Przetwornica podwyższająca 12V do 24V @ 1A na stabilizatorze LM2585

Kluczem mocy jest tranzystor NPN o prądzie 3A i napięciu 65V. Klucz mocy jest ochraniany przez prądowe i termiczne obwody ograniczające i podnapięciowy obwód lockout. Układ scalony zawiera wewnętrzny oscylator o stałej częstotliwości 100 kHz, który pozwala na zastosowanie małych magnesów. Inne funkcje obejmują tryb miękkiego startu w celu zmniejszenia prądu rozruchowego, sterowanie w trybie prądowym w celu lepszego stłumienia procesów przejściowych na wejściu i obciążeniu, a także dla  ograniczenie prądu przełączania. Tolerancja napięcia wyjściowego wynosi ±4%, w zakresie określonych napięć wejściowych i warunków obciążenia wyjścia.

Stabilizator LM2585

Specyfikacja

• Vin: 10-15V DC
• Vout: 24V DC
• Iout: 1A (może wzrosnąć do 1.5A z wymuszonym chłodzeniem)
• Częstotliwość przełączania: 100kHz

Schemat jest prostym układem topologii boost opartym na aplikacji firmowej. Kondensatory wejściowe i dioda powinny być umieszczone wystarczająco blisko stabilizatora, aby zminimalizować wpływ indukcyjności ścieżek PCB. IC1, L1, D1, C1,C2 i C5,C6 są głównymi elementami używanymi do konwersji napięcia. Kondensator C3 jest kondensatorem bocznikującym dla wysokich częstotliwości i powinien być umieszczony jak najbliżej IC1.

Schemat elektryczny przetwornicy

Wszystkie elementy są wybierane pod kątem ich charakterystyki niskostratnej. Tak więc wybrane kondensatory mają niski ESR, a wybrana cewka indukcyjna ma niską rezystancję DC.

Przy maksymalnej mocy wyjściowej, IC1 wytwarza znaczną ilość ciepła i z tego powodu zamontowaliśmy go bezpośrednio na polu masy, aby osiągnąć maksymalne rozproszenie ciepła.

Schemat blokowy

Pomiary

 CH1: tętnienia napięcia wyjściowego przy wejściu 12V i wyjściu 24V @ 500mA - 5.3 Vpp - CH2: napięcie na PIN 4 układu IC1

CH1: tętnienia napięcia wyjściowego przy wejściu 12V i wyjściu 24V @ 1A - 4.6Vpp - CH2: napięcie na PIN 4 układu IC1

 Właściwości termiczne

Vin= 12V , Vout = 24V @ 500mA

Vin= 12V , Vout = 24V @ 1A

Jeśli chciałbyś otrzymać płytkę PCB, możemy wysłać Ci jedną za 6$ (wysyłka na cały świat) kliknij tutaj aby się z nami skontaktować.

Rozkład elementów

Symulacja

Przeprowadziliśmy symulację przetwornicy DC-DC LM2585 step-up przy użyciu oprogramowania WEBENCH firmy TI i niektóre z wyników są przedstawione tutaj.

Pierwszym wykresem jest wykres BODE dla otwartej pętli. Na tym wykresie widzimy zależność GAIN vs FREQUENCY w zakresie 1Hz - 1MHz oraz PHASE vs FREQUENCY w tym samym zakresie. Wykres ten jest przydatny, ponieważ daje nam szczegółowy obraz stabilności pętli, a tym samym stabilności i wydajności naszej przetwornicy DC-DC.

Wykres Bodego dla otwartej pętli sterowania

To co jest interesujące na tym wykresie to "margines fazy" i "margines wzmocnienia". Margines wzmocnienia to wzmocnienie dla przesunięcia fazowego -180deg, a margines fazy to różnica faz od 180deg dla wzmocnienia 0db, jak pokazano na powyższym wykresie. Aby układ można było uznać za stabilny powinien być wystarczający margines fazy (>30deg) dla wzmocnienia 0db lub gdy faza wynosi -180deg wzmocnienie powinno być mniejsze niż 0db.

Na powyższym wykresie widzimy, że margines fazy wynosi ~90deg i to zapewnia, że przetwornica DC-DC będzie stabilna w mierzonym zakresie.

Kolejnym wykresem symulacyjnym jest wykres Input Transient w czasie.

