Alex_EXE

Один из самых первых узлов большинства схем является преобразователь напряжения. Рассмотрим понижающие dc-dc преобразователи. В них входят линейные и импульсные стабилизаторы. Линейные, например LM317, 78L05… оптимальны при небольшом падении напряжения на них и небольшом протекаемом токе, т.к. весь излишек напряжения они рассеивают в виде тепла или когда требуется низкий уровень пульсаций. Если через стабилизатор протекает большой ток, то эффективнее будет использовать импульсный преобразователь. Схемы импульсных преобразователей сложнее и более требовательны к трассировке и компонентам. К импульсным понижающим dc-dc преобразователем относятся LM2596, его младший брат LM2594 на 0.5А, mc34063, TL434 и многие другие. В том числе относительно новый mp1584, по сравнению с выше перечисленными, который можно встретить на большинстве китайских dc-dc понижающих стабилизаторов.

DC_DC step-down mp1584en

В статье рассмотрен распространённый импульсный понижающий стабилизатор напряжения mp1584 от известной китайской компании MPS.

Характеристики:

Плавный пуск, высокая эффективность (до 80-88%), защита от перегрева, от падения напряжения ниже рабочего (блокировка работы Vin<3В). Нет защиты от КЗ и защита от превышения тока почти отсутствует.

Схема

Сборочный рисунок

Перечень компонентов

Компонент	Позиционное обозначение	Корпус	Количество
Микросхемы
MP1584EN	U1	SO-8	1
Полупроводники
SS24	D1	SMB	1
Резисторы
100K	R1, R4, R6	0603	3
200K	R2	0603	1
43K	R3	0603	1
8.2K	R5	0603	1
Конденсаторы
0.1uF	C1, C5	0603	2
150pF	C4	0603	1
10uF 50V	C2	1206	1
22uF 10V	C3	1210	1
Индуктивность
15uH	L1	2220	1
Соединители
PLS2	X1, X2	PLS2	2

Индуктивность L1 — LQH55DN150M03L 15мкГн с током 1.4А.

Включение

Для запуска микросхемы на вход En (3 вывод) нужно подать высокий уровень сигнала (более 1.5В). Для выключения — низкий (менее 1.2В).

Порог включения входа En 1.5В. Допустимое входное напряжение до 6V (?).

Если управление питанием микросхемы не требуется и она постоянно включена, то вывод Enabel микросхемы можно не разводить, на выводе поддерживается напряжение 3В.

Расчёт выходного напряжения

Uout — выходное напряжения
Ufb=0.8V — напряжение обратной связи
R3, R5 — делитель обратной связи
R5 рекомендуется около 40кОм, что бы через линию обратной связи протекал ток около 20мкА.
Например:
Uout=5V, Uout=0.8V*(160K+30K)/30K=5.067V
Uout=3.3V, Uout=0.8V*(75K+24K)/24K=3.3V
В примере на схеме выше сопротивление резистора R5 подобрано не самым оптимальным способом, т.к. через линию обратной связи протекает ток около 97мкА, что в 5 раз выше рекомендуемого, хоть и не критично.

Расчёт осциллятора или частоты

Rfreq — сопротивление частото задающего резистора
fs — частота, на которой будет работать микросхема
Например:
Rfreq=100K, fs=(180000/100K)^(10/11)~=910KHz
Rfreq=200K, fs=(180000/200K)^(10/11)~=485KHz

Расчёт индуктивности

Uout — выходное напряжение
Uin — входное напряжение
fs — частота, на которой работает микросхема
dIl — дельта пикового тока на катушке индуктивности
Увеличение индуктивности ведет к уменьшению пульсаций по выходу стабилизатора, но приводит к увеличению её размеров, увеличению сопротивления и потерь на ней. Рекомендуется выбирать индуктивность с 30% запасом по току.
Упростим формулу, в пользу увеличения индуктивности:

Например:
Uout=5V, fs=485KHz L1=5/(485KHz *2A)~=5.1uH
Получаем 5.1мкГн — рекомендуемое значение. Его можно округлить в меньшую сторону до 4.7мкГн, что может привести к небольшому увеличению пульсаций или в большую до 6.8-15мкГн.

Входной конденсатор

Рекомендуется с низким ESR. Если применен электролит или танталовый рекомендуется установка керамики в 0.1мкФ, как можно ближе к выводом микросхемы.

Выходной конденсатор

Выходной конденсатор должен быть с низким ESR.
Так же рекомендуется установка по выходу керамики на 0.1мкФ.
Оценить уровень пульсаций можно по следующей формуле:

dUout — изменение напряжение на выходе, пульсации
Uout — выходное напряжение
Uin — входное напряжение
fs — рабочая частота микросхемы
L — индуктивность катушки
Cout — емкость выходного конденсатора
Resr — ESR выходного конденсатора
Например:
Uin=12V, Uout=5V, fs=485KHz, L=15uH, Cout=47uF, ESR(Cout)=0.1Om
dUout=5V/(485KHz*15uH)*(1-5V/12V)*(0.2Om+1/(8*485KHz*47uF))~=0.08V
Если компоненты похуже: L=4.7uH, Cout=4.7uF, ESR(Cout)=0.3Om
dUout=5V/(485KHz*4.7uH)*(1-5V/12V)*(0.3Om+1/(8*485KHz*4.7uF))~=0.45V
пульсации станут существенными, вырастут в 5 раз и составят 9% от 5В.

