Convertisseur Buck DC à DC efficace à 97 % [3A, réglable] : 12 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Une petite carte de convertisseur abaisseur CC à CC est utile pour de nombreuses applications, en particulier si elle peut fournir des courants jusqu'à 3 A (2 A en continu sans dissipateur thermique). Dans cet article, nous allons apprendre à construire un circuit convertisseur buck petit, efficace et bon marché.

[1]: Analyse des circuits

La figure 1 montre le schéma de principe de l'appareil. Le composant principal est le convertisseur abaisseur abaisseur MP2315.

Étape 1: Références

Source de l'article:

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Étape 2: Figure 1, Schéma de principe du convertisseur DC-DC Buck

Selon la fiche technique du MP2315 [1]: « Le MP2315 est un convertisseur à découpage abaisseur redressé synchrone haute fréquence avec des MOSFET de puissance internes intégrés. Il offre une solution très compacte pour obtenir un courant de sortie continu de 3 A sur une large plage d'alimentation d'entrée avec une excellente régulation de charge et de ligne. Le MP2315 a un fonctionnement en mode synchrone pour une efficacité supérieure sur la plage de charge de courant de sortie. Le fonctionnement en mode courant fournit une réponse transitoire rapide et facilite la stabilisation de la boucle. Les fonctions de protection complète incluent l'OCP et l'arrêt thermique. Low RDS(on) permet à cette puce de gérer des courants élevés.

C1 et C2 sont utilisés pour réduire les bruits de tension d'entrée. R2, R4 et R5 construisent un chemin de retour vers la puce. R2 est un potentiomètre multitours 200K pour ajuster la tension de sortie. L1 et C4 sont les éléments essentiels du convertisseur abaisseur. L2, C5 et C7 créent un filtre LC de sortie supplémentaire que j'ai ajouté pour réduire le bruit et l'ondulation. La fréquence de coupure de ce filtre est d'environ 1KHz. R6 limite le flux de courant vers la broche EN. La valeur R1 a été définie conformément à la fiche technique. R3 et C3 sont liés au circuit d'amorçage et déterminés selon la fiche technique.

La figure 2 montre le tracé de l'efficacité en fonction du courant de sortie. Le rendement le plus élevé pour presque toutes les tensions d'entrée a été atteint à environ 1A.

Étape 3: Figure 2, Efficacité Vs Courant de sortie

[2]: Disposition PCB La figure 3 montre la disposition PCB conçue. C'est une petite planche à deux couches (2,1 cm * 2,6 cm).

J'ai utilisé les bibliothèques de composants SamacSys (symbole schématique et empreinte PCB) pour l'IC1 [2] car ces bibliothèques sont gratuites et surtout, elles respectent les normes IPC industrielles. J'utilise le logiciel de CAO Altium Designer, j'ai donc utilisé le plugin SamacSys Altium pour installer directement les librairies de composants [3]. La figure 4 montre les composants sélectionnés. Vous pouvez également rechercher et installer/utiliser les bibliothèques de composants passifs.

Étape 4: Figure 3, disposition du circuit imprimé du convertisseur DC/DC Buck

Étape 5: Figure 4, Composant sélectionné (IC1) à partir du plugin SamacSys Altium

Il s'agit de la dernière révision de la carte PCB. Les figures 5 et 6 montrent des vues 3D de la carte PCB, du haut et du bas.

Étape 6: Figure 5 & 6, vues 3D de la carte PCB (TOP et Buttom)

[3]: Construction et test La figure 7 montre le premier prototype (première version) de la carte. La carte PCB a été fabriquée par PCBWay, qui est une carte de haute qualité. Je n'ai eu aucun problème avec la soudure que ce soit.

Comme il est clair sur la figure 8, j'ai modifié certaines parties du circuit pour réduire le bruit, de sorte que le schéma et le PCB fournis sont les dernières versions.

