انتقل إلى المحتوى

مشروع مصدر الطاقة (Buck) - LMR14050

LMR14050 هو رقاقة محول Buck من TI ، وهي تعمل بجهد إدخال واسع (4-40 فولت) وتوفر تيار إخراج مستمر بقوة 5 أمبير ، وتحتوي على وضع سكون لتحسين الكفاءة في الأحمال الخفيفة. يتميز بدمج داخلي عالي ، لذلك يتطلب عدد قليل جدًا من المكونات الخارجية في التصميم. يمكن اختيار تردد التبديل في نطاق 200 كيلوهرتز إلى 2.5 ميجاهرتز باستخدام مقاومة خارجية \(R_T\) ، ويمكن أيضًا مزامنته مع ساعة خارجية في نطاق تردد 250 كيلوهرتز إلى 2.3 ميجاهرتز. يتميز بوظائف الحماية بقطع الحرارة ، وحماية ضد زيادة الجهد \(V_{OUT}\) (OVP) ، وقفل الجهد الدنيا للجهد الداخلي \(V_{IN}\) (UVLO) ، وحماية القصر الدوري وحماية القصر ذات التردد المتكرر.

مستودع المشروع: Collection_of_Power_Module_Design/DC-DC(Buck)/LMR14050

معاينة المشروع عبر الإنترنت:

الميزات الرئيسية

  • الهيكل: DC/DC (Buck)
  • رقم الجهاز: LMR14050SDDA
  • التعبئة: HSOIC-8
  • الجهد الداخلي: 4-40 فولت
  • الجهد الخارجي: 0.8-28 فولت
  • التيار الخارجي: 5 أمبير مستمر
  • تردد العمل: 200 كيلوهرتز - 2.5 ميجاهرتز
  • السعر المرجعي: 11.3 يوان صيني
  • ميزات أخرى
    • تيار ثابت منخفض جدًا بقوة 40 ميكرو أمبير
    • تيار القطع: 1 ميكرو أمبير
    • مفتاح عالي المقاومة بقوة 90 مللي أوم
    • أقصر وقت توصيل: 75 نانوثانية
    • تحكم بواسطة التيار
    • حماية حرارية وحماية ضد زيادة الجهد وحماية ضد القصر الدوري

مخطط الوظائف الداخلية

تعريف الأطراف

  • BOOT: سعة التشغيل الذاتي للمفتاح العلوي. يتم توصيل سعة 0.1 ميكروفاراد بين BOOT و SW.
  • VIN: مدخل الطاقة ، يتم توصيله بعد مكثف الفصل \(C_{IN}\).
  • EN: مفتاح التمكين ، مع مقاومة داخلية للسحب. يمكن إيقاف الإخراج عند سحبه إلى أقل من 1.2 فولت خارجيًا ، ويمكن تمكين الإخراج عند تعليقه أو توصيله بـ \(V_{IN}\). يرجى الرجوع إلى الجزء التالي لضبط قفل الجهد الدنيا.
  • RT/SYNC: توقيت المقاومة أو إدخال الساعة الخارجية. عند استخدام مقاومة خارجية متصلة بالأرض لضبط تردد التبديل ، يحافظ المكبر الداخلي على هذا الطرف عند جهد ثابت. إذا تم سحب الطرف إلى قيمة أعلى من حدود الحلقة المتعددة الترددات ، فسيتم تغيير الوضع ويصبح الطرف إدخالًا متزامنًا. يتم تعطيل المكبر الداخلي ، ويصبح الطرف إدخال عالي المقاومة لمكبر الحلقة المتعددة الترددات الداخلي. إذا توقف حافة الساعة ، فسيتم تمكين المكبر الداخلي مرة أخرى ويعود الوضع التشغيلي إلى البرمجة الترددية التي تتم عبر المقاومة.؟
  • FB: مدخل التغذية المرتدة ، يتم توصيله بتقسيم الجهد من \(V_{OUT}\) باستخدام مقاومة ، ولا يمكن توصيله مباشرة إلى الأرض.
  • SS: مدخل تحكم التشغيل التدريجي ، يتم توصيله بمكثف لضبط وقت التشغيل التدريجي.
  • SW: مخرج المفتاح الثابت ، يتم توصيله بالمفتاح العلوي الداخلي. يتم توصيله بملف الطاقة.

