึงเปลี่ยนด้วยตัวเก็บประจุ SMD 47uF สองตัว (แพ็คเกจ C5 และ C7, 1210) ฉันใช้การปรับเปลี่ยนแบบเดียวกันสำหรับอินพุตและแทนที่ตัวเก็บประจุอินพุตด้วยตัวเก็บประจุที่มีพิกัด 35V สองตัว นอกจากนี้ ฉันยังเปลี่ยนตำแหน่งของส่วนหัวของเอาต์พุต

เนื่องจากแรงดันไฟขาออกสูงสุดคือ 21V และตัวเก็บประจุได้รับการจัดอันดับที่ 25V (เซรามิก) จึงไม่ควรมีปัญหาเกี่ยวกับอัตราแรงดันไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม หากคุณมีข้อกังวลเกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดของตัวเก็บประจุ เพียงลดค่าความจุของตัวเก็บประจุเป็น 22uF และเพิ่ม พิกัดแรงดันไฟฟ้า 35V. คุณสามารถชดเชยสิ่งนี้ได้เสมอโดยการเพิ่มตัวเก็บประจุเอาต์พุตเพิ่มเติมในวงจร/โหลดเป้าหมายของคุณ คุณสามารถเพิ่มตัวเก็บประจุ 470uF หรือ 1000uF "ภายนอก" ได้เพราะไม่มีที่ว่างเพียงพอบนบอร์ดเพื่อให้พอดีกับตัวใดตัวหนึ่ง ที่จริงแล้ว โดยการเพิ่มตัวเก็บประจุมากขึ้น เราจะลดความถี่ตัดของตัวกรองขั้นสุดท้าย ดังนั้นมันจะระงับเสียงรบกวนได้มากขึ้น

ควรใช้ตัวเก็บประจุแบบคู่ขนานกันจะดีกว่า ตัวอย่างเช่น ใช้ 470uF สองตัวขนานกันแทน 1000uF หนึ่งอัน ช่วยลดค่า ESR ทั้งหมด (กฎตัวต้านทานแบบขนาน)

ตอนนี้ มาตรวจสอบการกระเพื่อมของเอาต์พุตและสัญญาณรบกวนโดยใช้ออสซิลโลสโคปส่วนหน้าที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ เช่น Siglent SDS1104X-E มันสามารถวัดแรงดันไฟฟ้าได้สูงถึง 500uV/div ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ดีมาก

ฉันบัดกรีบอร์ดตัวแปลงพร้อมกับตัวเก็บประจุภายนอก 470uF-35V บนบอร์ดต้นแบบ DIY ชิ้นเล็ก ๆ เพื่อทดสอบการกระเพื่อมและสัญญาณรบกวน (รูปที่ 8)

ขั้นตอนที่ 8: รูปที่ 8 บอร์ด Converter บนบอร์ดต้นแบบ DIY ชิ้นเล็ก (รวมถึงตัวเก็บประจุเอาต์พุต 470uF)

เมื่อแรงดันไฟฟ้าอินพุตสูง (24V) และแรงดันเอาต์พุตต่ำ (เช่น 5V) ควรสร้างการกระเพื่อมและสัญญาณรบกวนสูงสุดเนื่องจากความต่างของแรงดันอินพุตและเอาต์พุตสูง ดังนั้น ให้ติดตั้งโพรบออสซิลโลสโคปกับสปริงกราวด์และตรวจสอบสัญญาณรบกวนเอาต์พุต (รูปที่ 9) จำเป็นต้องใช้กราวด์สปริง เนื่องจากสายกราวด์ของโพรบออสซิลโลสโคปสามารถดูดซับเสียงในโหมดทั่วไปได้จำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการวัดดังกล่าว

ขั้นตอนที่ 9: รูปที่ 9 การเปลี่ยนสายกราวด์ของโพรบด้วยกราวด์สปริง

รูปที่ 10 แสดงสัญญาณรบกวนเอาต์พุตเมื่ออินพุตเป็น 24V และเอาต์พุตคือ 5V ควรกล่าวว่าเอาต์พุตของตัวแปลงนั้นว่างและไม่ได้เชื่อมต่อกับโหลดใดๆ

ขั้นตอนที่ 10: รูปที่ 10 สัญญาณรบกวนเอาต์พุตของตัวแปลง DC เป็น DC (อินพุต = 24V, เอาต์พุต = 5V)

ตอนนี้ มาทดสอบเสียงเอาท์พุตภายใต้ความต่างของแรงดันอินพุต/เอาต์พุตต่ำสุด (0.8V) ฉันตั้งค่าแรงดันอินพุตเป็น 12V และเอาต์พุตเป็น 11.2V (รูปที่ 11)

ขั้นตอนที่ 11: รูปที่ 11 สัญญาณรบกวนเอาต์พุตภายใต้ความต่างของแรงดันอินพุต/เอาต์พุตต่ำสุด (อินพุต = 12V, เอาต์พุต = 11.2V)

โปรดทราบว่าโดยการเพิ่มกระแสไฟขาออก (เพิ่มโหลด) สัญญาณรบกวน/การกระเพื่อมของเอาต์พุตจะเพิ่มขึ้น นี่เป็นเรื่องจริงสำหรับอุปกรณ์จ่ายไฟหรือตัวแปลงทั้งหมด

[4] รายการวัสดุ

รูปที่ 12 แสดงรายการวัสดุของโครงการ