97% effizienter DC-DC-Abwärtswandler [3A, einstellbar] - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

Eine winzige DC-DC-Abwärtswandlerplatine ist für viele Anwendungen nützlich, insbesondere wenn sie Ströme von bis zu 3 A (2 A kontinuierlich ohne Kühlkörper) liefern kann. In diesem Artikel lernen wir, eine kleine, effiziente und kostengünstige Abwärtswandlerschaltung zu bauen.

[1]: Schaltungsanalyse

Abbildung 1 zeigt die schematische Darstellung des Geräts. Die Hauptkomponente ist der Abwärtswandler MP2315.

Schritt 1: Referenzen

Artikelquelle:

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Schritt 2: Abbildung 1, Schematische Darstellung des DC-DC-Abwärtswandlers

Laut MP2315 [1] Datenblatt: „Der MP2315 ist ein hochfrequenter synchroner gleichgerichteter Abwärts-Schaltwandler mit eingebauten internen Leistungs-MOSFETs. Er bietet eine sehr kompakte Lösung, um 3 A Dauerausgangsstrom über einen weiten Eingangsspannungsbereich mit hervorragender Last- und Leitungsregelung zu erreichen. Der MP2315 verfügt über einen synchronen Betrieb für eine höhere Effizienz über den Ausgangsstromlastbereich. Der Betrieb im Strommodus bietet ein schnelles Einschwingverhalten und erleichtert die Schleifenstabilisierung. Zu den vollständigen Schutzfunktionen gehören OCP und thermische Abschaltung.“Low RDS(on) ermöglicht diesem Chip, hohe Ströme zu verarbeiten.

C1 und C2 werden verwendet, um Eingangsspannungsrauschen zu reduzieren. R2, R4 und R5 bilden einen Rückkopplungspfad zum Chip. R2 ist ein 200K Multiturn-Potentiometer zur Einstellung der Ausgangsspannung. L1 und C4 sind die wesentlichen Abwärtswandlerelemente. L2, C5 und C7 bilden einen zusätzlichen LC-Ausgangsfilter, den ich hinzugefügt habe, um das Rauschen und die Welligkeit zu reduzieren. Die Grenzfrequenz dieses Filters liegt bei etwa 1KHz. R6 begrenzt den Stromfluss zum EN-Pin. Der R1-Wert wurde laut Datenblatt eingestellt. R3 und C3 beziehen sich auf die Bootstrap-Schaltung und werden gemäß Datenblatt bestimmt.

Abbildung 2 zeigt das Diagramm Effizienz vs. Ausgangsstrom. Der höchste Wirkungsgrad für fast alle Eingangsspannungen wurde bei ca. 1A erreicht.

Schritt 3: Abbildung 2, Wirkungsgrad Vs Ausgangsstrom

[2]: PCB-LayoutAbbildung 3 zeigt das entworfene PCB-Layout. Es ist ein kleines (2,1 cm * 2,6 cm) zweilagiges Brett.

Für den IC1 [2] habe ich die SamacSys-Komponentenbibliotheken (Schemasymbol und PCB-Footprint) verwendet, da diese Bibliotheken kostenlos sind und vor allem den industriellen IPC-Standards folgen. Ich verwende die CAD-Software Altium Designer, also habe ich das SamacSys Altium-Plugin verwendet, um die Komponentenbibliotheken direkt zu installieren [3]. Abbildung 4 zeigt die ausgewählten Komponenten. Sie können auch die Bibliotheken für passive Komponenten suchen und installieren/verwenden.

Schritt 4: Abbildung 3, PCB-Layout des DC-DC-Abwärtswandlers

Schritt 5: Abbildung 4, Ausgewählte Komponente (IC1) aus dem SamacSys Altium Plugin

Dies ist die letzte Revision der Platine. Abbildung 5 und Abbildung 6 zeigen 3D-Ansichten der Leiterplatte von oben und unten.

Schritt 6: Abbildung 5 & 6, 3D-Ansichten der Leiterplatte (OBEN und unten)

[3]: Aufbau und TestAbbildung 7 zeigt den ersten Prototypen (erste Version) des Boards. Die Platine wurde von PCBWay hergestellt, einer hochwertigen Platine. Beim Löten hatte ich keinerlei Probleme.

Wie in Abbildung 8 deutlich wird, habe ich einige Teile der Schaltung modifiziert, um ein geringeres Rauschen zu erzielen, sodass der mitgelieferte Schaltplan und die Platine die neuesten Versionen sind.

