97% Mahusay DC sa DC Buck Converter [3A, Naaayos]: 12 Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:12

Ang isang maliit na DC to DC buck converter board ay kapaki-pakinabang para sa maraming mga application, lalo na kung maihahatid ang mga alon hanggang sa 3A (2A na patuloy na walang heatsink). Sa artikulong ito, matututunan nating bumuo ng isang maliit, mahusay, at murang buck converter circuit.

[1]: Pagsusuri sa Circuit

Ipinapakita ng Larawan 1 ang diagram ng eskematiko ng aparato. Ang pangunahing sangkap ay ang MP2315 step-down buck converter.

Hakbang 1: Mga Sanggunian

Pinagmulan ng Artikulo: https://www.pcbway.com/blog/technology/DC_to_DC_B…[1]:

[2]:

[3]:

Hakbang 2: Larawan 1, Diagram ng Skematika ng DC to DC Buck Converter

Ayon sa MP2315 [1] datasheet: "Ang MP2315 ay isang mataas na dalas na kasabay na naayos na step-down switch-mode converter na may built-in na panloob na mga MOSFET na kapangyarihan. Nag-aalok ito ng isang napaka-compact na solusyon upang makamit ang 3A tuloy-tuloy na kasalukuyang output sa isang malawak na saklaw ng supply ng input na may mahusay na regulasyon ng pag-load at linya. Ang MP2315 ay may pagpapatakbo ng kasabay na mode para sa mas mataas na kahusayan sa paglabas ng kasalukuyang saklaw ng pag-load. Ang kasalukuyang pagpapatakbo ng mode ay nagbibigay ng isang mabilis na pansamantalang tugon at pinapagaan ang pagpapatatag ng loop. Ang mga tampok sa buong proteksyon ay may kasamang OCP at thermal shut down. " Pinapayagan ng mababang RDS (on) ang chip na ito upang hawakan ang matataas na alon.

Ginagamit ang C1 at C2 upang mabawasan ang mga ingay ng boltahe ng pag-input. Ang R2, R4, at R5 ay bumuo ng isang path ng feedback sa chip. Ang R2 ay isang 200K multiturn potentiometer upang ayusin ang boltahe ng output. Ang L1 at C4 ay ang mahahalagang elemento ng buck converter. Ang L2, C5, at C7 ay gumawa ng isang karagdagang output LC filter na idinagdag ko upang mabawasan ang ingay at ripple. Ang dalas ng cut-off ng filter na ito ay nasa paligid ng 1KHz. Nililimitahan ng R6 ang kasalukuyang daloy sa EN pin. Ang halagang R1 ay itinakda alinsunod sa datasheet. Ang R3 at C3 ay nauugnay sa circuit ng bootstrap at natutukoy ayon sa datasheet.

Ipinapakita ng Larawan 2 ang kahusayan vs output kasalukuyang balangkas. Ang pinakamataas na kahusayan para sa halos lahat ng mga voltages ng pag-input ay nakamit sa paligid ng 1A.

Hakbang 3: Larawan 2, Kahusayan Vs Kasalukuyang Output

[2]: Ipinapakita ng PCB LayoutFigure 3 ang naka-disenyo na layout ng PCB. Ito ay isang maliit (2.1cm * 2.6cm) dalawang layer board.

Ginamit ko ang mga sangkap na bahagi ng SamacSys (simbolo ng Skematika at bakas ng paa ng PCB) para sa IC1 [2] dahil ang mga aklatan na ito ay libre at mas mahalaga, sinusunod nila ang mga pamantayang pang-industriya na IPC. Gumagamit ako ng Altium Designer CAD software, kaya ginamit ko ang SamacSys Altium plugin upang direktang mai-install ang mga bahagi ng aklatan [3]. Ipinapakita ng Larawan 4 ang mga napiling sangkap. Maaari kang maghanap at mag-install / gumamit din ng mga passive na bahagi ng library.

Hakbang 4: Larawan 3, PCB Layout ng DC to DC Buck Converter

Hakbang 5: Larawan 4, Napiling Component (IC1) Mula sa SamacSys Altium Plugin

Ito ang huling rebisyon ng PCB board. Ang figure 5 at figure 6 ay nagpapakita ng mga 3D view ng PCB board, mula sa itaas at ibaba.

Hakbang 6: Larawan 5 & 6, 3D na Mga Pagtingin sa PCB Board (TOP at Buttom)

[3]: Ang konstruksyon at TestFigure 7 ay nagpapakita ng unang prototype (unang bersyon) ng board. Ang PCB board ay gawa-gawa ng PCBWay, na isang de-kalidad na board. Wala akong problema sa paghihinang kung anupaman.

