A maioria dos aparelhos requer 5Vs para funcionar. Neste experimento, projetaremos um conversor Buck DC para DC que fornece 5Vs de saída regulada. Usaremos um IC de modo chaveado AP65111AWU-7 ajustável para a conversão de tensão CC e analisaremos seu desempenho.
Especificação do CI:
- Uma redução de 12V DC para 0,8V a 6V DC
- Uma corrente de saída de 1,5A
- Uma frequência de comutação de 500kHz
Nota: Para obter mais informações sobre conversores Buck DC para DC, consulte esta série no SMPS.
O design
Projeto básico do conversor DC-DC.
A maioria dos CIs de modo chaveado consiste em um oscilador (para geração de frequência), um transistor (que atua como uma chave) e um amplificador de erro (para fornecer regulação de tensão). Junto com esses componentes, precisaremos de alguns componentes externos para este projeto, incluindo:
- Um elemento armazenador de energia – Indutor
- Um elemento de filtragem de entrada/saída – Capacitor
- Uma rede de feedback – Rede divisora de tensão para definir a tensão de saída fixa
Princípio
Um indutor armazena energia na forma de um campo magnético. Para o nosso projeto, o indutor servirá como elemento armazenador de energia. Portanto, quando o circuito é ligado, o IC/regulador de modo de comutação começa a chavear (usando sua frequência de chaveamento). Durante o período ON, o indutor carrega e fornece uma tensão regulada na saída. Durante o período OFF, o indutor e o capacitor de saída fornecem energia para a saída, liberando a energia armazenada, que eles armazenam no estado ON.
Componentes
Aqui está uma lista de componentes para projetar a fonte de alimentação…
O diagrama de fiação
Diagrama de circuito da fonte de alimentação DC-DC.
Informações técnicas
O Buck IC de modo de comutação
O AP65111A é um conversor buck ajustável que fornece 5Vs de potência regulada na saída. A faixa de tensão de entrada do IC é de 4,5 a 18V. Sua saída possui corrente contínua de 1,5A.
Características
1. Proteção contra sobretensão. Quando o pino FB exceder 115% da tensão nominal de 0,8V, o regulador irá parar de chavear e a tensão cairá descarregando através do capacitor.
2. Proteção contra sobrecorrente. Quando a corrente de pico do indutor excede seu limite de corrente, aciona a proteção de corrente. Quando a tensão do pino FB cai abaixo de 0,4 V, o dispositivo entra no modo soluço e reinicia periodicamente as peças. Isso reduzirá o estresse térmico do IC.
3. Automatizado sem carga/carga leve. No caso de carga leve ou sem carga, o IC entra em modo de baixa carga e alta eficiência. Assim que detectar uma carga alta, ele entrará automaticamente em um modo de modulação por largura de pulso para alta eficiência.
4. Proteção térmica. Quando a temperatura da junção do IC exceder 160° C, o IC será desligado. Depois de esfriar até 120° C, o IC permite uma partida suave.
5. Arranque suave. O IC possui um período interno de inicialização suave de 1ms.
Diagrama de pinos AP65111A
Descrição do pino principal
PT – um pino digital que liga e desliga o IC. Dirija EN alto para LIGAR e baixo para DESLIGAR. Para uma inicialização automática, puxe-o com resistores de 100k.
Facebook – detecta a tensão de saída e a regula. Conecte-o a uma rede divisora resistiva para definir a tensão de saída.
O projeto do circuito
O projeto do circuito inclui o elemento de armazenamento de energia. Um indutor armazena energia na forma de um campo magnético. O indutor deste projeto atua como um elemento armazenador de energia.
A equação para calcular o valor do indutor para o conversor Buck:
L = Vout(Vin-Vout)/(Vin.dIL.Fsw)
dIL = Corrente de ondulação do indutor
Fsw = Frequência de chaveamento do regulador
A corrente de ondulação do indutor deve ser de 30 a 40% da corrente máxima de carga. A corrente de pico do indutor será:
IL = Icarga + dIL/2
A corrente de pico “decide” a classificação da corrente de saturação do indutor. A saturação do indutor diminuirá a eficiência do conversor. Para esta aplicação é possível escolher um indutor entre 1 a 10uH.
Então, vamos usar um indutor de 6,5uH e calcular a corrente máxima nominal do indutor:
L = Vout(Vin-Vout)/(Vin.dIL.Fsw)
Fsw = 500kHz
6,5u = 5(12-5)/(12*dIL*500k)
dIL = 0,89A
IL = Icarga + dIL/2
Icarga = 1,5A
IL = 1,95A
Podemos então analisar o cálculo acima. Considere a corrente mínima do indutor de 25 a 30% acima da corrente máxima de carga. Devemos também considerar a resistência DC do indutor com menos de 20m ohms para garantir alta eficiência.
