Modyfikacja konwertera Buck XL4015 z regulowanym ogranicznikiem prądu

W poście wyjaśniono prosty sposób ulepszenia konwertera buck XL4015 DC na DC za pomocą regulowanego ogranicznika prądu, którego wydaje się brakować w oryginalnym module.

O XL4015

XL4015 to konwerter DC / DC o stałej częstotliwości 180 kHz PWM (obniżający napięcie), specjalnie zaprojektowany do obsługi obciążenia 5 V, 5 A z dobrą wydajnością, minimalnymi tętnieniami i wyjątkową regulacją linii i obciążenia.

Zbudowany z bardzo niewielu dodatkowych części, moduł regulatora jest łatwy w obsłudze i składa się z wbudowanej kompensacji częstotliwości wraz z oscylatorem o stałej częstotliwości.

Obwód sterowania PWM ma regulowany współczynnik wypełnienia ze stałą prędkością od 0 do 100%. IC XL4015 posiada również wbudowaną funkcję zabezpieczenia nadprądowego.

W przypadku wykrycia zwarcia na wyjściu częstotliwość robocza jest natychmiast obniżana ze 180 kHz do 48 kHz, powodując natychmiastowy spadek napięcia i prądu wyjściowego.

Chip ma w pełni zintegrowany blok kompensacyjny, bez uzależnienia od jakichkolwiek komponentów zewnętrznych.

Główne cechy układu XL4015 IC

1. Szeroki zakres napięcia wejściowego od 8 V do 36 V.
2. Napięcie wyjściowe można regulować w zakresie od 1,25 V do 32 V.
3. Maksymalny cykl pracy może wynosić nawet 100%
4. Spadek wyjścia wynosi zaledwie 0,3 V.
5. Częstotliwość przełączania jest ustalona na 180 kHz
6. Prąd wyjściowy jest stały i wynosi 5A.
7. Wbudowane tranzystory MOSFET mocy zapewniają optymalizację wysokiego napięcia / prądu
8. Efektywność operacyjna jest imponująca i wynosi 96%
9. Regulacja linii i obciążenia jest wyjątkowo dobra
10. Układ scalony posiada wewnętrznie kontrolowaną funkcję wyłączania termicznego
11. Posiada również wbudowaną funkcję ograniczenia prądu
12. Nie trzeba dodawać, że chip zawiera również funkcję zabezpieczenia krótkiego wyjścia.

Poważna wada

Chociaż moduł XL4015 jest wyposażony w wiele doskonałych funkcji, które musi mieć konwerter buck, brakuje mu jednej głównej funkcji.

Moduł nie ma możliwości regulacji prądu wyjściowego do preferowanych poziomów, zgodnie ze specyfikacją obciążenia.

Więc jeśli chcesz naładuj baterię litowo-jonową z modułem XL4015, powiedzmy przy 2 amperach, nie będziesz w stanie tego zrobić z powodu wyżej wymienionej wady.

Podobnie, jeśli chcesz sterować diodą LED 3,3 V przy maksymalnym natężeniu prądu 3 A, również będziesz rozczarowany, ponieważ moduł jest oceniany na stały prąd 5 A.

Jak działa XL4015

Poniżej przedstawiono podstawowe działanie konwertera buck XL4015:

Obwód jest skonfigurowany do wytwarzania stałego napięcia 5 V przy stałym prądzie wyjściowym 5 A w odpowiedzi na napięcie wejściowe od 8 V do 36 V. Specyfikacje mocy wejściowej muszą być wyższe niż moc wyjściowa, co oznacza, że ​​moc wejściowa zasilacza musi być wyższe niż 5 V x 5 A = 25 W.

Dlatego jeśli używane jest zasilanie wejściowe 36 V, prąd wejściowy powinien być wyższy niż 25/36 = 0,7 A. Jeśli używane jest 8 V, prąd wejściowy może być wyższy niż 25/8 = 3 A i tak dalej.

Obwody wewnętrzne IC XL4015 składają się z podstawowych elementów, takich jak oscylator i wzmacniacz błędu. Dobrze obliczona i kontrolowana częstotliwość oscylatora 180 kHz jest generowana na pinie 3 (SW) w celu zasilania konfiguracji zewnętrznego przetwornika buck, składającego się z diody, cewki indukcyjnej i kondensatora. Dzięki temu stopień buck może przetwarzać zasilanie wejściowe na precyzyjne wyjście 5 V, 5 A.

