一種可有效用作開關(guān)電源的DC到DC降壓轉(zhuǎn)換器

描述

DC到DC降壓轉(zhuǎn)換器是電子領(lǐng)域著名的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也是電子設(shè)備中廣泛使用的電路。降壓轉(zhuǎn)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(guān)電源的 DC 到 DC 降壓轉(zhuǎn)換器。輸出電壓和電流可調(diào)：1.25V 至 30V 和 10mA 至 6A（連續(xù)）。該電源支持恒壓 (CV) 和恒流 (CC) 功能。兩個 LED 顯示 CV 和 CC 狀態(tài)。電路結(jié)構(gòu)緊湊，PCB 的兩面都用于安裝元件。

為了設(shè)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(zhì)量的制造 PCB 板，我將 Gerber 發(fā)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(fù)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(guī)格

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

A. 電路分析

圖 1 顯示了開關(guān)電源（DC 到 DC 降壓轉(zhuǎn)換器）的原理圖。該原理圖包含 3 個主要部分：降壓轉(zhuǎn)換器、反饋環(huán)路和運(yùn)算放大器穩(wěn)壓器。

圖1 可調(diào)開關(guān)電源示意圖

PSI 是 XL4016 控制器芯片 [1] 和降壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)器），為控制器芯片提供反饋路徑以調(diào)節(jié)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(lián)構(gòu)成一個 0.05R-10W 的電阻。

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

IC1 是 MCP6002 運(yùn)算放大器 [4]，用于放大小分流電阻電壓以激發(fā) PS1 的反饋引腳。D1 提供到 PS1 的反饋路徑。MCP6002 芯片提供兩個運(yùn)算放大器。第一個運(yùn)算放大器配置為同相放大器，第二個運(yùn)算放大器配置為比較器，為 D3 和 D4 LED（CC、CC）供電。R5、C11..C13 創(chuàng)建一個低通 RC 濾波器以降低 IC1 的電源噪聲。R9 和 C14 還構(gòu)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(guān)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。

圖2 可調(diào)開關(guān)電源PCB布局

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我使用 Altium Designer 軟件 [5] 來設(shè)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(shè)計組件庫并增加錯誤和不匹配的風(fēng)險，而是使用免費且經(jīng)過 IPC 評級的 SamacSys 組件庫，并使用 SamacSys Altium 插件將它們直接導(dǎo)入 Altium PCB 項目 [6] . SamacSys 為大多數(shù)電子設(shè)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(shè)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(dǎo)入它們。圖 4 顯示了 SamacSys Altium 插件中的選定組件。

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(qiáng)這些軌道。

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(dāng)然，您可以使用更便宜的 Siglent SDS1104X-E 示波器 [13] 并毫無問題地復(fù)制實驗，但是，plus one 是一個榜樣設(shè)備。

第一個測試是檢查電源在空載下的輸出噪聲。為此，我應(yīng)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。

圖 6 準(zhǔn)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。

圖 7 可調(diào)開關(guān)電源的輸出噪聲，（空載，20MHz BW 限制）

構(gòu)建穩(wěn)定且準(zhǔn)確的直流負(fù)載的最佳選擇是商用直流負(fù)載，例如 Siglent SDL1020X-E [14]。該器件保證負(fù)載在多種模式下的穩(wěn)定性和準(zhǔn)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(xiàn)在一個5A的負(fù)載。圖 8 顯示了電源在 5A 負(fù)載下的輸出噪聲。您可以考慮直流負(fù)載和示波器的屏幕??。

圖 8 可調(diào)開關(guān)電源的輸出噪聲，（5A 負(fù)載，CC 模式，20MHz BW 限制）

為了測試 6A 負(fù)載（最大連續(xù)）下的輸出噪聲，我將直流負(fù)載設(shè)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(fù)載下的輸出噪聲。

圖 10 顯示了電源（6A 負(fù)載）的輸出噪聲，在使用數(shù)學(xué)函數(shù)（棕色波形）應(yīng)用 16 點平均之后。

圖 10 可調(diào)開關(guān)電源的輸出噪聲，（6A 負(fù)載，CR 模式，20MHz BW 限制，16P 平均）

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D. CC 調(diào)整

有兩種方法可以調(diào)整電源的恒流限制：使用直流負(fù)載或使用萬用表 [15]。這兩種方法都非常容易執(zhí)行。只需關(guān)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(gòu)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。

圖 11 可調(diào)式開關(guān)電源物料清單

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