Bộ chuyển đổi DC sang DC hiệu quả 97% [3A, có thể điều chỉnh]: 12 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Một bo mạch chuyển đổi DC sang DC nhỏ bé rất hữu ích cho nhiều ứng dụng, đặc biệt nếu nó có thể cung cấp dòng điện lên đến 3A (2A liên tục mà không cần tản nhiệt). Trong bài này, chúng ta sẽ học cách xây dựng một mạch chuyển đổi buck nhỏ, hiệu quả và rẻ tiền.

[1]: Phân tích mạch

Hình 1 cho thấy sơ đồ của thiết bị. Thành phần chính là bộ chuyển đổi buck bước xuống MP2315.

Bước 1: Tham khảo

Nguồn bài viết: https://www.pcbway.com/blog/technology/DC_to_DC_B…[1]:

[2]:

[3]:

Bước 2: Hình 1, Sơ đồ của Bộ chuyển đổi DC sang DC Buck

Theo biểu dữ liệu MP2315 [1]: “MP2315 là bộ chuyển đổi chế độ chuyển đổi bước xuống được chỉnh lưu đồng bộ tần số cao với các MOSFET nguồn bên trong được tích hợp sẵn. Nó cung cấp một giải pháp rất nhỏ gọn để đạt được dòng điện đầu ra liên tục 3A trên một phạm vi cung cấp đầu vào rộng với tải và điều chỉnh dòng tuyệt vời. MP2315 có chế độ hoạt động đồng bộ để đạt hiệu quả cao hơn trong phạm vi tải dòng điện đầu ra. Chế độ hiện tại hoạt động cung cấp phản hồi nhanh chóng và giảm ổn định vòng lặp. Các tính năng bảo vệ đầy đủ bao gồm OCP và tắt nhiệt.” RDS thấp (bật) cho phép chip này xử lý dòng điện cao.

C1 và C2 được sử dụng để giảm nhiễu điện áp đầu vào. R2, R4 và R5 xây dựng một đường phản hồi đến chip. R2 là một chiết áp đa vòng 200K để điều chỉnh điện áp đầu ra. L1 và C4 là các yếu tố chuyển đổi buck cần thiết. L2, C5 và C7 tạo một bộ lọc LC đầu ra bổ sung mà tôi đã thêm vào để giảm nhiễu và gợn sóng. Tần số cắt của bộ lọc này là khoảng 1KHz. R6 giới hạn dòng điện vào chân EN. Giá trị R1 đã được đặt theo biểu dữ liệu. R3 và C3 có liên quan đến mạch bootstrap và được xác định theo biểu dữ liệu.

Hình 2 cho thấy biểu đồ hiệu suất so với đầu ra hiện tại. Hiệu suất cao nhất cho hầu hết tất cả các điện áp đầu vào đã đạt được vào khoảng 1A.

Bước 3: Hình 2, Dòng điện đầu ra hiệu quả Vs

[2]: Bố cục PCB Hình 3 cho thấy bố cục PCB được thiết kế. Đó là một bảng hai lớp nhỏ (2,1cm * 2,6cm).

Tôi đã sử dụng các thư viện thành phần SamacSys (Biểu tượng sơ đồ và dấu chân PCB) cho IC1 [2] vì các thư viện này miễn phí và quan trọng hơn, chúng tuân theo các tiêu chuẩn IPC công nghiệp. Tôi sử dụng phần mềm Altium Designer CAD, vì vậy tôi đã sử dụng plugin SamacSys Altium để cài đặt trực tiếp các thư viện thành phần [3]. Hình 4 cho thấy các thành phần đã chọn. Bạn cũng có thể tìm kiếm và cài đặt / sử dụng các thư viện thành phần thụ động.

Bước 4: Hình 3, Bố trí PCB của Bộ chuyển đổi DC sang DC Buck

Bước 5: Hình 4, Thành phần được Chọn (IC1) Từ Plugin SamacSys Altium

Đây là lần sửa đổi cuối cùng của bảng PCB. Hình 5 và hình 6 cho thấy các hình chiếu 3D của bảng mạch PCB, từ trên xuống dưới.

Bước 6: Hình 5 & 6, Chế độ xem 3D của Bảng mạch PCB (TOP và Buttom)

[3]: Xây dựng và Kiểm tra Hình 7 cho thấy nguyên mẫu đầu tiên (phiên bản đầu tiên) của bảng. Bo mạch PCB được chế tạo bởi PCBWay, đây là một bo mạch chất lượng cao. Tôi không gặp vấn đề gì với việc hàn.

Như rõ ràng trong hình 8, tôi đã sửa đổi một số phần của mạch để đạt được tiếng ồn thấp hơn, vì vậy Sơ đồ và PCB được cung cấp là phiên bản mới nhất.

