14-28 فولت إلى 12 فولت-3.5 أمبير 1 ميجا هرتز تيار مستمر إلى تيار مستمر محول تنحي

يعد محول DC-to-DC واحدًا من الدوائر الأكثر استخدامًا في الإلكترونيات، خاصة في تطبيقات إمداد الطاقة. ثلاثة أنواع رئيسية من محولات DC-to-DC غير المعزولة هي Buck وBoost وBuck-Boost. في بعض الأحيان يُطلق على محول باك أيضًا اسم محول التنحي ويسمى محول التعزيز أيضًا محول التدرج. يقوم محول باك بتقليل (خفض) جهد الدخل مع زيادة تيار الخرج.

في هذه المقالة، استخدمت شريحة TPS54332 SOIC-8 المتقدمة (Texas Instruments) لتصميم دائرة محول باك غير متزامنة بقدرة 12 فولت – 3.5 أمبير. يمكن أن يتراوح جهد الإدخال بين 14 فولت إلى 28 فولت، بينما يكون جهد الخرج ثابتًا عند 12 فولت. بفضل انخفاض RDS(ON) لوحدة التحكم MOSFET المدمجة (80 ميلي أوم)، يمكن للدائرة توفير ما يصل إلى 3.5 أمبير بشكل مستمر. يسمح لنا تردد التحويل العالي (1 ميجا هرتز) للمحول باستخدام محث صغير، ولكن يجب اتباع قواعد تصميم PCB المتعددة لضمان التشغيل المستقر للدائرة.

تحليل الدائرة

ويبين الشكل 1 الرسم التخطيطي. قلب الدائرة هو شريحة TPS54332DDA¹. وفقًا لورقة البيانات: “إن TPS54332 عبارة عن محول 28 فولت، 3.5 أمبير، متدرج (باك) مع MOSFET مدمج عالي الجانب وقناة N. لتحسين الأداء أثناء الخط والتحميل العابرين، يقوم الجهاز بتطبيق تردد ثابت، والتحكم في الوضع الحالي، مما يقلل من سعة الإخراج ويبسط تصميم تعويض التردد الخارجي. يحتوي TPS54332 على تردد تحويل محدد مسبقًا يبلغ 1 ميجا هرتز.

يحتاج TPS54332 إلى الحد الأدنى من جهد الإدخال 3.5 فولت ليعمل بشكل طبيعي. يحتوي طرف EN على مصدر تيار سحب داخلي يمكن استخدامه لضبط جهد الدخل وقفل الجهد المنخفض (UVLO) باستخدام مقاومتين خارجيتين. بالإضافة إلى ذلك، يوفر تيار السحب حالة افتراضية عندما يكون دبوس EN عائمًا حتى يعمل الجهاز. يبلغ تيار التشغيل 82 ميكرو أمبير عادةً عند عدم التبديل وبدون تحميل. عند تعطيل الجهاز، يكون تيار الإمداد عادةً 1 ميكرو أمبير. تتيح وحدات MOSFET المدمجة عالية الجانب بقطر 80 مترًا تصميمات إمداد طاقة عالية الكفاءة مع تيارات إخراج مستمرة تصل إلى 3.5 أمبير.

يقلل TPS54332 من عدد المكونات الخارجية عن طريق دمج الصمام الثنائي لإعادة شحن التمهيد. يتم توفير جهد التحيز لـ MOSFET المدمج عالي الجانب بواسطة مكثف خارجي على BOOT إلى دبوس PH. تراقب دائرة UVLO جهد مكثف التمهيد وستقوم بإيقاف تشغيل MOSFET عالي الجانب عندما ينخفض ​​الجهد عن عتبة محددة مسبقًا تبلغ 2.1 فولت عادةً. يمكن خفض جهد الخرج إلى مستوى منخفض مثل الجهد المرجعي. من خلال إضافة مكثف خارجي، يمكن تعديل وقت البدء البطيء لجهاز TPS54332 مما يتيح اختيار مرشح الإخراج المرن.

