Modifikácia prevodníka XL4015 Buck s nastaviteľným obmedzovačom prúdu

V príspevku je vysvetlený jednoduchý spôsob, ako vylepšiť buckový prevodník XL4015 DC na DC nastaviteľným obmedzovačom prúdu, ktorý v pôvodnom module zrejme chýba.

Asi XL4015

XL4015 je 180 KHz PWM buck (step-down) prevodník DC / DC, špeciálne navrhnutý pre prevádzku záťaže 5 V, 5 Amp s dobrou účinnosťou, minimálnym zvlnením a výnimočnou reguláciou napätia a linky.

Regulačný modul je skonštruovaný z veľmi malého počtu ďalších častí a je s ním ľahké pracovať. Pozostáva zo zabudovanej frekvenčnej kompenzácie a oscilátora s pevnou frekvenciou.

Ovládací obvod PWM má nastaviteľný pomer výkonu pri konštantnej rýchlosti od 0 do 100%. IC XL4015 má tiež zabudovanú funkcionalitu ochrany proti nadprúdu.

Keď sa na výstupe zistí skrat, prevádzková frekvencia sa okamžite zníži zo 180 KHz na 48 KHz, čo spôsobí okamžitý pokles výstupného napätia a prúdu.

Čip má plne integrovaný kompenzačný blok bez závislosti od akýchkoľvek externých komponentov.

XL4015 IC Hlavné vlastnosti

1. Široký rozsah vstupného napätia 8 V až 36 V.
2. Výstupné napätie je nastaviteľné od 1,25 V do 32 V.
3. Maximálny pracovný cyklus môže byť až 100%
4. Výstupný výpadok je iba 0,3V
5. Spínacia frekvencia je pevne nastavená na 180 kHz
6. Výstupný prúd je konštantný pri 5A.
7. Integrované výkonové MOSFETy zaisťujú optimalizáciu vysokého napätia / prúdu
8. Prevádzková účinnosť je veľmi pôsobivá na 96%
9. Regulácia vedenia a zaťaženia je mimoriadne dobrá
10. IC má vnútorne riadenú funkciu tepelného vypínania
11. Rovnako obsahuje aj zabudovanú funkciu obmedzenia prúdu
12. Nie je potrebné pripomínať, že čip obsahuje aj funkciu ochrany proti skratu na výstupe.

Hlavná nevýhoda

Aj keď je modul XL4015 nabitý mnohými vynikajúcimi vlastnosťami, ktoré prevodník dolárov musí mať, chýba mu jedna veľká funkcia.

Modul nemá žiadne usporiadanie na prispôsobenie výstupného prúdu na preferované úrovne podľa špecifikácií záťaže.

Ak teda chcete nabite Li-Ion batériu s modulom XL4015, povedzme pri rýchlosti 2 ampérov, to nebudete môcť urobiť, kvôli vyššie spomenutej nevýhode.

Podobne, ak by ste chceli napájať 3,3 V LED s maximálnym prúdom 3 A, boli by ste rovnako sklamaní, pretože modul je dimenzovaný na pevný prúd 5 A.

Ako funguje XL4015

Nižšie je uvedená základná pracovná schéma prevodníka XL4015.

Obvod je nakonfigurovaný tak, aby produkoval fixných 5 V pri konštantnom výstupnom prúde 5 A v odozve na napájací vstup 8 V až 36 V. Špecifikácie vstupného výkonu musia byť vyššie ako výstupný výkon, čo znamená, že kapacita vstupného napájacieho zdroja musí byť byť vyššia ako 5 V x 5 A = 25 W.

Preto, ak sa použije vstupné napájanie 36 V, potom by mal byť vstupný prúd vyšší ako 25/36 = 0,7 A. Ak sa použije 8 V, potom môže byť vstupný prúd vyšší ako 25/8 = 3 A atď.

Interné obvody IC XL4015 pozostávajú zo základných prvkov, ako sú oscilátor a chybový zosilňovač. Dobre vypočítaná a riadená frekvencia oscilátora 180 kHz sa generuje na pin3 (SW) na napájanie konfigurácie externého meniča prevodníka pozostávajúceho z diódy, induktora a kondenzátora. To umožňuje buckovému stupňu spracovať vstupné napájanie na presný výstup 5 V, 5 A.