Pin2 (FB) działa jako wejście dla sprzężenia zwrotnego wzmacniacza błędu. Minimalne napięcie wejściowe 1,25 V na tym wyprowadzeniu wystarcza, aby rozpocząć proces wyłączania układu scalonego.

To wyprowadzenie można zobaczyć skonfigurowane z dzielnikiem potencjału R1, R2, który zapewnia, że ​​napięcie wyjściowe nigdy nie przekroczy zakresu 5 V, co następnie powoduje powstanie napięcia wyższego niż 1,25 V na pinie FB inicjującym proces wyłączania dla układ scalony, zapobiegając w ten sposób przekroczeniu poziomu 5 V.

Oznacza to również, że napięcie wyjściowe można dostosować do innych poziomów napięcia, takich jak 12 V lub 15 V, odpowiednio zmieniając wartości dzielnika sprzężenia zwrotnego R1 / R2.

R1 / R2 można również ustalić za pomocą następującego wzoru, aby uzyskać pożądane napięcie wyjściowe:

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

Regulacja limitu prądu

Jak widać na schemacie, moduł XL4015 nie zawiera funkcji ograniczenia prądu, co najwyraźniej jest głównym ograniczeniem modułu.

Jednak moduł zawiera wyłącznik FB, który można skonfigurować z zewnętrznym obwód ogranicznika prądu za wykonanie tej funkcji. Można to zrealizować, jak pokazano na poniższym schemacie:

RX można obliczyć stosując prawo Ohma:

RX = 0,2 / ograniczenie prądu

Ponieważ oba tranzystory są połączone z wyjściem o bardzo dużym wzmocnieniu, różnica potencjałów wynosząca zaledwie 0,2 V na RX powinna wystarczyć do wyzwolenia styku FB układu scalonego i zainicjowania działania ograniczającego prąd.

Gdy tylko prąd ma tendencję do przekraczania pożądanego limitu, powoduje powstanie wymaganego minimalnego potencjału w RX, powodując przewodzenie NPN, co z kolei twardo wyzwala PNP BJT. Akcja dostarcza zamierzony dodatni DC na pinie FB, inicjując wyłączenie.

W takim przypadku prąd wyjściowy spada poniżej ustawionego limitu, wyłączając BJT i ​​przywracając wcześniejszy stan, w którym prąd ponownie zaczyna przekraczać ustawiony limit, włączając BJT. Cykl powtarza się, zapewniając, że prąd zawsze pozostaje w ustawionym limicie.

W takim układzie XL4015 zostaje wyposażony w bardzo przydatną regulowaną funkcję ograniczenia prądu wyjściowego.

Alternatywa XL4015 (obwód równoważny)

Chociaż moduł XL4015 jest łatwo dostępny w większości sklepów internetowych, układ scalony nie jest produkowany przez renomowane marki i może w każdej chwili stać się przestarzały.

Dlatego posiadanie alternatywnego regulowanego obwodu przetwornika buck 5 V, wykorzystującego elementy dyskretne, wydaje się znacznie lepszą opcją.

Poniższy schemat przedstawia bardzo wydajny konwerter buck 5 V wykorzystujący popularny TL494 żeton:

Powyższy przykład pokazuje prosty, ale niezwykle poręczny, precyzyjny konwerter buck 5 V dla XL4015.

Tutaj pokazuje aplikację konwertera buck z falownikiem słonecznym, którą można zaadaptować do dowolnego innego pożądanego celu konwertera DC na DC.

Zastosowanie TL494 zapewnia, że ​​projekt nie stanie się łatwo przestarzały, a zamiennik układu scalonego będzie łatwo dostępny, gdy zajdzie taka potrzeba.

Tutaj również pętla sprzężenia zwrotnego wzmacniacza błędu określa prąd wyjściowy, konfigurując sieć dzielnika potencjału zbudowaną wokół R8 / R9.

Prąd można regulować, odpowiednio dostosowując rezystor R13.

R13 = 0,2 / maksymalny limit prądu

Kolejną wielką zaletą zastosowania powyższego, dyskretnie zbudowanego przetwornika buck, jest poziom prądu wyjściowego, który nie jest ograniczony do 5 amperów, a raczej można go zwiększyć do znacznie wyższych poziomów, po prostu ulepszając tranzystory, grubość drutu cewki indukcyjnej i wartość rezystora R13.