En nuestro experimento anterior, diseñamos el convertidor de 5 V del IC SMD AP65111AWU-7. En este experimento, exploraremos un nuevo IC para convertir 12 V a 5 V CC y luego compararemos las curvas de rendimiento de ambos IC.
Usaremos un regulador de conmutación ajustable LM2576, un regulador Buck con una frecuencia fija de 52 kHz. El IC puede proporcionar una corriente de salida máxima de 3A.
Nota: Para obtener información detallada sobre el convertidor DC-DC a Buck y cómo funciona, consulte nuestra serie anterior sobre SMPS.
Diseño básico
Fig.1: El diagrama de bloques muestra el funcionamiento de un regulador de modo conmutado.
Principio básico
El modo de conmutación IC funciona según el principio de conversión de energía y mecanismo de conmutación. Intentan mantener potencias de entrada y salida iguales, pero debido a las pérdidas de componentes entre los circuitos, la eficiencia de estos circuitos integrados no alcanza el 100%. Sin embargo, son más eficientes que los lineales, que disipan mucha energía en términos de calor.
También podemos diseñar un regulador de modo de conmutación sin utilizar ningún IC de modo de conmutación de componente discreto como lo diseñamos en nuestra serie anterior.
Componentes
A continuación se muestran las piezas que utilizamos en nuestro diseño.
Diagrama de circuito
Fig. 2: Diagrama de circuito del convertidor reductor de 12 V a 5 V utilizando LM2576 IC
Construyendo el circuito
El LM2576 tiene internamente un mecanismo de conmutación y un amplificador de error, que mantiene el voltaje de salida. Además, queremos los siguientes componentes externos para su diseño.
Inductor y diodo
Estas son las necesidades básicas del circuito; la función del inductor es almacenar energía en forma de campo magnético y por otro lado, el diodo actúa como un interruptor que completa el ciclo de conmutación.
Selección de inductores
La siguiente tabla se puede utilizar para encontrar el inductor adecuado para nuestra aplicación. Este gráfico se encuentra en la hoja de datos de IC, que necesita corriente de salida y E*T (V.us) para calcular el valor del inductor.
Figura 3: LM2576(HV)-ADJ
Paso 1: La siguiente ecuación se puede utilizar para calcular los valores anteriores.
E*T = (Vin-Vout)*(Vout/Vin)*(1000/F(en kHz)) V.us
Parámetros deseados
Vsal = 5 V, Vin = 12 V, F = 52 kHz
Después de poner todos los valores, obtenemos
E*T = 55,7 V.us
Paso 2: Seleccionar la corriente de salida = 2A
Paso 3: Para una corriente de salida de 2A y un valor ET de 56 Vus, podemos ver la parte interceptada en el gráfico y elegir el inductor. Para nuestra aplicación, obtenemos un inductor de 100uH del gráfico, y la corriente nominal del inductor debe ser 1,15 veces la corriente de carga de salida.
Esto da como resultado L = 100uH/2.3A
Condensadores de entrada/salida
El condensador de entrada y salida ayuda a filtrar cualquier pico de alto voltaje. Además, el condensador de salida juega un papel vital en el período de inactividad del ciclo de conmutación y proporciona suficiente energía para el voltaje de salida regulado.
Red de retroalimentación
Para obtener el voltaje de salida deseado, necesitamos una red divisoria de resistencia que alimentará el voltaje de salida al pin de retroalimentación. El amplificador de error interno transmite esta señal y mantiene un voltaje regulado en la salida.
Seleccionar red de retroalimentación
La siguiente ecuación calcula el valor del divisor de resistencia.
V salida = V referencia (1+R 1 /R 2 )
Referencia V = 1,23 V, tensión de referencia IC
Para salida V = 5 V
Podemos tomar,
R1 = 4,7K y R2 = 1,5k
Observación práctica
V encendido Voltaje de entrada = 12 V, V apagado (sin carga) = 5,07 V
Fig. 4: Curva de eficiencia versus eficiencia Salida de corriente
Fig. 5: Curva de regulación de carga para voltaje de salida versus corriente de salida
Gestión térmica
Cada componente tiene su rango de temperatura de funcionamiento. Para mantener la temperatura por debajo de sus límites operativos, se utilizan disipadores de calor y ventiladores de refrigeración y, en ocasiones, también se utiliza TEC (enfriador termoeléctrico).
Consulte nuestro artículo "Gestión térmica de la fuente de alimentación" para conocer los parámetros para seleccionar un disipador de calor o un ventilador de refrigeración.
Precauciones
- Se debe conectar un condensador entre el pin IN y tierra para mantener regulado 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 todos los condensadores estén descargados 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.
- No proporcione un voltaje de entrada superior al rango de voltaje de entrada operativo del IC.
- No cortocircuite los terminales de salida; esto invertirá el flujo de corriente en el IC y el IC se volverá defectuoso.
- Además, no cortocircuite los terminales de entrada; Esto generará una gran corriente en el circuito y los componentes del circuito fallarán.
- Efecto de frecuencia
Cuanto mayor sea la frecuencia del IC, mayores serán las pérdidas de conmutación, lo que disminuye la eficiencia. Pero la alta frecuencia de conmutación reduce el tamaño del elemento de almacenamiento de energía y mejora la respuesta transitoria.
Directrices de diseño de PCB
- Mantenga los golpes de energía gruesos y cortos.
- Coloque el condensador de entrada y salida tan cerca como el pin de entrada y salida del IC.
- Minimizar la longitud del camino del inductor y el diodo.
- Mantenga los nodos de tensión y de conmutación alejados entre sí.
Fig. 6: Diseño de PCB
Fig. 7: Vista de la PCB
Comparación entre LM2576 y AP65111AWU
Hicimos un convertidor reductor de 12 V a 5 V en nuestros proyectos anteriores con AP65111AWU (SMD). Según disponibilidad, tomamos un IC en el paquete a través del IC de aplicación en el paquete SMT. Ahora es el momento de comparar los dos para poder seleccionar el mejor IC según las necesidades de la aplicación.
