Conversor de Buck DC para DC de 97% eficiente [3A, ajustável]: 12 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Uma minúscula placa conversora DC para DC é útil para muitas aplicações, especialmente se puder fornecer correntes de até 3A (2A continuamente sem dissipador de calor). Neste artigo, aprenderemos a construir um circuito conversor de valor pequeno, eficiente e barato.

[1]: Análise de Circuito

A Figura 1 mostra o diagrama esquemático do dispositivo. O principal componente é o conversor abaixador de buck MP2315.

Etapa 1: Referências

Fonte do artigo:

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Etapa 2: Figura 1, Diagrama esquemático do conversor DC para DC Buck

De acordo com a ficha técnica do MP2315 [1]: “O MP2315 é um conversor de modo de chaveamento abaixador retificado síncrono de alta frequência com MOSFETs de alimentação internos integrados. Ele oferece uma solução muito compacta para alcançar uma corrente de saída contínua de 3A em uma ampla faixa de alimentação de entrada com excelente regulação de carga e linha. O MP2315 possui operação em modo síncrono para maior eficiência sobre a faixa de carga de corrente de saída. A operação no modo de corrente fornece uma resposta transitória rápida e facilita a estabilização do loop. Os recursos de proteção total incluem OCP e desligamento térmico.” Low RDS (on) permite que este chip lide com altas correntes.

C1 e C2 são usados para reduzir ruídos de tensão de entrada. R2, R4 e R5 constroem um caminho de feedback para o chip. R2 é um potenciômetro multivoltas de 200K para ajustar a tensão de saída. L1 e C4 são os elementos essenciais do conversor de buck. L2, C5 e C7 fazem um filtro LC de saída adicional que adicionei para reduzir o ruído e ondulação. A frequência de corte deste filtro é de cerca de 1KHz. R6 limita o fluxo de corrente ao pino EN. O valor R1 foi definido de acordo com a folha de dados. R3 e C3 são relacionados ao circuito de bootstrap e determinados de acordo com a ficha técnica.

A Figura 2 mostra o gráfico de eficiência vs corrente de saída. A maior eficiência para quase todas as tensões de entrada foi alcançada em torno de 1A.

Etapa 3: Figura 2, Eficiência Vs Corrente de Saída

[2]: Layout do PCBFigura 3 mostra o layout do PCB projetado. É uma pequena placa (2,1 cm * 2,6 cm) de duas camadas.

Usei as bibliotecas de componentes SamacSys (símbolo esquemático e pegada de PCB) para o IC1 [2] porque essas bibliotecas são gratuitas e, mais importante, seguem os padrões industriais do IPC. Eu uso o software CAD Altium Designer, então usei o plugin SamacSys Altium para instalar diretamente as bibliotecas de componentes [3]. A Figura 4 mostra os componentes selecionados. Você também pode pesquisar e instalar / usar as bibliotecas de componentes passivos.

Etapa 4: Figura 3, Layout da PCB do conversor DC para DC Buck

Etapa 5: Figura 4, componente selecionado (IC1) do plug-in SamacSys Altium

Esta é a última revisão da placa PCB. A Figura 5 e a Figura 6 mostram vistas 3D da placa PCB, de cima e de baixo.

Etapa 6: Figura 5 e 6, visualizações 3D da placa PCB (TOP e Buttom)

[3]: Construction and TestFigure 7 mostra o primeiro protótipo (primeira versão) da placa. A placa PCB foi fabricada pela PCBWay, que é uma placa de alta qualidade. Não tive nenhum problema com soldagem.

Como fica claro na figura 8, modifiquei algumas partes do circuito para reduzir o ruído, de modo que o Schematic e o PCB fornecidos são as versões mais recentes.

Etapa 7: Figura 7, o primeiro protótipo (uma versão mais antiga) do conversor Buck

Depois de soldar os componentes, estamos prontos para testar o circuito. A folha de dados diz que podemos aplicar uma tensão de 4,5 V a 24 V à entrada. As principais diferenças entre o primeiro protótipo (minha placa testada) e o último PCB / esquema são algumas modificações no design do PCB e na colocação / valores dos componentes. Para o primeiro protótipo, o capacitor de saída é de apenas 22uF-35V. Então eu mudei para dois capacitores SMD 47uF (C5 e C7, pacotes de 1210). Eu apliquei as mesmas modificações para a entrada e substituí o capacitor de entrada por dois capacitores nominais de 35V. Além disso, mudei a localização do cabeçalho de saída.

Uma vez que a tensão de saída máxima é 21 V e os capacitores são classificados em 25 V (cerâmica), então não deve haver um problema de taxa de tensão, no entanto, se você tiver dúvidas sobre as tensões nominais dos capacitores, simplesmente reduza seus valores de capacitância para 22 uF e aumente o tensões nominais de 35V. Você sempre pode compensar isso adicionando capacitores de saída extras em seu circuito / carga de destino. Até você pode adicionar um capacitor de 470uF ou 1000uF “externamente” porque não há espaço suficiente na placa para qualquer um deles. Na verdade, ao adicionar mais capacitores, diminuímos a frequência de corte do filtro final, para suprimir mais ruídos.

É melhor que você use os capacitores em paralelo. Por exemplo, use dois 470uF em paralelo em vez de um 1000uF. Isso ajuda a reduzir o valor ESR total (a regra dos resistores paralelos).

Agora vamos examinar a ondulação de saída e o ruído usando um osciloscópio frontal de baixo ruído, como o Siglent SDS1104X-E. Ele pode medir tensões abaixo de 500uV / div, o que é um recurso muito bom.

Eu soldava a placa conversora, junto com um capacitor 470uF-35V externo, em um pequeno pedaço de placa protótipo DIY para testar a ondulação e o ruído (figura 8)

Etapa 8: Figura 8, a placa conversora em uma pequena peça de placa protótipo DIY (incluindo um capacitor de saída 470uF)

Quando a tensão de entrada é alta (24 V) e a tensão de saída é baixa (5 V por exemplo), a ondulação máxima e o ruído devem ser gerados porque a diferença de tensão de entrada e saída é alta. Então, vamos equipar a ponta de prova do osciloscópio com uma mola de aterramento e verificar o ruído de saída (figura 9). É essencial usar a mola terra, porque o fio terra da ponta de prova do osciloscópio pode absorver muitos ruídos de modo comum, especialmente em tais medições.

Etapa 9: Figura 9, Substituindo o fio terra da sonda por uma mola de aterramento

A Figura 10 mostra o ruído de saída quando a entrada é 24 V e a saída é 5 V. Deve ser mencionado que a saída do conversor está livre e não foi conectada a nenhuma carga.

Etapa 10: Figura 10, Ruído de Saída do Conversor DC para DC (entrada = 24V, Saída = 5V)

Agora vamos testar o ruído de saída sob a menor diferença de tensão de entrada / saída (0,8 V). Defino a tensão de entrada em 12 V e a saída em 11,2 V (figura 11).

Etapa 11: Figura 11, Ruído de saída sob a diferença de tensão de entrada / saída mais baixa (entrada = 12 V, saída = 11,2 V)

Observe que ao aumentar a corrente de saída (adicionando uma carga), o ruído de saída / ondulação aumenta. Esta é uma história verdadeira para todas as fontes de alimentação ou conversores.

[4] Lista de materiais

A Figura 12 mostra a lista de materiais do projeto.