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電子發燒友網>電子資料下載>電子資料>一種可有效用作開關電源的DC到DC降壓轉換器

一種可有效用作開關電源的DC到DC降壓轉換器

2022-11-07 | zip | 0.10 MB | 次下載 | 2積分

資料介紹

描述

DC到DC降壓轉換器電子領域著名的拓撲結構,也是電子設備中廣泛使用的電路。降壓轉換器降低輸入電壓,同時增加輸出電流在本文/視頻中,我討論了一種可有效用作開關電源的 DC 到 DC 降壓轉換器。輸出電壓和電流可調:1.25V 至 30V 和 10mA 至 6A(連續)。電源支持恒壓 (CV) 和恒流 (CC) 功能。兩個 LED 顯示 CV 和 CC 狀態。電路結構緊湊,PCB 的兩面都用于安裝元件。

為了設計原理圖和 PCB,我使用了 Altium Designer 21,以及 SamacSys 組件庫(Altium 插件)來安裝缺少的原理圖符號/PCB 封裝。為了獲得高質量的制造 PCB 板,我將 Gerber 發送到 PCBWay。

為了測試電路,我使用了 Siglent SDS2102X Plus 示波器(或 SDS1104X-E)、Siglent SDL1020X-E 直流負載和 Siglent SDM3045X 萬用表的功率分析功能。不是很酷,所以讓我們開始吧!

規格

  • 輸入電壓:8V 至 35VDC
  • 輸出電壓:1.25V 至 32VDC
  • 輸出電流(連續):10mA 至 6A
  • 輸出電流(短周期):7A 至 8A
  • 輸出噪聲(無負載):6mVrms (9mVp-p)
  • 輸出噪聲(6A 負載):7mVrms (85mVp-p)
  • 輸出噪聲(6A 負載,16P 平均):50mVp-p
  • 效率:高達 96%

A. 電路分析

圖 1 顯示了開關電源(DC 到 DC 降壓轉換器)的原理圖。該原理圖包含 3 個主要部分:降壓轉換器、反饋環路和運算放大器穩壓器。

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圖1 可調開關電源示意圖

PSI 是 XL4016 控制器芯片 [1] 和降壓轉換器的主要部件。D2 是 MBR20100 肖特基二極管 [2],L2 是 47uH-10A 電感器,它們是降壓轉換器電路的其他重要組件。C3..C9 用于降低輸入/輸出噪聲。

R2 是一個 20K 多圈電位器(微調器),為控制器芯片提供反饋路徑以調節輸出電壓。C1 用于降低反饋路徑上的噪聲。R1只是一個0R電阻,用作PCB板上的跳線。R4為分流電阻,由兩個0.1R-5W電阻組成。這兩個電阻并聯構成一個 0.05R-10W 的電阻。

IC2 是 TS4264 線性穩壓器芯片 [3],可提供穩定的 +5V 電源軌。C15 用于降低穩壓器的輸出噪聲。

IC1 是 MCP6002 運算放大器 [4],用于放大小分流電阻電壓以激發 PS1 的反饋引腳。D1 提供到 PS1 的反饋路徑。MCP6002 芯片提供兩個運算放大器。第一個運算放大器配置為同相放大器,第二個運算放大器配置為比較器,為 D3 和 D4 LED(CC、CC)供電R5、C11..C13 創建一個低通 RC 濾波器以降低 IC1 的電源噪聲。R9 和 C14 還構建了一個低通 RC 濾波器來消除分流噪聲。C10 還用于降低放大器噪聲。

B. PCB 布局

圖 2 顯示了可變開關電源板的 PCB 布局。它是兩層 PCB 板,并使用了 SMD 和通孔組件的混合物,以使其盡可能緊湊。

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圖2 可調開關電源PCB布局
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我使用 Altium Designer 軟件 [5] 來設計原理圖和 PCB。在這個項目中,我沒有幾個組件的原理圖符號、PCB 封裝和 3D 模型。因此,我沒有浪費時間從頭開始設計組件庫并增加錯誤和不匹配的風險,而是使用免費且經過 IPC 評級的 SamacSys 組件庫,并使用 SamacSys Altium 插件將它們直接導入 Altium PCB 項目 [6] . SamacSys 為大多數電子設計 CAD 軟件 [7] 提供插件,而不僅僅是 Altium Designer。圖 3 顯示了支持的電子設計 CAD 軟件。

具體來說,我使用了用于 PS1[8]、IC1[9]、IC2 [10] 和 D2[11] 的 SamacSys 庫,您可以在參考資料中考慮這些庫。另一種選擇是從 componentsearchengine.com 下載組件庫并手動導入它們。圖 4 顯示了 SamacSys Altium 插件中的選定組件。

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圖 4 SamacSys Altium 插件中的選定組件

C. 組裝和測試

圖 5 顯示了組裝板的俯視圖和仰視圖。很明顯,PCB 的兩面都用于安裝組件。如您所見,高電流承載軌道被阻焊層部分覆蓋。您必須使用焊料和/或銅線(鍍錫)加強這些軌道。

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圖 5 組裝好的 PCB 板(頂視圖和底視圖)

C-1。輸出噪聲

我使用 Siglent SDS2102X Plus 示波器 [12] 的功率分析功能來測量輸出噪聲。當然,您可以使用更便宜的 Siglent SDS1104X-E 示波器 [13] 并毫無問題地復制實驗,但是,plus one 是一個榜樣設備。

第一個測試是檢查電源在空載下的輸出噪聲。為此,我應該拆下示波器探頭的接地線,拆下探頭的頭部,并在頭部放置一個接地彈簧(圖 6)。此外,啟用輸入通道的 20MHz 帶寬限制并將探頭放在 X10 上。

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圖 6 準備示波器探頭以測量電源噪聲
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然后將探頭尖端直接放在電源的輸出端。圖 7 顯示了空載時電源的輸出噪聲。

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圖 7 可調開關電源的輸出噪聲,(空載,20MHz BW 限制)

構建穩定且準確的直流負載的最佳選擇是商用直流負載,例如 Siglent SDL1020X-E [14]。該器件保證負載在多種模式下的穩定性和準確性,例如CC、CV、CP、CR..等。SDL1020X-E型號的CC模式限制為5A,所以我們測試下輸出噪聲現在一個5A的負載。圖 8 顯示了電源在 5A 負載下的輸出噪聲。您可以考慮直流負載和示波器的屏幕??。

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圖 8 可調開關電源的輸出噪聲,(5A 負載,CC 模式,20MHz BW 限制)

為了測試 6A 負載(最大連續)下的輸出噪聲,我將直流負載設置在 CR(恒定電阻)上,并將電阻值更改為在電源輸出端讀取 6A。圖 9 顯示了 6A 負載下的輸出噪聲。

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圖 9 可調開關電源的輸出,(6A 負載,CR 模式,20MHz BW 限制)
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圖 10 顯示了電源(6A 負載)的輸出噪聲,在使用數學函數(棕色波形)應用 16 點平均之后。

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圖 10 可調開關電源的輸出噪聲,(6A 負載,CR 模式,20MHz BW 限制,16P 平均)
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D. CC 調整

有兩種方法可以調整電源的恒流限制:使用直流負載或使用萬用表 [15]。這兩種方法都非常容易執行。只需關注 YouTube 視頻。

E. 材料清單

圖 11 顯示了項目的材料清單。請注意,我沒有在組裝材料清單中包含 L1 和散熱器。確保您選擇/構建的電感器(鐵氧體磁芯)可以承受至少 10A (47uH) 的電流。電感焊盤的孔徑為1.3mm。

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圖 11 可調式開關電源物料清單
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