Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
PCBway
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Buck 6-25V -> 3-VIN / 5A, 300 kHz

16 Mar 2014 02:27 2673 4
  • Poziom 15  
    Proszę o sprawdzenie czy poprawnie zaprojektowałem przetwornicę DC/DC typu buck (step-down). Jest to pierwszy taki mój układ. Z góry dziękuję za weryfikację i wszelkie porady, gdyż dopiero się uczę i starałem się wszystko zaprojektować jak najlepiej.

    Załączam schemat oraz projekt PCB:

    Buck 6-25V -> 3-VIN / 5A, 300 kHz
    Buck 6-25V -> 3-VIN / 5A, 300 kHz

    Układ przetwornicy to XL4005 - pracuje na 300 kHz i ma zintegrowany N-MOS o max. prądzie 5A i max. duty cycle 100%.

    Założone parametry:
    Vin = 6-25V z baterii
    Vout = regulowane 3-VIN
    Iout = 0-4,5A
    Overshoot - max 100mV
    Vripple@4A <= 100mV

    Mój dobór elementów wraz z uzasadnieniem:

    Cin (C2) - aluminiowy elektrolit 100uF/35V, ESR=0,16R, Iripple=0,6A - wiem że Iripple tutaj powinien być co najmniej 2,5A ale niestety nie znalazłem takiego, pojemność podobno powinno się dobierać 10-22 uF na każdy 1A

    Cout (C3) - aluminiowy elektrolit 680uF/35V, ESR=0,06R, Iripple=1,1A - tutaj ponownie nie znalazłem nic lepszego w kwestii Iripple. Zastanawiam się nad zamienieniem tego na 2x330uF/35V, wtedy łącznie ESR=0,03R a Iripple=2,4A.

    Obliczenie Cout dla założonego overshoot (wzór):
    Cout = L * (Iout_max + (deltaI/2))^2 / ((deltaV + Vout)^2 - Vout^2)
    gdzie deltaI = LIR * Iout_max, deltaV to overshoot

    Vout mam zmienne ale przyjmuję tutaj najgorszy przypadek 3V:

    Cout = 15uH * (5,17A)^2 / 0,61 = 660 uF

    ESR max wyszło mi 0,074R przy Vripple = 100mV

    C1 - pomocniczo 100nF ceramiczny dla stabilności
    D1 - SK54 - Schottky 5A/40V

    L1 - 15 uH/10A, DCR=8,56mR - dławik pierścieniowy, przy 5A indukcyjność ok. 13uH wg producenta. Dławik na 10A, bo do wyboru miałem albo 4 albo 10.

    Sposób wyliczenia indukcyjności:
    L=(Vin_max - Vout) * (Vout/Vin_max) * (1/f) * (1/(LIR * Iout_max))
    LIR = 0,3
    f= 300 kHz
    Vout=12V jako najgorszy przypadek gdzie indukcyjność wychodzi największa
    L=(25 - 12) * (12/25) * (1/240000) * (1/1,35) = 15,4uH

    Czy warto przy tych parametrach pracy dawać większy/mniejszy dławik? Przy większym rozumiem będzie większy overshoot, ale chyba lepiej będzie się sprawdzał przy niższych prądach?

    Proszę również o porady czy nie popełniłem jakichś błędów na PCB które mogą powodować powstawanie rezonansów itp. Płytkę chciałbym mieć jednowarstwową.

    Obliczenie sprawności (Vin = 16V, Vout=5V, Iout=4,5A, Pout=22,5W)

    straty na ścieżkach płytki (około 10mohm) - 0,2W -> 0,9%
    straty na dławiku (8,56 mohm) - 0,18W -> 0,8%
    straty na diodzie (Vfwd=0,5V, D=31%) - 1,55W -> 6,9%
    straty na MOSFET - niestety producent nie podaje Rdson ale w ich podobnym układzie podaje 60-80mohm@5A więc zakładam 60 mohm = 1,2W -> 5,3%
    straty na przełączaniu MOSFET - ?