وصف الميزات

مبدأ التثبيت

LMR14050 يتم ضبط الجهد الناتج عن طريق تشغيل N-MOS على الجانب العالي والتحكم في وقت التوصيل. خلال فترة توصيل N-MOS على الجانب العالي ، يتم تأرجح جهد دبوس SW إلى حوالي \(V_{IN}\) ، وتزداد تيار الملف اللولبي iL بمعدل مائل (\(V_{IN}\) - \(V_{OUT}\)) / L ؛ عند إغلاق N-MOS على الجانب العالي ، يتم تفريغ تيار الملف اللولبي بمعدل مائل \(V_{OUT}\) / L عبر الثنائي الانتقالي المستمر. يتم تحديد معلمات التحكم في مثبت الجهد بواسطة نسبة العمل D = \(t_{ON}\) / T{SW} حيث \(t*{ON}\) هو وقت توصيل المفتاح العالي و T هو فترة التبديل. يتم الحفاظ على الجهد الناتج ثابتًا من خلال ضبط نسبة العمل D في حلقة التحكم لمثبت الجهد. في محول الخفض الافتراضي المثالي ، يتم تجاهل الخسائر ، ويكون D متناسبًا مع الجهد الناتج وعكسيًا مع الجهد الداخلي: D = \(V*{OUT}\) / \(V_{IN}\).

علاقة جهد SW وتيار الملف اللولبي في وضع التوصيل المستمر (CCM):

وضع السكون

يتم دخول وضع السكون في حالة الحمل الخفيف لزيادة الكفاءة وتقليل خسارة تشغيل البوابة (عن طريق تقليل التبديل). إذا كان القيمة القصوى للتيار الناتج أقل من 300 مللي أمبير ، فسيتم تنشيط وضع السكون.

تصميم دائرة البدء الذاتي (BOOT)

يتم دمج محول الجهد الذاتي داخل LMR14050 ، ويمكن توفير جهد كافٍ لتشغيل بوابة MOS العلوية من خلال توصيل سعة بدء ذاتي بين دبوسي BOOT و SW. قيمة السعة المرجعية للبدء الذاتي هي 0.1 ميكروفاراد (سعة سيراميك X7R أو X5R ، الجهد الكهربائي المقاوم للأقل 16 فولت).

تعديل الجهد الناتج

يوفر LMR14050 جهد مرجع داخلي بقيمة 0.75 فولت. يتم تقسيم الجهد الناتج من \(V_{OUT}\) إلى دبوس FB من خلال مقاومة الجهد المنخفض ، ويتم ضبطه داخليًا من خلال المقارنة. يوصى باستخدام مقاومة الجهد المنخفض بانحراف 1٪ أو أقل ومعامل درجة الحرارة 100 جزء في المليون أو أقل. يتم اختيار مقاومة الجهد المنخفض \(R_{FBB}\) (القيمة المرجعية هي 10-100 كيلو أوم) بناءً على تيار الجهد المطلوب للتقسيم ، ويتم حساب مقاومة الجهد العالي \(R_{FBT}\) من خلال الصيغة. يعمل استخدام قيمة مقاومة أعلى على تحسين كفاءة الحمل الخفيف ، ولكن إذا كانت كبيرة جدًا ، فسيكون المثبت الجهد أكثر عرضة للتأثر بضوضاء تيار إدخال FB وأخطاء الجهد.

\[ R_{FBT}=\frac{V_{OUT}-0.75}{0.75}R_{FBB} \]

تعديل تمكين وقف الجهد المنخفض

عندما يكون \(V_{IN}\) أعلى من 3.7 فولت و EN أعلى من عتبة 1.2 فولت ، يتم تشغيل LMR14050 وعندما ينخفض \(V_{IN}\) إلى أقل من 3.52 فولت أو ينخفض EN أقل من 1.2 فولت ، يتم إيقاف تشغيل المثبت الجهد. يحتوي EN على مصدر تيار داخلي للسحب (1 ميكرو أمبير) لضمان الإخراج العادي للمثبت الجهد عندما يكون دبوس EN معلقًا.

