Импульсный понижающий стабилизатор mp1584

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
DC_DC step-down mp1584en

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

Характеристики:

Тип импульсный понижающий (step-down)
Ток до 3А
Предельный ток 4-4.7А
Входное напряжение 4.5-28V
Выходное напряжение 0.8-25V
Падение напряжения 3V
Частота до 1,5МГц
Ток покоя 125мА
Максимальная рассеиваемая мощность 2,5Вт (при +25°С)
Рабочий диапазон температур -25 — +125°С
Максимальная рабочая температура +150°С
Максимальная температура пайки +260°С

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
Схема

Сборочный рисунок
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) 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 (?).

Расчёт выходного напряжения

Участок схемы - C3, C5

Uout=Ufb*(R3+R5)/R5

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

Участок схемы - R2

Rfreq(K)=180000/(fs(KHz)^1.1)

fs=(180000/Rfreq)^(10/11)

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

Участок схемы - L1

L1=Uout/(fs*dIl)*(1-Uout/Uin)

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:

L1=Uout/(fs*Ipeek)

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

Участок схемы - C2

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

Выходной конденсатор

Участок схемы - C3

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=Uout/(fs*L)*(1-Uout/Uin)*(Resr+1/(8*fs*Cout))

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

Участок схемы - D1

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

Участок схемы - C4, R6

R6=2pi*C3*fc/(Gea*Gcs)*Uout/Ufb

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

C4>4/(2*pi*R6*fc)

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
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
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
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
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:

gerber\
pcb1_mp1584.drl сверловка
pcb1_mp1584.gko контур
pcb1_mp1584.gtl медь, верх
pcb1_mp1584.gto шелкография, верх
pcb1_mp1584.gts маска, верх
project\
mp1584.PrjPcb Файл проекта Altium Designer
Sheet1_mp1584.SchDoc Принципиальная схема Altium Designer
PCB1_mp1584.PcbDoc Печатная плата Altium Designer
assembled.pdf сборочный чертеж
lut.pdf ЛУТ, 1 сторонняя плата

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

4 комментария »

Alex_EXE | 13.07.2019 | Питание |

4 комментария на « Импульсный понижающий стабилизатор mp1584»

  1. Евгений пишет 16.07.2019 в 07:40 #

    Вы бы и платку профессионально развели с 2 сторон для лучшего охлаждения микросхемы 🙂
    про индуктивности — тем модулям с 4.7 мкгн лучше индуктивность поменять на 10-15 мкгн (выходные напряжения 3.3, 5, 12)?

  2. Alex_EXE пишет 16.07.2019 в 13:22 #

    Одностороннею плату без проблем можно сделать в домашних условиях. Заказывать двухсторонку у китайцев, платить за 5-N плат 8-15 баксов, ждать. В домашних условиях переходные отверстия сделать почти невозможно, а без них смысл второй теплорассеивающей стороны теряется. И при этом эти платки мне не нужны. Для каждого нового проекта несложно сделать свой дизайн, более подходящий для конкретного случая. Если нужны готовые модули, то эти китайские платки у меня есть.

    Эти модули и так неплохо работают. Слепая замена индуктивности может ухудшить работу, т.к. может быть придется пересчитывать компенсационную цепочку. Плюс индуктивность большего размера на тот же ток будет иметь большие габариты и уже может не поместиться на миниатюрный модуль с плотной компановкой. Для снижения пульсаций, если это необходимо, можно по выходу добавить Г-образный LC фильтр. Самое главное не перегружать эти модули, рабочий ток у них не до 3-х ампер, а где-то до 2-х.

  3. Евгений пишет 16.07.2019 в 21:58 #

    если не ошибаюсь то по даташиту при низком выходном напряжении 3-5в индуктивность должна быть 10мкн

  4. Alex_EXE пишет 17.07.2019 в 11:36 #

    Таблица с рекомендациями из даташита MP1584 Rev. 1.0 8/8/2011 приведена в статье: для 3.3В — 6.8-10мкГн, для 5В 15-22мкГн. С другой стороны ни кто не говорит точно ей следовать, значение индуктивности может отличаться, главное для наилучшего режима под неё рассчитать остальные компоненты.

Комментарии RSS

Оставьте отзыв