Tulad ng malinaw sa figure 8, binago ko ang ilang bahagi ng circuit upang makamit ang mas mababang ingay, kaya't ang ibinigay na Schematic at PCB ang pinakabagong bersyon.

Hakbang 7: Larawan 7, ang Unang Prototype (isang Mas Matandang Bersyon) ng Buck Converter

Matapos ang paghihinang ng mga sangkap, handa na kaming subukan ang circuit. Sinasabi ng datasheet na maaari kaming maglapat ng boltahe mula 4.5V hanggang 24V sa input. Ang mga pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng unang prototype (aking nasubukan board) at ang huling PCB / Schematic ay ilang mga pagbabago sa disenyo ng PCB at paglalagay / mga halaga ng sangkap. Para sa unang prototype, ang output capacitor ay 22uF-35V lamang. Kaya binago ko ito sa dalawang 47uF SMD capacitor (C5 at C7, 1210 na mga package). Inilapat ko ang parehong mga pagbabago para sa pag-input at pinalitan ang input capacitor ng dalawang 35V na na-rate na capacitor. Gayundin, binago ko ang lokasyon ng output header.

Dahil ang maximum na boltahe ng output ay 21V at ang mga capacitor ay na-rate sa 25V (ceramic), kung gayon hindi dapat magkaroon ng isang problema sa rate ng boltahe, subalit, kung mayroon kang mga alalahanin tungkol sa mga na-rate na voltages ng mga capacitor, bawasan lamang ang kanilang mga halaga ng capacitance sa 22uF at taasan ang na-rate na voltages sa 35V. Maaari mong palaging mabayaran ito sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga sobrang output capacitor sa iyong target na circuit / load. Kahit na maaari kang magdagdag ng 470uF o 1000uF capacitor na "panlabas" dahil walang sapat na puwang sa board upang magkasya ang alinman sa mga ito. Sa totoo lang, sa pamamagitan ng pagdaragdag ng higit pang mga capacitor, binabawasan natin ang cut-off na dalas ng huling filter, kaya masugpo nito ang mas maraming ingay.

Mas mahusay na gamitin mo ang mga capacitor nang magkatulad. Halimbawa, gumamit ng dalawang 470uF nang kahanay sa halip na isang 1000uF. Nakakatulong ito upang mabawasan ang kabuuang halaga ng ESR (panuntunan ng parallel resistors).

Suriin natin ngayon ang output ripple at ingay sa pamamagitan ng paggamit ng low-noise front end oscilloscope tulad ng Siglent SDS1104X-E. Maaari itong sukatin ang mga voltages pababa sa 500uV / div, na kung saan ay isang napakagandang tampok.

Inhinang ko ang converter board, kasama ng isang panlabas na 470uF-35V capacitor, sa isang maliit na piraso ng DIY prototype board upang subukan ang ripple at ingay (pigura 8)

Hakbang 8: Larawan 8, ang Converter Board sa isang Maliit na Piraso ng DIY Prototype Board (kasama ang isang 470uF Output Capacitor)

Kapag ang input boltahe ay mataas (24V) at ang output boltahe ay mababa (5V halimbawa), ang maximum na alon at ingay ay dapat na nabuo dahil ang input at output boltahe pagkakaiba-iba ay mataas. Kaya't bigyan natin ang probe ng oscilloscope ng isang ground-spring at suriin ang output noise (figure 9). Mahalaga na gamitin ang ground-spring, dahil ang ground wire ng oscilloscope probe ay maaaring sumipsip ng maraming mga karaniwang ingay na mode, lalo na sa mga naturang pagsukat.

Hakbang 9: Larawan 9, Pinapalitan ang Ground Wire ng Probe Sa Isang Ground-spring

Ipinapakita ng Larawan 10 ang output na ingay kapag ang input ay 24V at ang output ay 5V. Dapat banggitin na ang output ng converter ay libre at hindi nakakonekta sa anumang pag-load.

Hakbang 10: Larawan 10, Output Noise ng DC to DC Converter (input = 24V, Output = 5V)

Ngayon subukan natin ang output ingay sa ilalim ng pinakamababang pagkakaiba-iba ng input / output boltahe (0.8V). Itinakda ko ang input boltahe sa 12V at ang output sa 11.2V (figure 11).

Hakbang 11: Larawan 11, Output Noise Sa ilalim ng Pinakamababang Pag-input / output Pagkakaiba ng Boltahe (input = 12V, Output = 11.2V)

Mangyaring tandaan na sa pamamagitan ng pagtaas ng kasalukuyang output (pagdaragdag ng isang pag-load), tataas ang ingay / ripple ng output. Ito ay isang totoong kwento para sa lahat ng mga power supply o converter.

[4] Bill ng Mga Materyales

Ipinapakita ng Figure 12 ang bayarin ng mga materyales ng proyekto.