Cómo diseñar un convertidor reductor de CC a CC

La mayoría de los dispositivos requieren 5V para funcionar. En este experimento, diseñaremos un convertidor reductor de CC a CC que proporcione 5 V de salida regulada. Utilizaremos un IC de modo conmutado AP65111AWU-7 sintonizable para la conversión de voltaje de CC y analizaremos su rendimiento.

Especificación de circuitos integrados:

• Una reducción de 12 V CC a 0,8 V y 6 V CC
• Una corriente de salida de 1,5 A.
• Una frecuencia de conmutación de 500 kHz.

Nota: Para obtener más información sobre convertidores reductores de CC a CC, consulte esta serie sobre SMPS.

El diseño

La mayoría de los circuitos integrados de modo conmutado constan de un oscilador (para generar frecuencia), un transistor (que actúa como interruptor) y un amplificador de error (para proporcionar regulación de voltaje). Junto con estos componentes, necesitaremos algunos componentes externos para este proyecto, que incluyen:

• Un elemento de almacenamiento de energía – Inductor
• Un elemento filtrante de entrada/salida – Condensador
• Una red de retroalimentación: red divisora ​​de voltaje para establecer un voltaje de salida fijo

Principio
Un inductor almacena energía en forma de campo magnético. Para nuestro proyecto, el inductor servirá como elemento de almacenamiento de energía. Por lo tanto, cuando se enciende el circuito, el IC/regulador del modo de conmutación comienza a cambiar (usando su frecuencia de conmutación). Durante el período ON, el inductor se carga y proporciona un voltaje regulado en la salida. Durante el período APAGADO, el inductor y el capacitor de salida suministran energía a la salida, liberando la energía almacenada, que almacenan en el estado ENCENDIDO.

Componentes
Aquí hay una lista de componentes para diseñar la fuente de alimentación...

El diagrama de cableado

Informaciones técnicas

Modo de conmutación Buck IC
El AP65111A es un convertidor reductor ajustable que proporciona 5 V de potencia regulada en la salida. El rango de voltaje de entrada del IC es de 4,5 a 18 V. Su salida tiene una corriente continua de 1,5A.

Características
1. Protección contra sobretensión. Cuando el pin FB excede el 115% del voltaje nominal de 0.8V, el regulador dejará de conmutar y el voltaje caerá descargándose a través del capacitor.

2. Protección contra sobrecorriente. Cuando la corriente máxima del inductor excede su límite actual, activa la protección actual. Cuando el voltaje del pin FB cae por debajo de 0,4 V, el dispositivo entra en modo de hipo y reinicia periódicamente las piezas. Esto reducirá el estrés térmico del IC.

3. Automatizado sin carga/carga ligera. En caso de carga ligera o sin carga, el IC pasa al modo de carga baja y alta eficiencia. Una vez que detecta una carga alta, ingresará automáticamente a un modo de modulación de ancho de pulso para una alta eficiencia.

4. Protección térmica. Cuando la temperatura de la unión IC supera los 160 °C, el IC se apagará. Después de enfriarse a 120°C, el CI permite un arranque suave.

5. Arranque suave. El IC tiene un período de inicio suave interno de 1 ms.

Descripción del pin principal
PT : un pin digital que enciende y apaga el IC. Conduzca EN alto a ON y bajo a OFF. Para un arranque automático, tire de él con resistencias de 100k.

Facebook: detecta el voltaje de salida y lo regula. Conéctelo a una red divisoria resistiva para configurar el voltaje de salida.

El diseño del circuito
El diseño del circuito incluye el elemento de almacenamiento de energía. Un inductor almacena energía en forma de campo magnético. El inductor en este diseño actúa como elemento de almacenamiento de energía.

La ecuación para calcular el valor del inductor para el convertidor Buck:

L = Vsal(Vin-Vsalida)/(Vin.dIL.Fsw)
dIL = Corriente de ondulación del inductor
Fsw = Frecuencia de conmutación del regulador

La corriente de ondulación del inductor debe ser del 30 al 40% de la corriente de carga máxima. La corriente máxima del inductor será:

IL = Icarga + dIL/2

La corriente máxima "decide" la clasificación de corriente de saturación del inductor. La saturación del inductor disminuirá la eficiencia del convertidor. Para esta aplicación es posible elegir un inductor entre 1 y 10uH.

Entonces, usemos un inductor de 6.5uH y calculemos la corriente nominal máxima del inductor:

L = Vsal(Vin-Vsalida)/(Vin.dIL.Fsw)
Fsw = 500kHz
6,5u = 5(12-5)/(12*dIL*500k)
dIL = 0,89A

IL = Icarga + dIL/2
Carga = 1,5 A
IL = 1,95A

Luego podemos analizar el cálculo anterior. Considere que la corriente mínima del inductor está entre un 25 y un 30 % por encima de la corriente de carga máxima. También debemos considerar que la resistencia CC del inductor sea inferior a 20 m ohmios para garantizar una alta eficiencia.