يمكن ضبط عتبة التشغيل وإيقاف التشغيل عن طريق مقاومة التوصيل والسحب الخارجية لـ EN كما هو موضح:

تتبع \(R_{ENT}\) و \(R_{ENB}\) المعادلات التالية:

\[ R_{ENT}=\frac{V_{STRAT}-V_{STOP}}{I_{HYS}} \]

$$

R_{ENB}=\frac{V_{EN}}{\frac{V_{START}-V_{EN}}{R_{ENT}}+I_{EN}} $$

حيث \(V_{STRAT}\) هو عتبة الجهد المطلوبة للتشغيل ، و \(V_{STOP}\) هو عتبة الجهد المطلوبة للإيقاف بسبب الجهد المنخفض ، و \(I_{HYS}\) هو التيار المتأخر القادم من EN عندما يتجاوز الجهد EN 1.2 فولت (القيمة النموذجية هي 3.6 ميكرو أمبير).

التشغيل الخارجي للتشغيل الناعم

يستخدم التشغيل الناعم لمقاومة تيار الاندفاع العابر عند تشغيل المثبت الجهد والحمل ، ويمكن تكوينه عن طريق توصيل سعة بين دبوسي SS و GND. يوجد مصدر تيار داخلي \(I_{SS}\) (القيمة النموذجية هي 3 ميكرو أمبير) لشحن السعة وتوليد ميل من 0 فولت إلى \(V_{REF}\). يمكن تكوين وقت التشغيل الناعم باستخدام المعادلة التالية:

\(t_{SS}(ms)=\frac{C_{SS}(nF)*V_{REF}(V)}{I_{SS}(uA)}\)

سيتم إعادة تعيين التشغيل الناعم عند تعطيل المثبت الجهد أو الإغلاق الداخلي.

تردد التبديل والتزامن (RT/SYNC) الخارجي

يمكن برمجة تردد تبديل LMR14050 عن طريق مقاومة \(R_T\) المتصلة بين RT/SYNC و GND. يجب ألا يترك طرف RT/SYNC عائمًا أو يتصل بالأرض، ويتم تحديد قيمة المقاومة وفقًا للمعادلة أو الرسم البياني التالي:

\[ R_T(kΩ)=32537*f_{SW}^{-1.045}(kHz) \]

يمكن أيضًا مزامنة عملية تبديل LMR14050 باستخدام إشارة مدخل ساعة خارجية (250kHz-2.3MHz):

سيتم مزامنة المذبذب الداخلي مع الحافة الهابطة للساعة الخارجية. يُوصى بأن يكون مستوى الجهد العالي للساعة الخارجية لا يقل عن 1.7 فولت وأن يكون المستوى المنخفض للجهد لا يتجاوز 0.5 فولت، ويجب أن يكون عرض النبضة الأدنى لا يقل عن 30 نانوثانية. إذا تم توصيل مصدر إشارة ذو مقاومة داخلية منخفضة، فيجب توصيل مقاومة تعيين التردد \(R_T\) متوازية مع مقاومة الاقتران المترابطة المترابطة AC \(C_{COUP}\) (يمكن أن تكون سعة سيراميك 10pF) وتوصيلها بمقاومة النهاية \(R_{TERM}\) (مثل 50Ω) لتحقيق تطابق ممتاز للمقاومة.

حماية ضد التيار الزائد والقصر الكهربائي

يحد من LMR14050 التيار الذروي لصمام MOS الجانب العالي بشكل دوري لمنع حدوث حالات التيار الزائد. يتم مقارنة تيار الصمام العالي بتيار الخطأ المكبر (EA) بعد خصم التعويض المائل في كل دورة تبديل. يتم تحديد تيار الذروة للصمام العالي بواسطة حد أقصى ثابت لتيار الذروة المشدود. وبالتالي، لا يتأثر تحديد تيار الذروة للصمام العالي بالتعويض المائل ويظل ثابتًا عبر نطاق نسبة العمل بأكمله.

حماية ضد الجهد الزائد

يحتوي LMR14050 على دائرة حماية ضد الجهد الزائد على الإخراج (OVP) لتقليل الزيادة الزائدة في الجهد. يتم إيقاف صمام MOS الجانب العالي عندما يصل جهد FB إلى عتبة OVP الصاعدة (109% من VREF)؛ ويستعيد صمام MOS الجانب العالي عمله الطبيعي عندما ينخفض الجهد إلى عتبة OVP الهابطة (107% من VREF).