Bước 7: Hình 7, Nguyên mẫu đầu tiên (Phiên bản cũ hơn) của Bộ chuyển đổi Buck

Sau khi hàn các thành phần, chúng tôi đã sẵn sàng để kiểm tra mạch. Biểu dữ liệu nói rằng chúng ta có thể áp dụng điện áp từ 4,5V đến 24V cho đầu vào. Sự khác biệt chính giữa nguyên mẫu đầu tiên (bo mạch đã thử nghiệm của tôi) và PCB / Sơ đồ cuối cùng là một số sửa đổi trong thiết kế PCB và vị trí / giá trị thành phần. Đối với nguyên mẫu đầu tiên, tụ điện đầu ra chỉ là 22uF-35V. Vì vậy, tôi đã thay đổi nó bằng hai tụ điện SMD 47uF (gói C5 và C7, 1210). Tôi đã áp dụng các sửa đổi tương tự cho đầu vào và thay thế tụ điện đầu vào bằng hai tụ điện định mức 35V. Ngoài ra, tôi đã thay đổi vị trí của tiêu đề đầu ra.

Vì điện áp đầu ra tối đa là 21V và tụ điện được đánh giá ở 25V (gốm), do đó sẽ không có vấn đề về tốc độ điện áp, tuy nhiên, nếu bạn có thắc mắc về điện áp danh định của tụ điện, chỉ cần giảm giá trị điện dung của chúng xuống 22uF và tăng điện áp định mức đến 35V. Bạn luôn có thể bù đắp điều này bằng cách thêm các tụ điện đầu ra bổ sung trên mạch / tải mục tiêu của mình. Thậm chí bạn có thể thêm tụ điện 470uF hoặc 1000uF “bên ngoài” vì không có đủ không gian trên bảng để lắp bất kỳ tụ điện nào trong số chúng. Trên thực tế, bằng cách thêm nhiều tụ điện hơn, chúng tôi giảm tần số cắt của bộ lọc cuối cùng, do đó, nó sẽ ngăn chặn nhiều tiếng ồn hơn.

Tốt hơn là bạn nên sử dụng các tụ điện song song. Ví dụ: sử dụng song song hai 470uF thay vì một 1000uF. Nó giúp giảm tổng giá trị ESR (quy tắc điện trở song song).

Bây giờ, chúng ta hãy kiểm tra độ gợn và nhiễu đầu ra bằng cách sử dụng máy hiện sóng đầu ra có độ ồn thấp như Siglent SDS1104X-E. Nó có thể đo điện áp xuống đến 500uV / div, đây là một tính năng rất hay.

Tôi đã hàn bảng mạch chuyển đổi, cùng với tụ điện 470uF-35V bên ngoài, trên một miếng bảng nguyên mẫu tự làm nhỏ để kiểm tra độ gợn sóng và tiếng ồn (hình 8)

Bước 8: Hình 8, Bảng chuyển đổi trên một Bảng nguyên mẫu nhỏ tự làm (bao gồm Tụ điện đầu ra 470uF)

Khi điện áp đầu vào cao (24V) và điện áp đầu ra thấp (ví dụ: 5V), độ gợn sóng và nhiễu lớn nhất sẽ được tạo ra vì chênh lệch điện áp đầu vào và đầu ra cao. Vì vậy, hãy trang bị lò xo nối đất cho đầu dò của máy hiện sóng và kiểm tra tiếng ồn đầu ra (hình 9). Điều cần thiết là sử dụng lò xo nối đất, vì dây nối đất của đầu dò máy hiện sóng có thể hấp thụ rất nhiều tiếng ồn ở chế độ thông thường, đặc biệt là trong các phép đo như vậy.

Bước 9: Hình 9, Thay thế dây nối đất của đầu dò bằng lò xo nối đất

Hình 10 cho thấy nhiễu đầu ra khi đầu vào là 24V và đầu ra là 5V. Cần lưu ý rằng đầu ra của bộ chuyển đổi là miễn phí và chưa được kết nối với bất kỳ tải nào.

Bước 10: Hình 10, Tiếng ồn đầu ra của Bộ chuyển đổi DC sang DC (đầu vào = 24V, đầu ra = 5V)

Bây giờ, hãy kiểm tra tiếng ồn đầu ra dưới sự chênh lệch điện áp đầu vào / đầu ra thấp nhất (0,8V). Tôi đặt điện áp đầu vào là 12V và đầu ra là 11,2V (hình 11).

Bước 11: Hình 11, Tiếng ồn đầu ra dưới sự chênh lệch điện áp đầu vào / đầu ra thấp nhất (đầu vào = 12V, đầu ra = 11,2V)

Xin lưu ý rằng bằng cách tăng dòng điện đầu ra (thêm một tải), tiếng ồn / gợn sóng đầu ra sẽ tăng lên. Đây là một câu chuyện có thật đối với tất cả các bộ nguồn hoặc bộ chuyển đổi.

[4] Hóa đơn vật liệu

Hình 12 cho thấy hóa đơn vật liệu của dự án.