Pin2 (FB) funguje ako vstup pre spätnú väzbu chybového zosilňovača. Na začatie procesu vypínania integrovaného obvodu je dostatočné minimum vstupu 1,25 V v tomto zapojení.

Tento vývod je viditeľný nakonfigurovaný s deličom potenciálu R1, R2, ktorý zaisťuje, že výstupné napätie nikdy nemôže prekročiť rozsah 5 V, čo potom spôsobí, že sa na FB pinu vyvinie napätie vyššie ako 1,25 V, ktoré inicializuje proces vypnutia pre IC, čím sa zabráni tomu, aby výstup prekročil úroveň 5 V.

To tiež znamená, že výstupné napätie je možné upraviť na iné úrovne napätia, napríklad na 12 V alebo 15 V, vhodnou zmenou hodnôt deliča spätnej väzby R1 / R2.

R1 / R2 je možné tiež pripevniť pomocou nasledujúceho vzorca na získanie požadovaného výstupného napätia:

Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1)

Úprava aktuálneho limitu

Ako je zrejmé zo schémy, modul XL4015 neobsahuje funkciu obmedzovania prúdu, ktorá je zjavne hlavným obmedzením modulu.

Modul však obsahuje vypínací pinout FB, ktorý by sa dal nakonfigurovať pomocou externého modulu obvod obmedzovača prúdu , za splnenie funkcie. To by sa dalo implementovať, ako je uvedené v nasledujúcom diagrame:

RX možno vypočítať pomocou Ohmovho zákona:

RX = 0,2 / prúdový limit

Pretože dva tranzistory sú zapojené s veľmi vysokým výstupom zosilnenia, mal by na spustenie FB pinu IC a zahájenie akcie obmedzujúcej prúd stačiť potenciálny rozdiel iba 0,2 V naprieč RX.

Akonáhle má prúd tendenciu prekročiť požadovanú hranicu, spôsobí to, že sa vytvorí požadovaný minimálny potenciál v celej RX, čo spôsobí, že NPN bude viesť, čo následne prudko spustí PNP BJT. Akcia dodáva zamýšľaný kladný DC na kolíku FB, čím iniciuje vypnutie.

Ak k tomu dôjde, výstupný prúd klesne pod nastavenú hranicu, vypnutím BJT a obnovením predchádzajúcej podmienky, pričom prúd opäť začne prekračovať nastavenú hranicu zapnutím BJT. Cyklus sa stále opakuje a zaisťuje, aby prúd vždy zostal v stanovenom limite.

Vďaka tomuto usporiadaniu je model XL4015 vybavený veľmi užitočnou funkciou nastaviteľného obmedzenia výstupného prúdu.

Alternatíva XL4015 (ekvivalentný obvod)

Aj keď je modul XL4015 ľahko dostupný vo väčšine internetových obchodov, IC nevyrábajú renomované značky a môže byť kedykoľvek náchylný k zastaraniu.

Preto sa javí ako oveľa lepšia voľba alternatívny 5 V nastaviteľný obvod prevodníka buck využívajúci diskrétne komponenty.

Nasledujúca schéma ukazuje veľmi efektívny 5 V buck prevodník využívajúci populárny TL494 čip:

Vyššie uvedený príklad ukazuje jednoduchý, ale mimoriadne praktický a presný ekvivalentný prevodník napätia 5 V pre model XL4015.

Tu ukazuje aplikáciu solárneho invertora buck prevodníka, ktorú je možné prevziať na akýkoľvek iný požadovaný účel meniča DC na DC.

Použitie TL494 zaisťuje, že dizajn nebude ľahko zastaraný a náhrada za integrovaný obvod bude ľahko prístupná, kedykoľvek bude potrebné.

Aj tu spätná väzba chybového zosilňovača určuje výstupný prúd nastavením siete potenciálneho rozdeľovača vybudovanej okolo R8 / R9.

Prúd je možné upraviť vhodným doladením odporu R13.

R13 = 0,2 / maximálny prúdový limit

Ďalšou veľkou výhodou použitia vyššie uvedeného diskrétne zabudovaného prevodníka buck je úroveň výstupného prúdu, ktorá nie je obmedzená na 5 ampérov, ale mohla by byť upgradovaná na oveľa vyššiu úroveň jednoduchým upgradom tranzistorov, hrúbky drôtu induktora a hodnoty odporu R13.