Выбор выходного диода

Для уменьшение потерь рекомендуется использование диода Шоттки. Максимальное обратное напряжение диода должно с запасом: в 1.5-2 раза превышать максимальное входное напряжение. Максимальный ток диода должен превышать максимальный ток нагрузки.

Расчёт компенсационной цепочки

C3 — емкость выходного конденсатора
fc — crossover frequency
Gea=60мкА/В — погрешность усилителя
Gcs=9А/В — чувствительность
Uout — выходное напряжени
Ufb=0.8V — напряжение обратной связи
Например:
R6=(2*3.14*47uF*30KHz)/(60uA/V*9A/V)*5V/0.8V=102486Om~=100KOm

Например:
C4>1/(2*3.14*100K*30KHz)=212pF~=220pF

Рекомендации из даташита:

Vout (V)	L (uH)	C3 (uF)	R6 (kOm)	C4 (pF)
1.8	4.7	47	105	100
2.5	4.7-6.8	22	54.9	220
3.3	6.8-10	22	68.1	220
5	15-22	22	100	150
12	22-33	22	147	150

Для более точного расчёта на сайте производителя есть on-line калькулятор.

Испытания

Спроектированная в статье схема рассчитана на максимальный ток нагрузки до 1 ампера.

U in, В	I in, А	P in, Вт	U out, В	I out, А	Pout, Вт	КПД, %	Пульсации, мВ
12	0.263	3.156	4.9	0.57	2.793	88.5	30
11.9	0.459	5.4621	4.82	1	4.82	88.2	32

mp1584 выход 5В 1А, плата из статьи

Изначально в схеме был применен танталовый конденсатор 47мкФ с ESR ~0.6Ом, пульсации достигали 112мВ. После замены на керамику 22мкФ с ESR ~0.16Ом пульсации снизились до 32мВ. Возможно ESR был замерен некорректно! Измерения проводились транзистор тестером. Возможно позже попробую разобраться и оптимизировать.

Дополнительно была испытана плата готового китайского dc-dc. Сначала плата проверялась при входном напряжении 12В и выходном 5В. Ток покоя у платы составил 230мкА.

U in, В	I in, А	P in, Вт	U out, В	I out, А	Pout, Вт	КПД, %	Пульсации, мВ	Температура, °С
11.9	0.27	3.213	4.9	0.57	2.793	86.9	24	36
11.9	0.473	5.6287	4.82	1	4.82	85.6	28	45
11.85	1	11.85	4.82	2.06	9.9292	83.8	42	76
11.8	1.27	14.986	4.82	2.55	12.291	82.0	48	110
11.75	1.533	18.0128	4.82	3.05	14.701	81.6	56	110
12	1.1		1.3	4.7				110

mp1584 вход 12В выход 5В 2А, китайский dc-dc

Измерение температуры проводились пирометром, поэтому измеренная температура может быть как ИМС, так и китайского диода SS34 в корпусе SMA (обычно в таком корпусе нормальные диоды выпускаются на 1А).

Плата испытывалась без дополнительного охлаждения, без дополнительного радиатора и активного охлаждения. Плата висела на проводах, температура в помещении 26°С. Если применить качественное охлаждения, то от драйвера можно будет добиться стабильной работы на более больших токах.

Когда плата разогрелась до 110°С она начала отключаться: при выходном токе 2.55А отключалась каждые ~10 сек на 1 сек, при токе в 3.05А отключатся стала каждую секунду на пол секунды.

Испытания показали, что ИМС не снабжена защитой от КЗ. При повышении тока выше 3А микросхема стала отключаться все с большей частотой. При достижении тока нагрузки в 4.7А микросхема перестала перезапускаться и на выходе установилось стабильное напряжение в 1.3В, после чего начал падать ток и напряжение. При дальнейшем повышении тока нагрузки до 5А ситуация была аналогичной. Использовать более мощный источник тока для сжигания микросхемы не стал. После снижения тока нагрузки до 2А микросхема продолжила стабильную работу, выходные параметры не изменились.

U in, В	I in, А	P in, Вт	U out, В	I out, А	Pout, Вт	КПД, %	Пульсации, мВ	Температура, °С
19.95	0.291	5.80545	5.02	1	5.02	86.5	36	60
19.9	0.606	12.0594	5.01	2.06	10.3206	85.6	54	85
27.94	0.214	5.97916	5.02	1	5.02	84.0	40	65
27.9	0.448	12.4992	5	2.06	10.3	82.0	82	105

mp1584 вход 28В выход 5В 2А, китайский dc-dc

На максимально входном напряжении 28В и выходном токе 2А при 5В было замечено 2 разных вида пульсаций в 82мВ и один раз в 160мВ. Вероятно более сильные пульсации возникли из-за перегрева микросхемы.

Понижающие преобразователи на mp1584

Вывод

Микросхема нормального стабилизатора, получившая широкое распространение. Существенный недостаток отсутствие защиты от КЗ и неполноценная защита от превышения тока. Требовательна к качеству выходного конденсатора.

Стоимость микросхемы на 10.07.2019 в промелектронике в розницу составляет 51р, на aliexpress около 20 центов (~13р) за шт, при заказе 10шт, на taobao 1.43Y (~16р+доставка), смотрел первые и вторые попавшиеся магазины.

Скачать файлы проекта

Содержимое архива:

Параметры gerber файла: единицы измерения мм, точность 3:3, удалены незначащие нули вначале числа, привязка — абсолютная.

Статья обновлена 23.07.2019