97% Konverter Buck DC ke DC yang Efisien [3A, Dapat Disesuaikan]: 12 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:55

Papan konverter arus DC ke DC kecil berguna untuk banyak aplikasi, terutama jika dapat mengalirkan arus hingga 3A (2A terus menerus tanpa heatsink). Pada artikel ini, kita akan belajar membangun rangkaian buck converter yang kecil, efisien, dan murah.

[1]: Analisis Sirkuit

Gambar 1 menunjukkan diagram skema perangkat. Komponen utamanya adalah konverter buck step-down MP2315.

Langkah 1: Referensi

Sumber Artikel:

[2]:

[3]:

Langkah 2: Gambar 1, Diagram Skema Konverter Buck DC ke DC

Menurut lembar data MP2315 [1]: “MP2315 adalah konverter mode sakelar step-down yang disearahkan frekuensi tinggi dengan MOSFET daya internal internal. Ini menawarkan solusi yang sangat ringkas untuk mencapai arus keluaran kontinu 3A pada rentang pasokan masukan yang lebar dengan pengaturan beban dan saluran yang sangat baik. MP2315 memiliki operasi mode sinkron untuk efisiensi yang lebih tinggi pada rentang beban arus keluaran. Pengoperasian mode saat ini memberikan respons transien yang cepat dan memudahkan stabilisasi loop. Fitur perlindungan penuh termasuk OCP dan thermal shut down.” RDS rendah (on) memungkinkan chip ini menangani arus tinggi.

C1 dan C2 digunakan untuk mengurangi noise tegangan input. R2, R4, dan R5 membangun jalur umpan balik ke chip. R2 adalah potensiometer multiturn 200K untuk mengatur tegangan output. L1 dan C4 adalah elemen konverter uang yang penting. L2, C5, dan C7 membuat filter LC keluaran tambahan yang saya tambahkan untuk mengurangi kebisingan dan riak. Frekuensi cut-off filter ini sekitar 1KHz. R6 membatasi aliran arus ke pin EN. Nilai R1 telah diatur sesuai dengan datasheet. R3 dan C3 terkait dengan rangkaian bootstrap dan ditentukan sesuai dengan datasheet.

Gambar 2 menunjukkan efisiensi vs plot arus keluaran. Efisiensi tertinggi untuk hampir semua tegangan input telah dicapai pada sekitar 1A.

Langkah 3: Gambar 2, Efisiensi Vs Arus Keluaran

[2]: Tata Letak PCB Gambar 3 menunjukkan tata letak PCB yang dirancang. Ini adalah papan dua lapis kecil (2.1cm * 2.6cm).

Saya menggunakan perpustakaan komponen SamacSys (simbol Skema dan jejak PCB) untuk IC1 [2] karena perpustakaan ini gratis dan yang lebih penting, mereka mengikuti standar IPC industri. Saya menggunakan software CAD Altium Designer, jadi saya menggunakan plugin SamacSys Altium untuk langsung menginstal perpustakaan komponen [3]. Gambar 4 menunjukkan komponen yang dipilih. Anda juga dapat mencari dan menginstal/menggunakan pustaka komponen pasif.

Langkah 4: Gambar 3, Tata Letak PCB Konverter Buck DC ke DC

Langkah 5: Gambar 4, Komponen Terpilih (IC1) Dari Plugin SamacSys Altium

Ini adalah revisi terakhir dari papan PCB. Gambar 5 dan gambar 6 menunjukkan tampilan 3D papan PCB, dari atas dan bawah.

Langkah 6: Gambar 5 & 6, Tampilan 3D dari Papan PCB (ATAS dan Buttom)

[3]: Konstruksi dan Pengujian Gambar 7 menunjukkan prototipe pertama (versi pertama) dari papan. Papan PCB telah dibuat oleh PCBWay, yang merupakan papan berkualitas tinggi. Saya tidak punya masalah dengan solder apapun.

Seperti yang terlihat pada gambar 8, saya telah memodifikasi beberapa bagian sirkuit untuk mencapai noise yang lebih rendah, sehingga Skema dan PCB yang disediakan adalah versi terbaru.