El elemento filtrante
Entrada: El condensador de entrada ayuda a reducir la sobrecorriente durante el estado ON del dispositivo. La corriente RMS nominal del condensador de entrada debe ser mayor que la mitad de la corriente de carga máxima. La ESR del capacitor debe ser baja debido a la alta variación de la tasa de corriente (dI/dt) a través del capacitor de entrada. Para este proyecto, un condensador de 22uF funciona bien.

Salida: El condensador de salida reduce los picos de voltaje de salida, mantiene la estabilidad del circuito y reduce el exceso de voltaje de salida. Ayuda en una respuesta transitoria rápida y proporciona corriente durante algunos ciclos durante los transitorios de carga. Lo ideal es un condensador de salida con un valor alto y una ESR baja. En esta aplicación, podemos usar un capacitor cerámico de 22uF como salida.

Podemos calcular el valor del condensador con esta ecuación:

Co = L(Io + dIL/2)2/(dV + Vo)2 – Vo2

Red de retroalimentación
Ahora para la configuración del voltaje de salida. Según el diagrama de cableado, las resistencias R4 y R3 deciden el voltaje de salida.

Aquí está la ecuación:

Tensión de salida, Vout = 0,8(1+R4/R3)
R4 = 40,2K, R3 = 7,68K
Vsal = 5V aprox.

También se recomienda la resistencia R2 para mejorar la estabilidad del sistema, especialmente para Vout < 3,3 V.

Gestión térmica
Para saber la potencia máxima que el regulador IC puede disipar, utilice esta ecuación:

Pd(máx) = (TJ – TA)/QJA

Dónde,

P _JÁ y T _J. están indicados en las hojas de datos del IC.
T _J. = temperatura máxima de unión = 160°
P _YA = resistencia térmica (conexión al medio ambiente) = 120° C/W
T _A , = temperatura ambiente = 30° (según condiciones ambientales)
P _d(max.) = máxima disipación de potencia del dispositivo

Poniendo todos los valores en la ecuación anterior, obtenemos:

Pd _(máx.) = 1,08 W

Esta es la potencia máxima que el CI puede disipar sin un disipador de calor, pero sólo en condiciones de flujo de aire natural.

A medida que aumenta la disipación de energía, es necesario montar un disipador de calor o un ventilador para disipar el exceso de calor; de lo contrario, el regulador no funcionará correctamente.

Observación práctica

V _en voltaje de entrada = 12V

**Para una corriente de 1,26 A, la potencia disipada es de 1,41 W. Dado que esto excede el límite máximo de disipación de potencia del IC, necesitaremos montar un disipador de calor para disipar el calor adicional.

Nota: Para obtener más información sobre cómo seleccionar un disipador de calor, consulte este artículo.

Rendimiento del circuito integrado
5. Bajo carga ligera (<100 mA), la eficiencia es baja y está por debajo del 50 %.

6. Con cargas más altas, el CI funciona como se esperaba, con una eficiencia promedio del 85%

7. Regulación de carga: 5V regulado para corriente <50mA

Precauciones

• Se debe conectar un condensador entre el pin IN y tierra para regular el voltaje de entrada de CC.
• El condensador del circuito debe tener un voltaje nominal más alto que el voltaje de suministro de entrada. De lo contrario, el condensador comenzará a perder corriente debido al exceso de voltaje en sus placas y explotará.
• Asegúrese de que el condensador esté completamente descargado antes de trabajar con una fuente de alimentación de CC.
• La corriente nominal del inductor debe ser 1,15 veces mayor que la corriente de salida.
• Nunca suministre un voltaje de entrada superior al rango de voltaje de entrada operativo del IC.
• Evite cortocircuitar los terminales de salida; esto invertirá el flujo de corriente en el IC y provocará fallas.
• Además, no cortocircuite los terminales de entrada; esto generará una gran corriente en el circuito y los componentes del circuito fallarán.
• Considere el efecto de frecuencia.

Directrices de diseño de PCB

• Mantenga los golpes de potencia gruesos y cortos
• Coloque el condensador de entrada y salida tan cerca como los pines de entrada y salida del IC.
• Minimizar la longitud de la trayectoria del inductor
• Mantenga los nodos de tensión y de conmutación alejados entre sí.
• Mantenga todos los componentes tan cerca como el IC e intente reducir el tamaño de la PCB
• Recuerde: cuanto mayor sea la frecuencia del IC, mayores serán las pérdidas de conmutación, lo que reduce la eficiencia. Pero una frecuencia de conmutación alta reduce el tamaño del elemento de almacenamiento de energía y mejora la respuesta transitoria.