مصدر طاقة فعال USB من النوع C 12V-2A DIY باستخدام محول TPS61089 VQFN Boost

[ad_1]

في الوقت الحاضر، توجد بنوك الطاقة القوية في كل مكان ويتم استخدامها على نطاق واسع من قبل عشاق الهواتف المحمولة. يتم تثبيت جهد الخرج لبنوك الطاقة هذه عند 5 فولت. ومع ذلك، يمكن أيضًا استخدام بنك الطاقة كمصدر طاقة بجهد 12 فولت، وذلك باستخدام لوحة دائرة تحويل معززة صغيرة وفعالة.

تهدف هذه المقالة إلى معالجة مثل هذا المطلب باستخدام شريحة TPS61089 الصغيرة والقوية والمتقدمة. لا تحتاج الشريحة إلى أي صمام ثنائي شوتكي خارجي، وتحتوي على مشغل داخلي ناعم، ويمكنها تحمل ما يصل إلى 7 أمبير. يمكن ضبط الحد الأقصى لتردد التحويل للرقاقة على 2.2 ميجا هرتز، لكن هذا التصميم حقق كفاءة بنسبة 93% عند حوالي 500 كيلو هرتز، وتيار خرج 2 أمبير، وجهد دخل 4.5 فولت (السيناريو الأسوأ). أفضل معدل كفاءة هو حوالي 96.5% (خرج 750 مللي أمبير، مدخل 5.5 فولت). تم تصنيف الحد الأقصى لدورة التشغيل للرقاقة بحوالي 64% (إدخال 4.5 فولت). يمكن أن يختلف جهد الإدخال بين 4.5 فولت و5.5 فولت، مما يوفر تسامحًا معقولًا لضمان استقرار المحول.

تم تصميم تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور للمحول مع العديد من الاحتياطات مثل تنفيذ طائرات الطاقة، وانخفاض EMI، وVIA، ومقاومة المسار الأرضي المنخفض. موصل الإدخال هو USB من النوع C، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات المحمولة الحديثة.

تحليل الدائرة

ويبين الشكل 1 الرسم التخطيطي للجهاز. قلب الدائرة هو شريحة TPS61089، من شركة Texas Instruments¹.

وفقًا لورقة بيانات TPS61089¹: “يمثل TPS61089x TPS61089 وTPS610891. TPS61089x عبارة عن محول تعزيز متزامن متكامل تمامًا مع مفتاح طاقة رئيسي 19 متر مكعب ومفتاح مقوم 27 متر مكعب. يوفر الجهاز حل طاقة عالي الكفاءة وصغير الحجم للمعدات المحمولة. يتميز TPS61089x بنطاق واسع من جهد الإدخال من 2.7 فولت إلى 12 فولت لدعم التطبيقات التي تعمل ببطاريات ليثيوم أيون/بوليمر أحادية الخلية أو خليتين.

يتمتع TPS61089x بقدرة تيار مستمر للتحويل 7-A وجهد خرج يصل إلى 12.6 فولت. يستخدم TPS61089x طوبولوجيا التحكم في تيار الذروة الثابتة التكيفية خارج الوقت لتنظيم جهد الخرج. يعمل TPS61089x في وضع تعديل عرض النبض (PWM) في ظروف الحمل المتوسطة إلى الثقيلة. في ظروف الحمل الخفيف، يعمل TPS61089 في وضع تعديل تردد النبض (PFM) لتحسين الكفاءة، بينما لا يزال TPS610891 يعمل في وضع PWM لتجنب مشاكل التطبيق الناجمة عن انخفاض تردد التبديل. يمكن تعديل تردد التبديل في وضع PWM من 200 كيلو هرتز إلى 2.2 ميجا هرتز. ينفذ TPS61089x أيضًا وظيفة بدء تشغيل ناعمة مدمجة تبلغ 4 مللي ثانية ووظيفة حد تيار مفتاح الذروة القابلة للتعديل. بالإضافة إلى ذلك، يوفر الجهاز حماية من الجهد الزائد الناتج 13.2 فولت، وحماية من التيار الزائد دورة تلو الأخرى، وحماية من الإغلاق الحراري. يتوفر جهاز PS61089x بحجم صغير جدًا لحزمة VQFN ذات 11 سنًا مقاس 2.0 مم × 2.5 مم.