حماية ضد الإغلاق الحراري

يحتوي LMR14050 على وظيفة حماية الإغلاق الحراري الداخلية. يتم إيقاف صمام MOS الجانب العالي عندما يتجاوز درجة حرارة الوصل 170 درجة مئوية، ويتم استئناف عمل صمام MOS الجانب العالي عندما ينخفض درجة حرارة الشريحة إلى أقل من 158 درجة مئوية.

تصميم مرجعي

معلمات التصميم:

  • جهد الإدخال \(V_{IN}\): 7-36 فولت، قيمة نموذجية 12 فولت
  • جهد الإخراج \(V_{OUT}\): 5 فولت
  • تيار الإخراج الأقصى \(I_{O\_MAX}\): 5 أمبير
  • استجابة الانتقال (0.5-5 أمبير): 5%
  • تموج الجهد على الإخراج: 50 ملليفولت
  • تموج الجهد على الإدخال: 400 ملليفولت
  • تردد التبديل \(f_{SW}\): 300 كيلوهرتز
  • وقت التشغيل التدريجي: 5 مللي ثانية

إعداد الجهد الإخراجي

وفقًا للمعادلة أعلاه، إذا كنا بحاجة إلى جهد إخراجي يبلغ 5 فولت، فيمكن اختيار \(R_{FBT}\) كـ 100 كيلوأوم و \(R_{FBB}\) كـ 17.4 كيلوأوم (قيمة تقريبية لـ 17.65 كيلوأوم بعد التوازن والمعايرة).

إذا كنا بحاجة إلى جهد إخراجي يبلغ 12 فولت، فيمكن اختيار \(R_{FBT}\) كـ 100 كيلوأوم و \(R_{FBB}\) كـ 6.34 كيلوأوم (قيمة تقريبية لـ 6.666 كيلوأوم بعد التوازن والمعايرة).

إعداد تردد التبديل

نحن نختار تردد تبديل 300 كيلوهرتز، ووفقًا للمعادلة أعلاه، يتم اختيار \(R_T\) بقيمة 84.5 كيلوأوم (قيمة تقريبية لـ 83.9 كيلوأوم).

اختيار ملف الإخراج

في محول DC-DC، تعتبر قيمة الملف وتيار التشبع وتيار RMS أهم المعلمات. يتم اختيار قيمة الملف بناءً على تيار التموج الذروة-ذروة المطلوب \(Δi_L\) . نظرًا لزيادة تيار التموج مع زيادة جهد الإدخال، يتم استخدام أقصى جهد إدخال لحساب القيمة الدنيا للملف \(L_{MIN}\) . يمكن حساب الحد الأدنى لقيمة الملف الخارجي بواسطة المعادلة التالية:

\[ Δi_L=\frac{V_{OUT}*(V_{IN\_MAX}-V_{OUT})}{V_{IN\_MAX}*L*f_{SW}} \]
\[ L_{MIN}=\frac{V_{IN\_MAX}-V_{OUT}}{I_{OUT}*K_{IND}}*\frac{V_{OUT}}{V_{IN\_MAX}*f_{SW}} \]

الترجمة:

في هذا السياق، يُمثل \(K_{IND}\) معامل تيار التموج في الملف اللولبي بالنسبة لأقصى تيار إخراج، والقيمة المناسبة يجب أن تكون بين 20% و 40%. خلال فترة حدوث حالات القصر اللحظي أو زيادة التيار، قد يكون لتيار التموج الفعال وتيار الملف اللولبي الذروي قيم عالية. يجب أن تكون قيمة تيار الملف اللولبي الاسمية أعلى من حد التيار.