Étape 7: Figure 7, le premier prototype (une ancienne version) du convertisseur Buck

Après avoir soudé les composants, nous sommes prêts à tester le circuit. La fiche technique indique que nous pouvons appliquer une tension de 4,5 V à 24 V à l'entrée. Les principales différences entre le premier prototype (ma carte testée) et le dernier PCB/Schéma sont quelques modifications dans la conception du PCB et le placement/valeurs des composants. Pour le premier prototype, le condensateur de sortie n'est que de 22uF-35V. Je l'ai donc changé avec deux condensateurs SMD 47uF (C5 et C7, boîtiers 1210). J'ai appliqué les mêmes modifications pour l'entrée et remplacé le condensateur d'entrée par deux condensateurs de 35V. De plus, j'ai changé l'emplacement de l'en-tête de sortie.

Étant donné que la tension de sortie maximale est de 21 V et que les condensateurs sont évalués à 25 V (céramique), il ne devrait pas y avoir de problème de taux de tension, cependant, si vous avez des inquiétudes concernant les tensions nominales des condensateurs, réduisez simplement leurs valeurs de capacité à 22 uF et augmentez le tensions nominales à 35V. Vous pouvez toujours compenser cela en ajoutant des condensateurs de sortie supplémentaires sur votre circuit/charge cible. Même vous pouvez ajouter un condensateur de 470 uF ou 1000 uF "à l'extérieur" car il n'y a pas assez d'espace sur la carte pour en installer un. En fait, en ajoutant plus de condensateurs, nous diminuons la fréquence de coupure du filtre final, ce qui supprimerait plus de bruits.

Il est préférable d'utiliser les condensateurs en parallèle. Par exemple, utilisez deux 470uF en parallèle au lieu d'un 1000uF. Cela aide à réduire la valeur ESR totale (règle des résistances parallèles).

Examinons maintenant l'ondulation et le bruit de sortie en utilisant un oscilloscope frontal à faible bruit tel que Siglent SDS1104X-E. Il peut mesurer des tensions jusqu'à 500uV/div, ce qui est une fonctionnalité très intéressante.

J'ai soudé la carte du convertisseur, accompagnée d'un condensateur externe 470uF-35V, sur un petit morceau de carte prototype DIY pour tester l'ondulation et le bruit (figure 8)

Étape 8: Figure 8, la carte de conversion sur un petit morceau de carte prototype de bricolage (y compris un condensateur de sortie de 470 uF)

Lorsque la tension d'entrée est élevée (24 V) et que la tension de sortie est faible (5 V par exemple), l'ondulation et le bruit maximum doivent être générés car la différence de tension d'entrée et de sortie est élevée. Equipons donc la sonde de l'oscilloscope d'un ressort de masse et vérifions le bruit de sortie (figure 9). Il est essentiel d'utiliser le ressort de masse, car le fil de masse de la sonde de l'oscilloscope peut absorber beaucoup de bruits de mode commun, en particulier dans de telles mesures.

Étape 9: Figure 9, Remplacement du fil de terre de la sonde par un ressort de terre

La figure 10 montre le bruit de sortie lorsque l'entrée est de 24 V et la sortie de 5 V. Il convient de mentionner que la sortie du convertisseur est libre et n'a été connectée à aucune charge.

Étape 10: Figure 10, Bruit de sortie du convertisseur CC-CC (entrée = 24 V, sortie = 5 V)

Testons maintenant le bruit de sortie sous la plus faible différence de tension d'entrée/sortie (0,8 V). J'ai réglé la tension d'entrée à 12V et la sortie à 11,2V (figure 11).

Étape 11: Figure 11, Bruit de sortie sous la plus faible différence de tension d'entrée/sortie (entrée=12V, sortie=11.2V)

Veuillez noter qu'en augmentant le courant de sortie (en ajoutant une charge), le bruit/ondulation de sortie augmente. C'est une histoire vraie pour toutes les alimentations ou convertisseurs.

[4] Nomenclature

La figure 12 montre la nomenclature du projet.