小型降壓轉(zhuǎn)換器電路的設(shè)計(jì)

微型 DC 到 DC 降壓轉(zhuǎn)換器板可用于許多應(yīng)用，特別是如果它可以提供高達(dá) 3A 的電流（2A 連續(xù)無散熱器）。在本文中，我們將學(xué)習(xí)構(gòu)建一個(gè)小型、高效且廉價(jià)的降壓轉(zhuǎn)換器電路。

電路分析

圖 1 顯示了該裝置的示意圖。主要元件是 MP2315 降壓轉(zhuǎn)換器。

圖 1：DC 到 DC 降壓轉(zhuǎn)換器的示意圖

根據(jù) MP2315 ［1］ 數(shù)據(jù)表：“MP2315 是一款內(nèi)置內(nèi)部功率 MOSFET 的高頻同步整流降壓開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器。它提供了一個(gè)非常緊湊的解決方案，可在寬輸入電源范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 3A 連續(xù)輸出電流，并具有出色的負(fù)載和線路調(diào)節(jié)能力。MP2315 具有同步模式操作，可在輸出電流負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的效率。電流模式操作提供快速瞬態(tài)響應(yīng)并簡化環(huán)路穩(wěn)定。全面的保護(hù)功能包括 OCP 和熱關(guān)斷?！?低 RDS（on） 允許該芯片處理高電流。

C1 和 C2 用于降低輸入電壓噪聲。R2、R4 和 R5 構(gòu)建到芯片的反饋路徑。R2是一個(gè)200K的多圈電位器，用來調(diào)節(jié)輸出電壓。L1 和 C4 是基本的降壓轉(zhuǎn)換器元件。L2、C5 和 C7 構(gòu)成了一個(gè)額外的輸出 LC 濾波器，我添加了它以減少噪聲和紋波。該濾波器的截止頻率約為 1KHz。R6 限制流向 EN 引腳的電流。R1 值已根據(jù)數(shù)據(jù)表設(shè)置。R3 和 C3 與自舉電路有關(guān)，根據(jù)數(shù)據(jù)表確定。

圖 2 顯示了效率與輸出電流的關(guān)系圖。幾乎所有輸入電壓的最高效率均在 1A 左右實(shí)現(xiàn)。

圖 2：效率與輸出電流

PCB布局

圖 3 顯示了設(shè)計(jì)的 PCB 布局。這是一塊?。?.1cm*2.6cm）的兩層板。

我為 IC1 ［2］ 使用了 SamacSys 組件庫（原理圖符號(hào)和 PCB 封裝），因?yàn)檫@些庫是免費(fèi)的，更重要的是，它們遵循工業(yè) IPC 標(biāo)準(zhǔn)。我使用 Altium Designer CAD 軟件，所以我使用 SamacSys Altium 插件直接安裝組件庫 ［3］。圖 4 顯示了選定的組件。您也可以搜索和安裝/使用被動(dòng)組件庫。

圖 3：DC 到 DC 降壓轉(zhuǎn)換器的 PCB 布局

圖 4：來自 SamacSys Altium 插件的選定組件 （IC1）

這是PCB板的最后一次修訂。圖 5 和圖 6 從頂部和底部顯示了 PCB 板的 3D 視圖。

圖 5：PCB 板的 3D 視圖（頂部）

圖 6：PCB 板的 3D 視圖（底部）

構(gòu)建和測試

圖 7 顯示了電路板的第一個(gè)原型（第一個(gè)版本）。PCB板由PCBWay制造，這是一塊高質(zhì)量的板。我對焊接沒有任何問題。

如圖 8 所示，我已經(jīng)修改了電路的某些部分以實(shí)現(xiàn)更低的噪聲，因此提供的原理圖和 PCB 是最新版本。

圖 7：降壓轉(zhuǎn)換器的第一個(gè)原型（舊版本）

焊接元件后，我們準(zhǔn)備測試電路。數(shù)據(jù)表說我們可以在輸入端施加 4.5V 到 24V 的電壓。

第一個(gè)原型（我的測試板）和最后一個(gè) PCB/原理圖之間的主要區(qū)別在于 PCB 設(shè)計(jì)和組件放置/值的一些修改。第一個(gè)樣機(jī)，輸出電容只有22uF-35V。所以我換了兩個(gè)47uF貼片電容（C5和C7，1210封裝）。我對輸入應(yīng)用了相同的修改，并用兩個(gè) 35V 額定電容器替換了輸入電容器。另外，我更改了輸出標(biāo)題的位置。

由于最大輸出電壓為 21V，電容器額定電壓為 25V（陶瓷），因此不存在電壓率問題，但是，如果您對電容器的額定電壓有顧慮，只需將其電容值減小到 22uF 并增加額定電壓為 35V。您始終可以通過在目標(biāo)電路/負(fù)載上添加額外的輸出電容器來補(bǔ)償這一點(diǎn)。甚至您也可以“外部”添加一個(gè) 470uF 或 1000uF 電容器，因?yàn)榘迳蠜]有足夠的空間來容納它們中的任何一個(gè)。實(shí)際上，通過增加更多的電容，我們可以降低最終濾波器的截止頻率，從而抑制更多的噪聲。

最好并聯(lián)使用電容器。例如，并聯(lián)使用兩個(gè) 470uF 而不是一個(gè) 1000uF。它有助于降低總 ESR 值（并聯(lián)電阻規(guī)則）。

現(xiàn)在讓我們使用低噪聲前端示波器（例如 Siglent SDS1104X-E）來檢查輸出紋波和噪聲。它可以測量低至 500uV/div 的電壓，這是一個(gè)非常好的功能。

我將轉(zhuǎn)換器板連同一個(gè)外部 470uF-35V 電容器焊接在一小塊 DIY 原型板上以測試紋波和噪聲

當(dāng)輸入電壓高（24V）而輸出電壓低（例如5V）時(shí)，由于輸入和輸出電壓差很大，應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生最大的紋波和噪聲。因此，讓我們?yōu)槭静ㄆ魈筋^配備接地彈簧并檢查輸出噪聲。使用地彈簧是必不可少的，因?yàn)槭静ㄆ魈筋^的地線可以吸收大量的共模噪聲，尤其是在這種測量中。

圖 10 顯示了輸入為 24V 且輸出為 5V 時(shí)的輸出噪聲。需要指出的是，轉(zhuǎn)換器的輸出是空閑的，并且沒有連接到任何負(fù)載。

圖 10：DC 到 DC 轉(zhuǎn)換器的輸出噪聲（輸入 = 24V，輸出 = 5V）

現(xiàn)在讓我們測試最低輸入/輸出電壓差（0.8V）下的輸出噪聲。我將輸入電壓設(shè)置為 12V，將輸出設(shè)置為 11.2V（圖 11）。

圖 11：最低輸入/輸出電壓差下的輸出噪聲（輸入=12V，輸出=11.2V）

請注意，通過增加輸出電流（增加負(fù)載），輸出噪聲/紋波會(huì)增加。這是所有電源或轉(zhuǎn)換器的真實(shí)故事。

材料清單

圖 12 顯示了項(xiàng)目的材料清單。

圖 12，物料清單

審核編輯：郭婷