لتحسين الكفاءة في ظروف الحمل الخفيف، يدخل TPS54332 عادةً في وضع Eco خاص لتخطي النبض عندما ينخفض ​​تيار مغو الذروة إلى أقل من 160 مللي أمبير. يعمل طي التردد على تقليل تردد التبديل أثناء بدء التشغيل وعلى الظروف الحالية للمساعدة في التحكم في تيار المحث. يوفر الإغلاق الحراري حماية إضافية في ظل ظروف الخطأ.

يعمل C5 وC6 على تثبيت المحول (خاصة عند سحب تيار التدفق) وتقليل ضوضاء الإدخال. يضمن مقسم الجهد R2 وR3 بقاء مستوى الجهد بين 1.4 و6 فولت لضمان بقاء وحدة التحكم في وضع التشغيل ضمن نطاق جهد الإدخال. يمكن ترك طرف EN عائمًا، ولكن لا يُنصح بذلك، خاصةً إذا تم أخذ ميزة UVLO بعين الاعتبار.

R4 وC7 عبارة عن مكونات بطيئة البداية (بداية ناعمة)، لكن قيمة C7 يجب ألا تكون أعلى من 27nF. C1 هو مكثف التمهيد 100nF. D1، L1، C2، C3، وC4 هي مكونات محول الجهد لتحقيق الاستقرار في جهد الخرج والتيار. R1 وR5 عبارة عن مقاومات تغذية مرتدة تحدد مستوى جهد الخرج، ومع ذلك، يمكنك إعادة حساب القيم واستخدام المقاومات المطلوبة باستخدام المعادلة التالية، حيث R6 وC8 وC9 هي مكونات مضخم الخطأ:

تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور

ويبين الشكل 2 تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور للدائرة. إنها لوحة PCB ذات طبقتين، والطبقة السفلية مخصصة للأرض فقط.

يعد تخطيط PCB هو العامل الأكثر أهمية في مثل هذا التصميم عالي التردد والتيار العالي. من المفترض أن يعطيك الشكل 2 فكرة عن كيفية استخدام طائرات الطاقة بدلاً من المسارات لتوصيل شبكات PCB عالية التيار. ويجب أيضًا تجنب أي حلقة في مستويات الطاقة أو أي مسار. في تصميم محول باك، يجب وضع الصمام الثنائي D1 وC6 في أقرب وقت ممكن من وحدة التحكم. وبالمثل، يجب أن يكون C2 أقرب ما يكون إلى المحرِّض.

التأريض الصحيح هو نقطة تصميم أخرى تغير قواعد اللعبة. الطبقة السفلية عبارة عن مستوى نحاسي صلب تقريبًا (اللون الأزرق) ويتم تخصيصها للأرض لتقليل طول ومقاومة المسار الأرضي. تمت تغطية المناطق الفارغة من الطبقة العليا (اللون الأحمر) بالأرض أيضًا، ولكن تم اتباع قاعدة التخطيط الأرضي النجمي (بدون حلقة أرضية). تضمن هذه التقنية انخفاض EMI (الانبعاث) وانخفاض مستوى الضجيج عند الإخراج.

لقد قمت بوضع بعض VIAs لتقليل حجم الحلقة ومقاومة المسار الأرضي بشكل أكبر. تكون فتحات VIA الموجودة أسفل وحدة التحكم أكبر لأن تدفق التيار أسفل الشريحة مرتفع، كما أنها تساعد على تبديد الحرارة من خلال طبقات النحاس. ويبين الشكل 3 رسم تجميع اللوحة. يمكنك تنزيل ملفات PCB Gerber من الرابط ² في “المراجع”.

مراجع

¹ ورقة بيانات TPS54322: https://www.ti.com/document-viewer/tps54332/datasheet
² ملفات PCB جربر: https://drive.google.com/file/d/1wgApzGY9BEmQlGA-Y6sfXjv36HP_waIk/view?usp=sharing

ظهر المنشور 14-28V إلى 12V-3.5A 1MHz DC إلى DC Step-Down Converter لأول مرة على Power Electronics News.