Symulacja wejściowych stanów nieustalonych

Na tym wykresie widzimy jak odbudowuje się napięcie wyjściowe, gdy napięcie wejściowe jest skokowo zwiększane z 10V do 15V. Widzimy, że 4 ms po skoku napięcia wejściowego wyjście powróciło do normalnego napięcia wyjściowego 24V.

Następny wykres to stan przejściowy obciążenia.

Symulacja stanów przejściowych obciążenia

Stan przejściowy obciążenia jest odpowiedzią napięcia wyjściowego na nagłe zmiany obciążenia lub Iout. Widzimy, że prąd wyjściowy nagle zmienia się z 0,1A na 1A i że napięcie wyjściowe spada do 23,2V aż do powrotu do normalnego poziomu w czasie około 3ms. Widzimy również, że kiedy obciążenie jest zmniejszane z 1A do 0,1A, napięcie wyjściowe wzrasta do ~25,5V, następnie "dzwoni" aż do momentu powrotu do 24V w około 4ms.

Ostatni wykres przedstawia pracę przetwornicy DC-DC w stanie ustalonym @ 1A na wyjściu.

 

Wykres ten pokazuje symulowane tętnienia napięcia wyjściowego i prąd cewki indukcyjnej. Widzimy, że tętnienia napięcia wyjściowego wynoszą ~0,6Vpp, a prąd cewki indukcyjnej ma wartość szczytową 2,4A. Cewka indukcyjna, którą zastosowaliśmy ma obciążalność max 5,6A DC, więc bez problemu wytrzyma taki prąd pracy i to bez większego nagrzewania się cewki.

Dane dla punktu pracy (Vin=13V, Iout=1A)

Parametry robocze

• Częstotliwość modulacji szerokości impulsu (PWM)
  Częstotliwość - 100 kHz
• Tryb pracy ciągły lub nieciągły
  Tryb - Cont
• Całkowita moc wyjściowa
  Pout - 24,0 W
• Vin punkt pracy
  Vin Op - 13,00 V
• Punkt pracy Iout
  Iout Op - 1,00 A

Punkt pracy przy Vin= 13.00 V, 1.00 A

• Bode Plot Crossover Frequency, wskazanie szerokości pasma zasilania
  Cross Freq - 819 Hz
• Cykl pracy PWM w stanie ustalonym, granice zakresu od 0 do 100
  Cykl pracy - 48,3%
• Sprawność w stanie ustalonym
  Sprawność - 93,2
• Temperatura złącza układu scalonego
  IC Tj - 65,2°C
• Oporność cieplna złącza układu scalonego względem otoczenia
  IC ThetaJA - 34,9°C/W

Analiza prądu

• Prąd tętnienia RMS dla kondensatora wejściowego
  Cin IRMS - 0,14 A
• Prąd tętnienia RMS dls kondensatora wyjściowego
  Cout IRMS - 0,48 A
• Prąd szczytowy w układzie scalonym dla punktu pracy w stanie ustalonym
  IC Ipk - 2,2 A
• IC Ipk Max 3,0 A Maksymalny znamionowy prąd szczytowy
  IC Ipk Max - 3,0 A
• Średni prąd wejściowy
  Iin Avg - 2,0 A
• Prąd tętnienia dla cewki indukcyjnej, wartość międzyszczytowa
  L Ipp - 0,50 A

Analiza rozpraszania mocy

• Moc rozpraszana dla kondensatora wejściowego
  Cin Pd - 0,01 W
• Moc rozpraszana dla kondensatora wyjściowego
  Cout Pd - 0,035 W
• Moc rozpraszana dla diody
  Diode Pd - 0,45 W
• Moc rozpraszana dla układu scalonego
  IC Pd - 1,0 W
• Moc rozpraszana dla cewki indukcyjnej
  L Pd - 0,16 W

Konfiguracja napięcia wyjściowego

Napięcie wyjściowe jest konfigurowane przez R1, R2 zgodnie z następującym wyrażeniem (Vref=1,23V)

V_OUT=V_REF(1+R1/R2)

Jeśli R2 ma wartość pomiędzy 1k a 5k możemy użyć tego wyrażenia do obliczenia R1:

R1=R2(V_OUT/V_REF-1)

Dla lepszej odpowiedzi termicznej i stabilności sugeruje się stosowanie rezystorów z folii metalowej 1%.

Pomiary

Wydajność vs prąd wyjściowy

Napięcie wyjściowe vs prąd wyjściowy