Здесь представлена схема повышающего преобразователя напряжения dc-dc с использованием инвертирующего чипа XLSEMI TO263-5L XL6019. Выходное напряжение мобильных зарядных устройств и блоков питания USB Type-C фиксировано и составляет 5 В. Небольшая эффективная схема повышающего преобразователя может преобразовать их в источник питания 12 В. 12 В — один из наиболее часто используемых уровней напряжения для питания электронных устройств. Другие выходные напряжения можно получить, просто изменив номиналы двух резисторов обратной связи.
Схема повышающего преобразователя напряжения
В этой статье представлена схема, для решения именно такой задачи, схема собрана на базе микросхемы XLSEMI TO263-5L XL6019. Диапазон ее входного напряжения составляет от 5 В до 40 В, а частота переключения фиксирована на уровне 180 кГц, поэтому уровень входного напряжения может быть выше (например, 9 В). Максимальный ток переключения микросхемы составляет 5 А при температуре 25 градусов Цельсия. Многооборотный потенциометр позволяет точно установить выходное напряжение 12,0 В. Внутренний NMOS чипа уменьшает размер печатной платы, сложность и уровень электромагнитных помех (RdsON: 110mR, 25 градусов C). Микросхема обеспечивает превосходные показатели регулирования линии/нагрузки и имеет внутреннюю схему плавного пуска.
Проектирование печатной платы преобразователя
Схема и печатная плата были разработаны с помощью программы проектирования Altium Designer 24. Собранная плата была протестирована на стабильность выходного напряжения, тепловую нагрузку и выходной шум. При этом использовалась нагрузка постоянного тока Siglent SDL1020X-E, тепловизионной камеры VEVOR SC240M и осциллографа Siglent SDS1104X-E. Компоновка печатной платы преобразователя соответствует нескольким правилам проектирования, таким как реализация силовых плоскостей, сшивание переходных отверстий и низкий импеданс тракта заземления. Входной разъем представляет собой USB Type-C с током 5 А, что делает плату удобной для современных портативных конструкций.
Анализ цепей
Ниже показана принципиальная схема повышающего преобразователя напряжения. Сердцем устройства является микросхема XL6019.
Принципиальная схема повышающего преобразователя постоянного тока с использованием XL6019
Согласно паспорту XL6019′; «Регулятор XL6019 представляет собой схему повышающего преобразователя напряжения DC/DC с широким входным диапазоном, способный генерировать как положительное, так и отрицательное выходное напряжение. Его можно настроить как повышающий, обратноходовой, SEPIC или инвертирующий преобразователь. Встроенный N-канальный силовой МОП-транзистор XL6019 и генератор фиксированной частоты, архитектура токового режима обеспечивают стабильную работу в широком диапазоне питающих и выходных напряжений. Регулятор XL6019 — это специальная конструкция для портативного электронного оборудования».
USB — это 6-контактный разъем USB4125 Type-C, способный выдерживать силу тока до 5 А. На рисунке ниже, показан такой разъем.
Особенности схемы преобразователя DC/DC
Цепочка сопротивлений R2 и R3 представляют собой понижающие резисторы 5,1 кОм, указывающие на то, что разъем находится на стороне сильноточной нагрузки. Существуют разные мнения по поводу подключения экрана USB Type-C. Как правило, экран разъема USB (внешнее кольцо кабеля) не должен заземляться в целях защиты от электромагнитных помех, но некоторые эксперты утверждают, что с USB Type-C все по-другому. Дайте нам знать ваше мнение в комментариях. В этой схеме экран подключен к земле.
D1 — небольшой светодиод диаметром 2 мм, для индикации входного соединения 5 В. R1 ограничивает ток светодиода. C4 и C5 — входные конденсаторы для стабилизации импульсного стабилизатора от бросков тока и входного шума. С5 должен быть установлен как можно ближе к входному выводу микросхемы контроллера. L1 — дроссель 47 мкГн, а D2 — диод Шоттки MBRD835LG, два основных элемента повышающего преобразователя.
Низкое прямое напряжение D2 делает его пригодным для таких применений, как следует из его технических данных: «Этот импульсный выпрямитель мощности, использующий принцип барьера Шоттки с запатентованным барьерным металлом, предназначен для использования в качестве выходных выпрямителей, диодов свободного хода, защиты и управления в импульсных источниках питания, инверторах и других индуктивных коммутационных схемах».
R4 и R5 — резисторы обратной связи, а R6 — многооборотный потенциометр для точной настройки выходного напряжения. При таких значениях резисторов выходное напряжение можно зафиксировать на уровне 12 В, других выходных напряжений можно добиться путем изменения R4 и R5, но необходимо пересмотреть номинальное напряжение выходных конденсаторов (C1, C2 и C3). C1…C3 — выходные конденсаторы для стабилизации выходного сигнала и снижения шума.
Компоновка печатной платы
На рисунке ниже, показана разводка печатной платы преобразователя. Это двухслойная «печатка», все компоненты SMD. С5 припаян с обратной стороны печатной платы, как можно ближе к выводу VIN.
Схема печатной платы повышающего преобразователя постоянного тока
При проектировании разводки печатной платы для такого преобразователя всегда необходимо использовать медные шины вместо дорожек для соединения сильноточных цепей печатных плат. Низкий импеданс контура заземления и конструкция без контура заземления (контуры должны быть как можно меньше) — это еще два важных правила проектирования. Вывод заземления входных/выходных развязывающих конденсаторов должен находить кратчайший путь к заземлению, вот почему несколько переходных отверстий окружают выводы заземления. Контакты защитного экрана USB-разъема были подключены к земле (сообщите нам ваше мнение). На рисунке ниже показан сборочный чертеж печатной платы.
Сборочные чертежи повышающего преобразователя постоянного тока в постоянный
Схема повышающего преобразователя напряжения -сборка и испытание
На рисунке ниже показана собранная печатная плата. Особых проблем с пайкой компонентов возникнуть не должно, но все же, паять контроллер, дроссель, разъем USB и диод Шоттки проще с помощью паяльной станции.
Собранная печатная плата повышающего преобразователя постоянного тока в постоянный
Плата повышающего преобразователя была протестирована на выходной шум, стабильность напряжения (регулировка нагрузки, 0,7 А) и тепловую нагрузку компонентов (нагрузка 0,7 А) при питании от мобильного зарядного устройства USB Type-C. В ходе теста внутренний предел тока мобильного зарядного устройства ограничил выходной ток до 700 мА.