一种可有效用作开关电源的DC到DC降压转换器

描述

DC到DC降压转换器是电子领域著名的拓扑结构，也是电子设备中广泛使用的电路。降压转换器降低输入电压，同时增加输出电流。在本文/视频中，我讨论了一种可有效用作开关电源的 DC 到 DC 降压转换器。输出电压和电流可调：1.25V 至 30V 和 10mA 至 6A（连续）。该电源支持恒压 (CV) 和恒流 (CC) 功能。两个 LED 显示 CV 和 CC 状态。电路结构紧凑，PCB 的两面都用于安装元件。

为了设计原理图和 PCB，我使用了 Altium Designer 21，以及 SamacSys 组件库（Altium 插件）来安装缺少的原理图符号/PCB 封装。为了获得高质量的制造 PCB 板，我将 Gerber 发送到 PCBWay。

为了测试电路，我使用了 Siglent SDS2102X Plus 示波器（或 SDS1104X-E）、Siglent SDL1020X-E 直流负载和 Siglent SDM3045X 万用表的功率分析功能。不是很酷，所以让我们开始吧！

规格

• 输入电压：8V 至 35VDC
• 输出电压：1.25V 至 32VDC
• 输出电流（连续）：10mA 至 6A
• 输出电流（短周期）：7A 至 8A
• 输出噪声（无负载）：6mVrms (9mVp-p)
• 输出噪声（6A 负载）：7mVrms (85mVp-p)
• 输出噪声（6A 负载，16P 平均）：50mVp-p
• 效率：高达 96%

A. 电路分析

图 1 显示了开关电源（DC 到 DC 降压转换器）的原理图。该原理图包含 3 个主要部分：降压转换器、反馈环路和运算放大器稳压器。

图1 可调开关电源示意图

PSI 是 XL4016 控制器芯片 [1] 和降压转换器的主要部件。D2 是 MBR20100 肖特基二极管 [2]，L2 是 47uH-10A 电感器，它们是降压转换器电路的其他重要组件。C3..C9 用于降低输入/输出噪声。

R2 是一个 20K 多圈电位器（微调器），为控制器芯片提供反馈路径以调节输出电压。C1 用于降低反馈路径上的噪声。R1只是一个0R电阻，用作PCB板上的跳线。R4为分流电阻，由两个0.1R-5W电阻组成。这两个电阻并联构成一个 0.05R-10W 的电阻。

IC2 是 TS4264 线性稳压器芯片 [3]，可提供稳定的 +5V 电源轨。C15 用于降低稳压器的输出噪声。

IC1 是 MCP6002 运算放大器 [4]，用于放大小分流电阻电压以激发 PS1 的反馈引脚。D1 提供到 PS1 的反馈路径。MCP6002 芯片提供两个运算放大器。第一个运算放大器配置为同相放大器，第二个运算放大器配置为比较器，为 D3 和 D4 LED（CC、CC）供电。R5、C11..C13 创建一个低通 RC 滤波器以降低 IC1 的电源噪声。R9 和 C14 还构建了一个低通 RC 滤波器来消除分流噪声。C10 还用于降低放大器噪声。

B. PCB 布局

图 2 显示了可变开关电源板的 PCB 布局。它是两层 PCB 板，并使用了 SMD 和通孔组件的混合物，以使其尽可能紧凑。

图2 可调开关电源PCB布局

 

我使用 Altium Designer 软件 [5] 来设计原理图和 PCB。在这个项目中，我没有几个组件的原理图符号、PCB 封装和 3D 模型。因此，我没有浪费时间从头开始设计组件库并增加错误和不匹配的风险，而是使用免费且经过 IPC 评级的 SamacSys 组件库，并使用 SamacSys Altium 插件将它们直接导入 Altium PCB 项目 [6] . SamacSys 为大多数电子设计 CAD 软件 [7] 提供插件，而不仅仅是 Altium Designer。图 3 显示了支持的电子设计 CAD 软件。

具体来说，我使用了用于 PS1[8]、IC1[9]、IC2 [10] 和 D2[11] 的 SamacSys 库，您可以在参考资料中考虑这些库。另一种选择是从 componentsearchengine.com 下载组件库并手动导入它们。图 4 显示了 SamacSys Altium 插件中的选定组件。

图 4 SamacSys Altium 插件中的选定组件

C. 组装和测试

图 5 显示了组装板的俯视图和仰视图。很明显，PCB 的两面都用于安装组件。如您所见，高电流承载轨道被阻焊层部分覆盖。您必须使用焊料和/或铜线（镀锡）加强这些轨道。

图 5 组装好的 PCB 板（顶视图和底视图）

C-1。输出噪声

我使用 Siglent SDS2102X Plus 示波器 [12] 的功率分析功能来测量输出噪声。当然，您可以使用更便宜的 Siglent SDS1104X-E 示波器 [13] 并毫无问题地复制实验，但是，plus one 是一个榜样设备。

第一个测试是检查电源在空载下的输出噪声。为此，我应该拆下示波器探头的接地线，拆下探头的头部，并在头部放置一个接地弹簧（图 6）。此外，启用输入通道的 20MHz 带宽限制并将探头放在 X10 上。

图 6 准备示波器探头以测量电源噪声

 

然后将探头尖端直接放在电源的输出端。图 7 显示了空载时电源的输出噪声。

图 7 可调开关电源的输出噪声，（空载，20MHz BW 限制）

构建稳定且准确的直流负载的最佳选择是商用直流负载，例如 Siglent SDL1020X-E [14]。该器件保证负载在多种模式下的稳定性和准确性，例如CC、CV、CP、CR..等。SDL1020X-E型号的CC模式限制为5A，所以我们测试下输出噪声现在一个5A的负载。图 8 显示了电源在 5A 负载下的输出噪声。您可以考虑直流负载和示波器的屏幕​​。

图 8 可调开关电源的输出噪声，（5A 负载，CC 模式，20MHz BW 限制）

为了测试 6A 负载（最大连续）下的输出噪声，我将直流负载设置在 CR（恒定电阻）上，并将电阻值更改为在电源输出端读取 6A。图 9 显示了 6A 负载下的输出噪声。

图 10 显示了电源（6A 负载）的输出噪声，在使用数学函数（棕色波形）应用 16 点平均之后。

图 10 可调开关电源的输出噪声，（6A 负载，CR 模式，20MHz BW 限制，16P 平均）

 

D. CC 调整

有两种方法可以调整电源的恒流限制：使用直流负载或使用万用表 [15]。这两种方法都非常容易执行。只需关注 YouTube 视频。

E. 材料清单

图 11 显示了项目的材料清单。请注意，我没有在组装材料清单中包含 L1 和散热器。确保您选择/构建的电感器（铁氧体磁芯）可以承受至少 10A (47uH) 的电流。电感焊盘的孔径为1.3mm。

图 11 可调式开关电源物料清单