عمومًا، كلما كانت قيمة الملف اللولبي أقل، كان ذلك أفضل، لأنه عادةً ما يؤدي إلى استجابة عابرة أسرع ومقاومة تيار التوصيل العابرة (DCR) وحجم أصغر. ومع ذلك، قيم الملف اللولبي منخفضة جدًا قد تؤدي إلى تيار تموج في الملف اللولبي أكبر، مما قد يؤدي إلى تنشيط حماية زيادة التيار عند الحمولة الكاملة بشكل خاطئ. بسبب تيار RMS الأعلى، سيتسبب أيضًا في المزيد من الخسائر التوصيلية. وتعني قيمة تيار تموج الملف اللولبي الأعلى أيضًا وجود تموج أعلى في الجهد الناتج. بالنسبة للتحكم بتيار الذروة، لا يُوصى بأن يكون تيار تموج الملف اللولبي صغيرًا جدًا، حيث يمكن أن يساهم تيار الذروة الأعلى في تحسين نسبة إشارة إلى ضوضاء المقارنة.

في التصميم المرجعي، يتم اختيار قيمة \(K_{IND}\) بقيمة 0.4، لذا يتم حساب أصغر قيمة للملف اللولبي بواقع 7.17uH، والقيمة المقربة هي 8.2uH. يمكن استخدام ملف لولبي من أكسيد الحديد بسعة 8.2 μH وتيار RMS 7A وتيار تشبع 10A.

اختيار سعة الإخراج

يؤثر اختيار سعة الإخراج \(C_{OUT}\) مباشرة على تموج الجهد الثابت، واستقرارية الحلقة، والتراجع الزائد والتراجع الدنيا أثناء تغير التيار الحمولة. يتكون تموج الجهد الثابت في الأساس من جزئين. الأول هو الجزء الناتج عن تيار التموج في الملف اللولبي والذي يسببه المقاومة المتسلسلة المكافئة لسعة الإخراج:

\[ ΔV_{OUT\_ESR}=Δi_L*ESR=K_{IND}*I_{OUT}*ESR \]

الثاني هو الجزء الناتج عن شحن وتفريغ سعة الإخراج بفعل تيار التموج في الملف اللولبي:

\[ ΔV_{OUT\_C}=\frac{Δi_L}{8*f_{SW}*C_{OUT}}=\frac{K_{IND}*I_{OUT}}{8*f_{SW}*C_{OUT}} \]

هذين التموجين الجهدين ليسا في نفس الطور، لذا فإن التموج الذروي-الذروي الفعلي سيكون أقل من مجموعهما.

إذا كان النظام يتطلب تنظيم جهد صارم (مع تغيرات كبيرة في التيار ومعدل انتقال سريع)، فإن سعة الإخراج ستكون مقيدة بمواصفات الأداء العابر. عند حدوث زيادة كبيرة في الحمولة بسرعة، يمكن لسعة الإخراج توفير الشحنة المطلوبة قبل ارتفاع تيار الملف اللولبي إلى مستوى مناسب. عادةً ما يحتاج الحلقة التحكم في المنظم إلى ثلاثة فترات ساعة على الأقل للرد على انخفاض الجهد الناتج. يجب أن تكون سعة الإخراج كبيرة بما يكفي لتوفير فرق التيار لثلاث فترات ساعة للحفاظ على الجهد الناتج ضمن النطاق المحدد.

عندما ينخفض التحميل بشكل كبير فجأة، ستستهلك سعة الإخراج الطاقة المخزنة في الملف اللولبي. لا يمكن للثنائي أن يمرر التيار، لذا فإن الطاقة الكهربائية في الملف اللولبي ستؤدي إلى زيادة الجهد الناتج. يمكن حساب سعة الإخراج الدنيا المطلوبة للحفاظ على التراجع ضمن النطاق المحدد بالمعادلة التالية:

\(C_{OUT}>\frac{3*(I_{OH}-I_{OL})}{f_{SW}*V_{US}}\)

يمكن حساب أصغر سعة مطلوبة للحفاظ على الزيادة ضمن النطاق المحدد بالمعادلة التالية:

\(C_{OUT}>\frac{I_{OH}^2-I_{OL}^2}{(V_{OUT}+V_{OS})^2-V_{OUT}^2}*L\)

حيث:

  • \(K_{IND}\) هو نسبة تموج تيار الملف اللولبي (\(Δi_L/I_{OUT}\))
  • \(I_{OL}\) هو تيار الإخراج عند المستوى المنخفض خلال فترة التحول العابرة
  • \(I_{OH}\) هو تيار الإخراج عند المستوى العالي خلال فترة التحول العابرة
  • \(V_{US}\) هو الزيادة في الجهد الناتج المستهدفة
  • \(V_{OS}\) هو الزيادة في الجهد الناتج المستهدفة