    łączne straty: 3,13W
    sprawność: 86,1%

    Inny przykład: Vin = 12V, Vout = 6V, Iout = 3A, Pout = 18W

    ścieżki - 0,1W -> 0,55%
    dławik - 0,07W -> 0,4%
    dioda (Vfwd = 0,5V, D=50%) - 0,75W -> 4,15%
    MOSFET - 0,55W

    łącznie: 1,47W
    sprawność: 91,8%
  • PCBway
  • Poziom 43  
    Cytat:
    Cin (C2) - aluminiowy elektrolit 100uF/35V, ESR=0,16R, Iripple=0,6A - wiem że Iripple tutaj powinien być co najmniej 2,5A ale niestety nie znalazłem takiego, pojemność podobno powinno się dobierać 10-22 uF na każdy 1A

    Podział prądów zależy od rezystancji źródła i ESR kondensatora, jeśli chcesz mniejszego ESR użyj kondensatora o większej pojemności lub kilku.

    Cytat:

    Cout (C3) - aluminiowy elektrolit 680uF/35V, ESR=0,06R, Iripple=1,1A - tutaj ponownie nie znalazłem nic lepszego w kwestii Iripple. Zastanawiam się nad zamienieniem tego na 2x330uF/35V, wtedy łącznie ESR=0,03R a Iripple=2,4A.
    Przy indukcyjności 15uH i napięciach 12V/5V i pracy z ciągłym prądem, tętnienia prądu tego kondensatora wyniosą 0,66App co na idealnym kondensatorze 680uF dało by tętnienia 0,4mV, na ESR 60mΩ tętnienia będą 40mV z tego wniosek że nie ważne czy tam będzie 100uF czy 680uF byle ESR było małe, łączenie kilku kondensatorów równolegle to dobry pomysł, ale konieczności nie ma.

    Cytat:
    Proszę również o porady czy nie popełniłem jakichś błędów na PCB które mogą powodować powstawanie rezonansów itp. Płytkę chciałbym mieć jednowarstwową.

    Tu jest do poprawy, zaznaczyłem ci pętle którymi płyną prądy przy załączonym i wyłączonym kluczu, przy wyjściu narobiłeś niepotrzebnie długich pętli (im mniejsza powierzchnia pętli tym mniejsza jej indukcyjność mniej zakłóceń promieniuje) ścieżką feedbacku przeciąłeś masę, to droga prądu się wydłużyła obróć kondensator wyjściowy o 180° będzie prościej. L1 jest taka mała, a płytka nadmiernie rozciągnięta, czy po prostu masz byle jaki footprint i robisz miejsce "na oko".

    Buck 6-25V -> 3-VIN / 5A, 300 kHz
  • PCBway
  • Poziom 35  
    jarek_lnx napisał:
    Tu jest do poprawy

    Rzekłbym nawet, ze bez tej poprawy układ po prostu może nie chodzić, lub chodzić niestabilnie. 5A przełączane z częstotliwością 300kHz to nie jest przedszkole, i layout ma bardzo duży wpływ na pracę układu jak i na generowany EMI...
  • Poziom 27  
    zły layout o którym mówił kolega. Zalecam 2 warstwy.

    Dławik - na pewno masz zły footprint. 15uH 10A nie może być tak mały. Strat w dławiku nie wziąłeś w ogóle pod uwagę a on będzie ciepły.

    Układ XL4005 straci 0.55W wg ciebie, a na razie nie ma się gdzie chłodzić. znowu polecam 2 warstwy miedzi, najlepiej grubej.

    Brak kondensatora ceramicznego na wyjściu.

    Dioda SK54 chyba też ma inny footprint chyba.
  • Poziom 15  
    Zamykam temat, zrezygnowałem zupełnie z tego designu na rzecz innego układu.