Schritt 7: Abbildung 7, der erste Prototyp (eine ältere Version) des Abwärtswandlers

Nach dem Löten der Komponenten sind wir bereit, die Schaltung zu testen. Das Datenblatt sagt, dass wir eine Spannung von 4,5 V bis 24 V an den Eingang anlegen können. Die Hauptunterschiede zwischen dem ersten Prototypen (meinem getesteten Board) und dem letzten PCB/Schema sind einige Modifikationen im PCB-Design und die Platzierung/Werte der Komponenten. Beim ersten Prototyp beträgt der Ausgangskondensator nur 22uF-35V. Also habe ich es mit zwei 47uF SMD-Kondensatoren (C5 und C7, 1210-Gehäuse) geändert. Ich habe die gleichen Modifikationen für den Eingang vorgenommen und den Eingangskondensator durch zwei 35-V-Kondensatoren ersetzt. Außerdem habe ich die Position des Ausgabeheaders geändert.

Da die maximale Ausgangsspannung 21 V beträgt und Kondensatoren für 25 V (Keramik) ausgelegt sind, sollte es kein Spannungsratenproblem geben. Wenn Sie jedoch Bedenken hinsichtlich der Nennspannungen der Kondensatoren haben, reduzieren Sie einfach deren Kapazitätswerte auf 22uF und erhöhen Sie die Nennspannungen bis 35V. Sie können dies jederzeit kompensieren, indem Sie zusätzliche Ausgangskondensatoren zu Ihrer Zielschaltung/-last hinzufügen. Sie können sogar einen 470uF- oder 1000uF-Kondensator „extern“hinzufügen, da auf der Platine nicht genug Platz ist, um einen von ihnen unterzubringen. Tatsächlich verringern wir durch Hinzufügen weiterer Kondensatoren die Grenzfrequenz des Endfilters, sodass mehr Rauschen unterdrückt wird.

Es ist besser, die Kondensatoren parallel zu verwenden. Verwenden Sie beispielsweise zwei 470uF parallel anstelle von einem 1000uF. Es hilft, den Gesamt-ESR-Wert zu reduzieren (die Regel der Parallelwiderstände).

Untersuchen wir nun die Ausgangswelligkeit und das Rauschen mit einem rauscharmen Front-End-Oszilloskop wie Siglent SDS1104X-E. Es kann Spannungen bis hinunter zu 500uV/div messen, was eine sehr schöne Funktion ist.

Ich habe die Wandlerplatine zusammen mit einem externen 470uF-35V-Kondensator auf ein kleines Stück DIY-Prototypplatine gelötet, um die Welligkeit und das Rauschen zu testen (Abbildung 8)

Schritt 8: Abbildung 8, die Konverterplatine auf einem kleinen Stück DIY-Prototypplatine (einschließlich eines 470uF-Ausgangskondensators)

Wenn die Eingangsspannung hoch (24 V) und die Ausgangsspannung niedrig ist (z. B. 5 V), sollten die maximale Welligkeit und das maximale Rauschen erzeugt werden, da die Eingangs- und Ausgangsspannungsdifferenz hoch ist. Statten wir also den Tastkopf des Oszilloskops mit einer Erdungsfeder aus und prüfen wir das Ausgangsrauschen (Abbildung 9). Die Erdungsfeder muss unbedingt verwendet werden, da das Erdungskabel des Oszilloskop-Tastkopfes besonders bei solchen Messungen viele Gleichtaktgeräusche absorbieren kann.

Schritt 9: Abbildung 9, Ersetzen des Erdungskabels der Sonde durch eine Erdungsfeder

Abbildung 10 zeigt das Ausgangsrauschen, wenn der Eingang 24 V und der Ausgang 5 V beträgt. Es sollte erwähnt werden, dass der Ausgang des Umrichters frei ist und mit keiner Last verbunden wurde.

Schritt 10: Abbildung 10, Ausgangsrauschen des DC-DC-Wandlers (Eingang = 24 V, Ausgang = 5 V)

Lassen Sie uns nun das Ausgangsrauschen unter der niedrigsten Eingangs-/Ausgangsspannungsdifferenz (0,8 V) testen. Ich habe die Eingangsspannung auf 12V und den Ausgang auf 11,2V eingestellt (Abbildung 11).

Schritt 11: Abbildung 11, Ausgangsrauschen unter der niedrigsten Eingangs-/Ausgangsspannungsdifferenz (Eingang = 12 V, Ausgang = 11,2 V)

Bitte beachten Sie, dass durch Erhöhen des Ausgangsstroms (Hinzufügen einer Last) das Ausgangsrauschen/die Welligkeit ansteigt. Dies ist eine wahre Geschichte für alle Netzteile oder Wandler.

[4] Stückliste

Abbildung 12 zeigt die Stückliste des Projekts.