يوضح الشكل 2 العلاقة بين دورة العمل وجهد الإدخال وتيار الخرج. تم تصنيف الحد الأقصى لدورة العمل بنسبة 64.4% حيث يكون جهد الإدخال 4.5 فولت (الحد الأدنى) وتيار الخرج 2 أمبير (الحد الأقصى).

USB1 هو موصل USB4135 من النوع C يمكنه التعامل مع تيار 5A بشكل مستمر. R3 وR5 عبارة عن مقاومات منسدلة لتحديد منفذ USB Type-C باعتباره جانب التحميل. C2 … C5 عبارة عن مكثفات دخل لتقليل ضوضاء الإدخال وتثبيت محول التعزيز، خاصة عند تدفق تيارات الإدخال. C6 هو مكثف إلزامي (أعلى من 1 فائق التوهج) لإخراج المنظم الداخلي (دبوس VCC). تنتمي R7 وC11 وC12 إلى شبكة تعويض الحلقة وهي متصلة بمخرج دبوس مضخم الخطأ (COMP). يقوم R4 بتعيين الحد الحالي للرقاقة، والذي تم ضبطه على حوالي 6.2 أمبير (الحد الأقصى هو 8 أمبير).

يوضح الشكل 3 العلاقة بين الكفاءة وجهد الإدخال والتيار الناتج. ومن المثير للاهتمام، أن أعلى كفاءة يتم تحقيقها عندما يكون تيار الخرج حوالي 750 مللي أمبير، وليس عندما يكون عند الحد الأدنى. وبطبيعة الحال، بقدر ما يكون الفرق بين جهد الإدخال والإخراج للمحول منخفضًا، تكون الكفاءة أعلى. ولهذا السبب يتم تحقيق أعلى كفاءة عندما يكون جهد الإدخال 5.5 فولت.

R2 و R3 عبارة عن مقاومات تغذية مرتدة لضبط جهد الخرج عند 12V. C7 … C10 عبارة عن مكثفات خرج لتثبيت محول التعزيز وتقليل ضوضاء الخرج.

تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور

ويبين الشكل 4 تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور للدائرة². إنها لوحة PCB ذات طبقتين وأصغر حجم للحزمة هو 0603. بعض الخبرة في اللحام الدقيق ومكواة اللحام الجيدة إلزامية لتجميع PCB هذا.

لتصميم تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور لمحول التيار العالي/التردد العالي، يجب عليك دائمًا استخدام الطائرات النحاسية بدلاً من المسارات لتوصيل شبكات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذات التيار العالي. تعد المقاومة المنخفضة للمسار الأرضي والتصميم بدون حلقة أرضية (يجب أن تكون الحلقات صغيرة قدر الإمكان) هي ثاني أهم عامل في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور. يجب أن يكون للمكثفات الالتفافية للإدخال/الإخراج أقصر مسار إلى الأرض، ولهذا السبب يتم وضع المسامير الأرضية للمكثفات الالتفافية في أقرب مكان ممكن من المسارات الأرضية للإدخال/الإخراج، على الرغم من أن الطبقة السفلية من PCB مخصصة للأرض فقط . يجب أن تظل دبابيس الدرع الخاصة بموصل USB عائمة. يوضح الشكل 5 رسم التجميع للوحة PCB.

مراجع

¹ ورقة بيانات TPS61089

² ملفات ثنائي الفينيل متعدد الكلور جربر

ظهر مصدر الطاقة الفعال DIY USB Type-C 12V-2A باستخدام محول TPS61089 VQFN Boost لأول مرة على Power Electronics News.

[ad_2]