Convertidor reductor CC a CC con 97% de eficiencia [3A, ajustable]: 12 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Una pequeña placa convertidora de CC a CC es útil para muchas aplicaciones, especialmente si puede entregar corrientes de hasta 3 A (2 A continuamente sin disipador de calor). En este artículo, aprenderemos a construir un circuito convertidor reductor pequeño, eficiente y económico.

[1]: Análisis de circuitos

La figura 1 muestra el diagrama esquemático del dispositivo. El componente principal es el convertidor reductor reductor MP2315.

Paso 1: referencias

Fuente del artículo:

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Paso 2: Figura 1, Diagrama esquemático del convertidor reductor de CC a CC

Según la hoja de datos del MP2315 [1]: “El MP2315 es un convertidor de modo de conmutación reductor rectificado síncrono de alta frecuencia con MOSFET de potencia internos incorporados. Ofrece una solución muy compacta para lograr una corriente de salida continua de 3 A en un amplio rango de suministro de entrada con una excelente regulación de carga y línea. El MP2315 tiene un funcionamiento en modo síncrono para una mayor eficiencia en el rango de carga de corriente de salida. El funcionamiento en modo actual proporciona una respuesta transitoria rápida y facilita la estabilización del bucle. Las funciones de protección total incluyen OCP y apagado térmico ". Low RDS (on) permite que este chip maneje altas corrientes.

C1 y C2 se utilizan para reducir los ruidos de voltaje de entrada. R2, R4 y R5 construyen una ruta de retroalimentación hacia el chip. R2 es un potenciómetro multivuelta de 200K para ajustar la tensión de salida. L1 y C4 son los elementos esenciales del convertidor reductor. L2, C5 y C7 hacen un filtro LC de salida adicional que agregué para reducir el ruido y la ondulación. La frecuencia de corte de este filtro es de alrededor de 1 KHz. R6 limita el flujo de corriente al pin EN. El valor R1 se ha establecido de acuerdo con la hoja de datos. R3 y C3 están relacionados con el circuito de arranque y se determinan de acuerdo con la hoja de datos.

La Figura 2 muestra la gráfica de eficiencia vs corriente de salida. La mayor eficiencia para casi todos los voltajes de entrada se ha logrado en alrededor de 1A.

Paso 3: Figura 2, Eficiencia frente a corriente de salida

[2]: Disposición de la PCB La Figura 3 muestra la disposición de la PCB diseñada. Es una placa pequeña (2,1 cm * 2,6 cm) de dos capas.

Usé las bibliotecas de componentes de SamacSys (símbolo esquemático y huella de PCB) para el IC1 [2] porque estas bibliotecas son gratuitas y, lo que es más importante, siguen los estándares industriales de IPC. Utilizo el software CAD Altium Designer, por lo que utilicé el complemento SamacSys Altium para instalar directamente las bibliotecas de componentes [3]. La Figura 4 muestra los componentes seleccionados. También puede buscar e instalar / usar las bibliotecas de componentes pasivos.

Paso 4: Figura 3, Diseño de PCB del convertidor reductor de CC a CC

Paso 5: Figura 4, Componente seleccionado (IC1) del complemento SamacSys Altium

Esta es la última revisión de la placa PCB. La figura 5 y la figura 6 muestran vistas en 3D de la placa PCB, desde la parte superior e inferior.

Paso 6: Figuras 5 y 6, Vistas 3D de la placa PCB (ARRIBA e INFERIOR)

[3]: Construcción y prueba La Figura 7 muestra el primer prototipo (primera versión) de la placa. La placa PCB ha sido fabricada por PCBWay, que es una placa de alta calidad. No tuve ningún problema con la soldadura.

Como se ve claramente en la figura 8, he modificado algunas partes del circuito para lograr un menor ruido, por lo que el Esquema y la PCB provistos son las últimas versiones.

Paso 7: Figura 7, el primer prototipo (una versión anterior) del convertidor Buck

Después de soldar los componentes, estamos listos para probar el circuito. La hoja de datos dice que podemos aplicar un voltaje de 4.5V a 24V a la entrada. Las principales diferencias entre el primer prototipo (mi placa probada) y el último PCB / Esquema son algunas modificaciones en el diseño de PCB y la colocación / valores de los componentes. Para el primer prototipo, el condensador de salida es de solo 22uF-35V. Así que lo cambié con dos condensadores SMD de 47uF (paquetes C5 y C7, 1210). Apliqué las mismas modificaciones para la entrada y reemplacé el capacitor de entrada con dos capacitores clasificados de 35V. Además, cambié la ubicación del encabezado de salida.

Dado que el voltaje de salida máximo es de 21 V y los condensadores tienen una capacidad nominal de 25 V (cerámica), entonces no debería haber un problema de tasa de voltaje, sin embargo, si tiene preocupaciones con respecto a los voltajes nominales de los condensadores, simplemente reduzca sus valores de capacitancia a 22 uF y aumente el voltajes nominales hasta 35V. Siempre puede compensar esto agregando capacitores de salida adicionales en su circuito / carga objetivo. Incluso puede agregar un capacitor de 470uF o 1000uF "externamente" porque no hay suficiente espacio en la placa para colocar ninguno de ellos. En realidad, al agregar más condensadores, disminuimos la frecuencia de corte del filtro final, por lo que suprimiría más ruidos.

Es mejor que utilice los condensadores en paralelo. Por ejemplo, use dos 470uF en paralelo en lugar de uno 1000uF. Ayuda a reducir el valor total de ESR (la regla de las resistencias en paralelo).

Examinemos ahora la ondulación y el ruido de salida utilizando un osciloscopio frontal de bajo ruido como Siglent SDS1104X-E. Puede medir voltajes hasta 500uV / div, lo cual es una característica muy buena.

Soldé la placa del convertidor, junto con un condensador externo 470uF-35V, en una pequeña pieza de placa prototipo de bricolaje para probar la ondulación y el ruido (figura 8)

Paso 8: Figura 8, la placa convertidora en una pequeña pieza de placa prototipo de bricolaje (incluido un condensador de salida de 470uF)

Cuando el voltaje de entrada es alto (24 V) y el voltaje de salida es bajo (5 V por ejemplo), la ondulación y el ruido máximos deben generarse porque la diferencia de voltaje de entrada y salida es alta. Así que equipemos la sonda del osciloscopio con un resorte de tierra y verifiquemos el ruido de salida (figura 9). Es esencial utilizar el resorte de tierra, porque el cable de tierra de la sonda del osciloscopio puede absorber muchos ruidos de modo común, especialmente en tales mediciones.

Paso 9: Figura 9, Reemplazo del cable de tierra de la sonda con un resorte de tierra

La Figura 10 muestra el ruido de salida cuando la entrada es de 24 V y la salida es de 5 V. Cabe mencionar que la salida del convertidor es libre y no se ha conectado a ninguna carga.

Paso 10: Figura 10, Ruido de salida del convertidor de CC a CC (entrada = 24 V, salida = 5 V)

Ahora probemos el ruido de salida con la diferencia de voltaje de entrada / salida más baja (0,8 V). Configuré el voltaje de entrada a 12V y la salida a 11.2V (figura 11).

Paso 11: Figura 11, Ruido de salida con la diferencia de voltaje de entrada / salida más baja (entrada = 12 V, salida = 11,2 V)

Tenga en cuenta que al aumentar la corriente de salida (agregando una carga), aumenta el ruido / ondulación de salida. Esta es una historia real para todas las fuentes de alimentación o convertidores.

[4] Lista de materiales

La Figura 12 muestra la lista de materiales del proyecto.