Em nosso experimento anterior, projetamos o conversor de 5V do AP65111AWU-7 SMD IC. Neste experimento, exploraremos um novo IC para converter 12V em 5V DC e então compararemos as curvas de desempenho de ambas as ICs.
Usaremos um regulador de comutação ajustável LM2576, um regulador Buck com frequência fixa de 52 kHz. O IC pode fornecer uma corrente de saída máxima de 3A.
Nota: Para obter informações detalhadas sobre o conversor DC-DC para Buck e como ele funciona, consulte nossa série anterior sobre SMPS.
Design básico
Fig.1: Diagrama de blocos mostra o funcionamento de um regulador de modo chaveado.
Principio básico
O modo de comutação IC funciona com base no princípio de conversão de energia e mecanismo de comutação. Eles tentam manter potências de entrada e saída iguais, mas devido a perdas nos componentes entre os circuitos, a eficiência desses CIs não chega a 100%. Porém, são mais eficientes que os lineares, que dissipam muita energia em termos de calor.
Também podemos projetar um regulador de modo de comutação sem usar qualquer IC de modo de comutação por componente discreto, como projetamos em nossa série anterior.
Componentes
Abaixo estão as peças que usamos em nosso design.
Diagrama de circuito
Fig. 2: Diagrama de circuito do conversor Buck de 12 V para 5 V usando LM2576 IC
Construindo o circuito
O LM2576 possui internamente um mecanismo de comutação e amplificador de erro, que mantém a tensão de saída. Além disso, queremos os seguintes componentes externos para o seu design.
Indutor e diodo
Estas são as necessidades básicas do circuito; o trabalho do indutor é armazenar a energia na forma de um campo magnético e, por outro lado, o diodo atua como uma chave que completa o ciclo de comutação.
Seleção de indutor
O gráfico abaixo pode ser usado para encontrar o indutor adequado para nossa aplicação. Este gráfico está na folha de dados do IC, que precisa de corrente de saída e E*T (V.us) para cálculo do valor do indutor.
Figura 3: LM2576(HV)-ADJ
Passo 1: A seguinte equação pode ser usada para o cálculo dos valores acima
E*T = (Vin-Vout)*(Vout/Vin)*(1000/F(em kHz)) V. us
Parâmetros desejados
Vout = 5V, Vin = 12V, F = 52kHz
Depois de colocar todos os valores, obtemos
E*T = 55,7 V.us
Passo 2: Selecionando corrente de saída = 2A
Etapa 3: Para uma corrente de saída de 2A e valor ET de 56 Vus, podemos ver a parte interceptada no gráfico e escolher o indutor. Para nossa aplicação, obtemos um indutor de 100uH no gráfico, e a corrente nominal do indutor deve ser 1,15 vezes a corrente de carga de saída.
Isso resulta em L = 100uH/2,3A
Capacitores de entrada/saída
O capacitor de entrada e saída auxilia na filtragem de qualquer pico de alta tensão. Além disso, o capacitor de saída desempenha um papel vital no período desligado do ciclo de comutação e fornece energia suficiente para a tensão de saída regulada.
Rede de feedback
Para a tensão de saída desejada, precisamos de uma rede divisora de resistores que alimentará a tensão de saída ao pino de feedback. O amplificador de erro interno transmite este sinal e mantém uma tensão regulada na saída.
Selecionando rede de feedback
A equação a seguir calcula o valor do divisor do resistor
Vfora =Vreferência(1+R1/R2)
Vreferência = 1,23 V, tensão de referência IC
Para Vfora = 5 V
Nós podemos pegar,
R1 = 4,7K e R2 = 1,5k
Observação prática
VemTensão de entrada = 12V, Vfora(sem carga) = 5,07V
Fig. 4: Curva de Eficiência vs. Saída de Corrente
Fig. 5: Curva de regulação de carga para tensão de saída versus corrente de saída
Gerenciamento termal
Cada componente tem sua faixa de temperatura operacional. Para manter a temperatura abaixo de seus limites operacionais, são utilizados dissipadores de calor e ventiladores de resfriamento, e às vezes também é utilizado TEC (resfriador termoelétrico).
Consulte nosso artigo “Gerenciamento térmico da fonte de alimentação” para aprender sobre os parâmetros de seleção de um dissipador de calor ou ventilador de resfriamento.
Precauções
- Um capacitor deve ser conectado entre o pino IN e o terra para manter a tensão de entrada CC regulada.
- O capacitor do circuito deve ter uma tensão nominal mais alta que a tensão de alimentação de entrada. Caso contrário, o capacitor começará a vazar corrente devido ao excesso de tensão em suas placas e explodirá.
- Certifique-se de que todos os capacitores estejam descarregados antes de trabalhar em uma fonte de alimentação CC.
- A corrente nominal do indutor deve ser 1,15 vezes maior que a corrente de saída.
- Não forneça uma tensão de entrada mais alta do que a faixa de tensão de entrada operacional do IC.
- Não coloque em curto os terminais de saída; isso reverterá o fluxo de corrente no IC e o IC ficará com defeito.
- Além disso, não coloque em curto os terminais de entrada; isso gerará uma grande corrente no circuito e os componentes do circuito ficarão com defeito.
- Efeito de frequência
Quanto maior a frequência do IC, maiores serão as perdas de comutação, o que diminui a eficiência. Mas a alta frequência de comutação reduz o tamanho do elemento de armazenamento de energia e melhora a resposta transitória.
Diretrizes de design de PCB
- Mantenha os traços de energia grossos e curtos.
- Coloque o capacitor de entrada e saída tão próximo quanto o pino de entrada e saída do IC.
- Minimize o comprimento do caminho do indutor e do diodo.
- Mantenha os nós de tensão e de comutação afastados uns dos outros.
Fig. 6: Layout do projeto da PCB
Fig. 7: Vista da PCB
Comparação entre LM2576 e AP65111AWU
Fizemos um conversor Buck de 12V para 5V em nossos projetos anteriores com AP65111AWU (SMD). Como disponibilidade, pegamos um IC no pacote através do IC do aplicativo no pacote SMT. Agora é hora de comparar os dois para que se possa selecionar o melhor IC de acordo com a necessidade da aplicação.