Langkah 7: Gambar 7, Prototipe Pertama (Versi Lama) dari Konverter Buck

Setelah menyolder komponen, kami siap untuk menguji sirkuit. Datasheet mengatakan bahwa kita dapat menerapkan tegangan dari 4.5V ke 24V ke input. Perbedaan utama antara prototipe pertama (papan yang saya uji) dan PCB/Skema terakhir adalah beberapa modifikasi dalam desain PCB dan penempatan/nilai komponen. Untuk prototipe pertama, kapasitor keluaran hanya 22uF-35V. Jadi saya mengubahnya dengan dua kapasitor SMD 47uF (paket C5 dan C7, 1210). Saya menerapkan modifikasi yang sama untuk input dan mengganti kapasitor input dengan dua kapasitor pengenal 35V. Juga, saya mengubah lokasi header output.

Karena tegangan output maksimum adalah 21V dan kapasitor diberi nilai 25V (keramik), maka seharusnya tidak ada masalah tingkat tegangan, namun, jika Anda khawatir tentang tegangan pengenal kapasitor, cukup kurangi nilai kapasitansinya menjadi 22uF dan tingkatkan tegangan pengenal hingga 35V. Anda selalu dapat mengkompensasi ini dengan menambahkan kapasitor keluaran tambahan pada rangkaian/beban target Anda. Bahkan Anda dapat menambahkan kapasitor 470uF atau 1000uF "secara eksternal" karena tidak ada cukup ruang di papan untuk memuatnya. Sebenarnya, dengan menambahkan lebih banyak kapasitor, kami mengurangi frekuensi cut-off dari filter akhir, sehingga akan menekan lebih banyak noise.

Lebih baik Anda menggunakan kapasitor secara paralel. Misalnya, gunakan dua 470uF secara paralel, bukan satu 1000uF. Ini membantu untuk mengurangi nilai total ESR (aturan resistor paralel).

Sekarang mari kita periksa riak dan kebisingan keluaran dengan menggunakan osiloskop ujung depan dengan kebisingan rendah seperti Siglent SDS1104X-E. Ini dapat mengukur tegangan hingga 500uV/div, yang merupakan fitur yang sangat bagus.

Saya menyolder papan konverter, disertai dengan kapasitor 470uF-35V eksternal, pada sepotong kecil papan prototipe DIY untuk menguji riak dan kebisingan (gambar 8)

Langkah 8: Gambar 8, Papan Konverter pada Sepotong Kecil Papan Prototipe DIY (termasuk Kapasitor Output 470uF)

Ketika tegangan input tinggi (24V) dan tegangan output rendah (5V misalnya), riak maksimum dan kebisingan harus dihasilkan karena perbedaan tegangan input dan output tinggi. Jadi mari kita lengkapi probe osiloskop dengan ground-spring dan periksa noise output (gambar 9). Sangat penting untuk menggunakan pegas arde, karena kabel arde dari probe osiloskop dapat menyerap banyak suara mode umum, terutama dalam pengukuran semacam itu.

Langkah 9: Gambar 9, Mengganti Kabel Ground Probe Dengan Ground-spring

Gambar 10 menunjukkan noise keluaran saat input 24V dan output 5V. Perlu disebutkan bahwa output konverter gratis dan belum terhubung ke beban apa pun.

Langkah 10: Gambar 10, Kebisingan Output dari Konverter DC ke DC (input = 24V, Output = 5V)

Sekarang mari kita uji kebisingan keluaran di bawah perbedaan tegangan input/output terendah (0.8V). Saya mengatur tegangan input ke 12V dan output ke 11.2V (gambar 11).

Langkah 11: Gambar 11, Kebisingan Output Di Bawah Selisih Tegangan Input/output Terendah (input=12V, Output=11.2V)

Harap dicatat bahwa dengan meningkatkan arus keluaran (menambahkan beban), kebisingan/riak keluaran meningkat. Ini adalah kisah nyata untuk semua catu daya atau konverter.

[4] Daftar Bahan

Gambar 12 menunjukkan bill of material proyek.