O elemento filtrante
Entrada: o capacitor de entrada ajuda a reduzir a corrente de surto durante o estado LIGADO do dispositivo. A corrente nominal RMS do capacitor de entrada deve ser maior que metade da corrente máxima de carga. A ESR do capacitor deve ser baixa devido à alta variação da taxa de corrente (dI/dt) através do capacitor de entrada. Para este projeto, um capacitor de 22uF funciona bem.
Saída: o capacitor de saída reduz os picos de tensão de saída, mantém a estabilidade do circuito e reduz o excesso da tensão de saída. Ajuda na resposta transitória rápida e fornece corrente para alguns ciclos durante transientes de carga. Um capacitor de saída com valor alto e ESR baixo é ideal. Nesta aplicação, podemos usar um capacitor cerâmico de 22uF para saída.
Podemos calcular o valor do capacitor com esta equação:
Co = L(Io + dIL/2)2/(dV + Vo)2 – Vo2
Rede de feedback
Agora, para a configuração da tensão de saída. De acordo com o diagrama de fiação, as resistências R4 e R3 decidem a tensão de saída.
Aqui está a equação:
Tensão de saída, Vout = 0,8(1+R4/R3)
R4 = 40,2K, R3 = 7,68K
Vout = 5V aprox.
A resistência R2 também é recomendada para melhorar a estabilidade do sistema, principalmente para Vout < 3,3V.
Gerenciamento termal
Para descobrir a potência máxima que o regulador IC pode dissipar, use esta equação:
Pd(máx) = (TJ – TA)/QJA
Onde,
PJÁ e TJ. são indicados nas folhas de dados do IC
TJ. = temperatura máxima de junção = 160°
PJÁ = resistência térmica (junção ao ambiente) = 120° C/W
TA, = temperatura ambiente = 30° (de acordo com as condições ambientais)
Pd(máx.) = dissipação máxima de potência do dispositivo
Colocando todos os valores na equação acima, obtemos:
Pd(máx.) = 1,08 W
Esta é a potência máxima que o IC pode dissipar sem dissipador de calor – mas apenas em condições naturais de fluxo de ar.
À medida que a dissipação de energia aumenta, torna-se necessário montar um dissipador de calor ou ventilador para dissipar o excesso de calor, caso contrário o regulador irá funcionar mal.
Observação prática
VemTensão de entrada = 12V
**Para uma corrente de 1,26A a dissipação de potência é de 1,41W. Como isso excede o limite máximo de dissipação de energia do IC, precisaremos montar um dissipador de calor para dissipar o calor extra.
Nota: Para saber mais sobre como selecionar um dissipador de calor, consulte este artigo.
A curva de regulação de carga entre a tensão de saída em comparação com a corrente de saída.
Os resultados observados.
As características da folha de dados.
Desempenho do IC
5. Sob carga leve (<100mA), a eficiência é baixa e abaixo de 50%
6. Em cargas mais altas, o IC funciona conforme o esperado, com eficiência média de 85%
7. Regulação de carga: Regulado 5V para corrente <50mA
Precauções
- Um capacitor deve ser conectado entre o pino IN e o terra para regular a tensão de entrada CC.
- 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 o capacitor esteja totalmente descarregado 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.
- Nunca forneça uma tensão de entrada mais alta do que a faixa de tensão de entrada operacional do IC.
- Evite curto-circuitar os terminais de saída – isso reverterá o fluxo de corrente no IC, levando a falhas.
- 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.
- Considere o efeito de frequência.
Diretrizes de design de PCB
- Mantenha os traços de energia grossos e curtos
- Coloque o capacitor de entrada e saída tão próximo quanto os pinos de entrada e saída do IC
- Minimize o comprimento do caminho do indutor
- Mantenha a tensão e os nós de comutação afastados um do outro
- Mantenha todos os componentes tão próximos quanto o IC e tente reduzir o tamanho do PCB
- Lembre-se: quanto maior a frequência do IC, maiores serão as perdas de chaveamento, o que diminui a eficiência. Mas uma frequência de comutação alta reduz o tamanho do elemento de armazenamento de energia e melhora a resposta transitória.
O layout do projeto do PCB.
Uma visualização 3D animada de PCB.
A imagem em tempo real.