في التصميم المرجعي، يتم تحديد تموج الجهد المستهدف بقيمة 50mV. نفترض أن \(ΔV_{OUT\_ESR}=ΔV_{OUT\_C}=50mV\)، ويتم اختيار قيمة \(K_{IND}\) بقيمة 0.4، ولا يتجاوز \(ESR\) قيمة 25mΩ، ويجب أن تكون سعة الإخراج \(C_{OUT}\) لا تقل عن 16.7 μF، ويتم تحديد نطاق الزيادة والتراجع في التصميم المرجعي بقيمة \(V_{US}=V_{OS}=5%*V_{OUT}=250mV\)، لذا يتم حساب سعة \(C_{OUT}\) بقيمة لا تقل عن 180uF و 79.2uF على التوالي، لذا يتم اختيار المعيار الأكثر صرامة وهو 180

الاختيار العنصري للمكثفات الكبيرة

يوفر المكثف الكبير السعة تخميدًا لذروة الجهد ، والقيمة المرجعية هي 47uF أو 100uF مكثف كهربائي.

الاختيار العنصري لمكثف التمهيد

يحتاج LMR14050 إلى مكثف تمهيد (BOOT) ، كما ذكر في النص السابق ، والقيمة المرجعية لمكثف التمهيد هي 0.1uF (مكثف سيراميك X7R أو X5R ، الجهد المقاوم للتحمل على الأقل 16V).

الاختيار العنصري لمكثف التشغيل التدريجي

وفقًا للصيغة المذكورة في النص السابق ، إذا تم تعيين وقت التشغيل التدريجي على 5 مللي ثانية ، يمكن الحصول على مكثف التشغيل التدريجي بسعة 22 nF (قيمة حسابية قريبة من 20nF).

المرجعية للتخطيط

اقتراحات التخطيط لتقليل التشويش الكهرومغناطيسي (EMI):

  1. يجب أن تكون شبكة التغذية العكسية والمقاومة \(R_{FBT}\) و \(R_{FBB}\) قريبة قدر الإمكان من دبوس FB. يجب أن يكون مسار عينة \(V_{OUT}\) بعيدًا عن مسارات إنتاج الضوضاء ، ويفضل أن يكون على الجانب الآخر من طبقة الحماية.
  2. يجب وضع المكثف التوصيلي للمدخل بقدر الإمكان بالقرب من \(V_{IN}\) و GND.
  3. يجب وضع الملف الكهربائي بالقرب من دبوس SW لتقليل الضوضاء المغناطيسية والضوضاء الساكنة.
  4. يجب وضع مكثف الإخراج \(C_{OUT}\) بالقرب من نقطة التقاء الملف الكهربائي والثنائي ، ويجب أن يكون طول الأسلاك قصيرًا قدر الإمكان لتقليل الضوضاء التوصيلية والإشعاعية وزيادة الكفاءة.
  5. يجب أن يكون توصيل الثنائي و \(C_{IN}\) و \(C_{OUT}\) بالأرضية أقل قدر الإمكان ، ويجب أن يتم توصيلها في نقطة واحدة فقط (مثاليًا في نقطة توصيل \(C_{OUT}\) بالأرضية) لتقليل الضوضاء التوصيلية في طبقة الأرضية للنظام.

الاختبار الفعلي

مع إدخال 24 فولت ، وإخراج محمل بقدرة 5 فولت / 5 أمبير ، تم الحصول على إخراج فعلي بقيمة 4.95 فولت / 5.00 أمبير ، وتمثل التذبذبات 15 مللي فولت ، ودرجة الحرارة 110 درجة مئوية.

المراجع والشكر

عنوان النص: https://wiki-power.com/ يتم حماية هذا المقال بموجب اتفاقية CC BY-NC-SA 4.0، يُرجى ذكر المصدر عند إعادة النشر.

تمت ترجمة هذه المشاركة باستخدام ChatGPT، يرجى تزويدنا بتعليقاتكم إذا كانت هناك أي حذف أو إهمال.