Úprava převodníku XL4015 Buck s nastavitelným omezovačem proudu

Příspěvek vysvětluje jednoduchý způsob, jak vylepšit převaděč XL4015 DC na DC s nastavitelným omezovačem proudu, který v původním modulu zřejmě chybí.

O XL4015

XL4015 je 180kHz PWM buck (step-down) měnič DC / DC, speciálně navržený pro provoz zátěže 5 V, 5 Amp s dobrou účinností, minimálním zvlněním a výjimečnou regulací linky a zátěže.

Díky použití velmi malého počtu dalších dílů je s modulem regulátoru snadné pracovat a skládá se z vestavěné frekvenční kompenzace spolu s oscilátorem s pevnou frekvencí.

Řídicí obvod PWM je vybaven nastavitelným poměrem zátěže při konstantní rychlosti od 0 do 100%. IC XL4015 má také zabudovanou funkci nadproudové ochrany.

Když je na výstupu detekován zkrat, provozní frekvence se okamžitě sníží ze 180 KHz na 48 KHz, což způsobí okamžitý pokles výstupního napětí a proudu.

Čip má plně integrovaný kompenzační blok, bez závislosti na externích součástech.

Hlavní vlastnosti XL4015 IC

1. Široký rozsah vstupního napětí 8 V až 36 V.
2. Výstupní napětí je nastavitelné od 1,25 V do 32 V.
3. Maximální pracovní cyklus může být až 100%
4. Výstupní výpadek je pouze 0,3V
5. Spínací frekvence je pevně nastavena na 180 kHz
6. Výstupní proud je konstantní při 5 A.
7. Integrované výkonové MOSFETy zajišťují optimalizaci vysokého napětí / proudu
8. Provozní účinnost je velmi působivá na 96%
9. Regulace vedení a zatížení jsou extrémně dobré
10. IC má interně řízenou funkci tepelného vypnutí
11. Podobně také obsahuje zabudovanou funkci omezení proudu
12. Netřeba dodávat, že čip také obsahuje funkci ochrany proti krátkému výstupu.

Hlavní nevýhoda

Přestože je modul XL4015 nabitý mnoha vynikajícími funkcemi, které převaděč buck potřebuje mít, postrádá jedno hlavní zařízení.

Modul nemá žádné uspořádání pro úpravu výstupního proudu na preferované úrovně podle specifikací zátěže.

Takže pokud chcete nabijte Li-Ion baterii s modulem XL4015, řekněme rychlostí 2 ampéry, to nebudete moci udělat kvůli výše zmíněné nevýhodě.

Podobně, pokud byste chtěli napájet 3,3 V LED s maximální proudovou rychlostí 3 A, byli byste také zklamáni, protože modul je dimenzován na pevný proud 5 A.

Jak XL4015 funguje

Základní pracovní schéma převaděče XL4015 buck je uvedeno níže:

Obvod je nakonfigurován tak, aby produkoval fixní 5 V při výstupu s konstantním proudem 5 A v reakci na napájecí vstup 8 V až 36 V. Specifikace vstupního výkonu musí být vyšší než výstupní výkon, což znamená, že kapacita příkonu vstupního zdroje musí být být vyšší než 5 V x 5 A = 25 W.

Pokud je tedy použit vstupní zdroj 36 V, měl by být vstupní proud vyšší než 25/36 = 0,7 A. Pokud je použito 8 V, pak může být vstupní proud vyšší než 25/8 = 3 A atd.

Interní obvody IC XL4015 se skládají ze základních prvků, jako je oscilátor a chybový zesilovač. Dobře vypočítaná a řízená frekvence oscilátoru 180 kHz je generována na pin3 (SW) pro napájení konfigurace externího měniče sestávajícího z diody, induktoru a kondenzátoru. To umožňuje fázi buck zpracovat vstupní napájení na přesný výstup 5 V, 5 A.

Pin2 (FB) funguje jako vstup pro zpětnou vazbu chybového zesilovače. Minimální vstup 1,25 V na tomto pinoutu stačí k zahájení procesu vypnutí IC.

Tento vývod lze vidět nakonfigurovaný s děličem potenciálu R1, R2, který zajišťuje, že výstupní napětí nikdy nemůže překročit rozsah 5 V, což pak způsobí, že se na FB pinu vyvine napětí vyšší než 1,25 V, které inicializuje proces vypnutí pro IC, čímž zabrání překročení úrovně 5 V.

To také znamená, že výstupní napětí lze upravit na jiné napěťové úrovně, například 12 V nebo 15 V, vhodnou změnou hodnot děliče zpětné vazby R1 / R2.

R1 / R2 lze také fixovat pomocí následujícího vzorce pro získání požadovaného výstupního napětí:

Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1)

Úprava aktuálního limitu

Jak je patrné ze schématu, modul XL4015 neobsahuje funkci omezující proud, která je zjevně hlavním omezením modulu.

Modul však obsahuje vypínací pinout FB, který lze konfigurovat pomocí externího zařízení obvod omezovače proudu , za provedení funkce. To by mohlo být implementováno, jak je uvedeno v následujícím diagramu:

RX lze vypočítat pomocí Ohmova zákona:

RX = 0,2 / proudový limit

Vzhledem k tomu, že dva tranzistory jsou zapojeny s velmi vysokým výstupním ziskem, měl by stačit potenciální rozdíl pouhých 0,2 V napříč RX, aby se spustil pin FB integrovaného obvodu a zahájila akce omezující proud.

Jakmile má proud tendenci překračovat požadovanou mez, způsobí to, že se na RX vyvine požadovaný minimální potenciál, což způsobí, že NPN bude chovat, což následně aktivuje PNP BJT. Akce dodává zamýšlený kladný stejnosměrný proud na kolíku FB a iniciuje vypnutí.

Když k tomu dojde, výstupní proud poklesne pod nastavenou mez, vypnutím BJT a obnovením dřívější podmínky, přičemž proud opět začne překračovat nastavenou mez zapnutím BJT. Cyklus se stále opakuje a zajišťuje, že proud vždy zůstává v nastaveném limitu.

S tímto uspořádáním je XL4015 vybaven velmi užitečnou funkcí nastavitelného omezení výstupního proudu.

Alternativní XL4015 (ekvivalentní obvod)

I když je modul XL4015 snadno dostupný ve většině internetových obchodů, IC není vyráběn renomovanými značkami a může být náchylný k zastarání kdykoli.

Proto je mnohem lepší volbou mít alternativní 5V nastavitelný obvod převodníku buck využívající diskrétní komponenty.

Následující diagram ukazuje velmi efektivní 5 V buck převodník využívající populární TL494 čip:

Výše uvedený příklad ukazuje jednoduchý, ale extrémně praktický, přesný 5 V buck převodník ekvivalentní pro XL4015.

Zde ukazuje aplikaci převodníku solárního invertoru, kterou lze použít pro jakýkoli jiný požadovaný účel převodníku DC na DC.

Použití TL494 zajišťuje, že design nebude snadno zastaralý a náhrada za IC bude snadno přístupná, kdykoli bude potřeba.

I zde zpětnovazební smyčka chybového zesilovače určuje výstupní proud nastavením sítě potenciálního děliče vybudované kolem R8 / R9.

Proud lze upravit vhodným vyladěním odporu R13.

R13 = 0,2 / maximální proudový limit

Další velkou výhodou použití výše diskrétně zabudovaného převodníku buck je úroveň výstupního proudu, která není omezena na 5 ampérů, ale mohla by být upgradována na mnohem vyšší úrovně jednoduše upgradováním tranzistorů, tloušťky vodičů induktoru a hodnoty odporu R13.