Понижающий DC/DC преобразователь 12/5В, 1А на микросхеме CS5151 (с внешним n-канальным MOSFET) или «делаем step-down из старой материнской платы»

Представленная ниже схема понижающего (step-down) преобразователя использует микросхему CS5151, выпаянную из старой материнки от P-166 (материнка MSI, модель не знаю).

В отличии от 34063 не рассчитанной на управление полевиками, микросхема CS5151 — это низковольтный ШИМ-контроллер, который специально предназначен для построения понижающих преобразователей по топологии buck с внешними n-канальными полевыми транзисторами MOSFET, в результате чего отпадает необходимость использования дополнительной микросхемы-драйвера, как мы это делали в преобразователе на микросхеме 34063.

Ещё одной особенностью данной микрухи является то, что у неё фиксирована не частота, а время выключенного состояния выхода (короче, время, в течении которого транзистор закрыт). Время импульса (и, соответственно, частота) меняется в зависимости от нагрузки. Частота может меняться от 950 кГц до 10 кГц (может и больше, но в моих тестах менялась в таком диапазоне).

Кроме того, микросхема имеет четырехразрядный ЦАП, который позволяет, изменяя комбинацию уровней сигналов на входах VID0..VID3, регулировать опорное напряжение от 1,244 до 3,54 В, что, в свою очередь, делает возможным создать с помощью этой миросхемы преобразователь напряжения с дискретно регулируемым выходом (чем шире будет диапазон — тем больше шаг, чем уже диапазон — тем меньше шаг). Для построения преобразователя с регулируемым выходом можно просто подцепить к ногам VID0..VID3 микроконтроллер и помощью него менять на этих ногах уровни сигналов.

Для полного открытия n-канального полевика используется схема бустерной накачки напряжения (с диодом и конденсатором), выход которой подают на специальный вывод VCC2.

В отличие от микросхемы SC1101 специальных выводов для организации токовой защиты у CS5151 нет.

Питать микросхему можно прямо от 12 вольт, но вот напряжение на входах VID0…VID3, VFB и некоторых других не должно превышать 6 Вольт.

По даташиту, напряжение, подаваемое на вывод VCC2, может быть максимум 16 Вольт. Однако, в ходе экспериментов выяснилось, что даже напряжение на этом выводе равное 20В абсолютно никак не отражается на работоспособности этой микросхемы.

Итак, собственно, схема (вариант с фиксированным выходным напряжением):

Схема понижающего преобразователя напряжения 12/5В на CS5151

Элементы:

С1,С3,С5,С6,С8 — керамические конденсаторы 0,1 мкФ

С2 — электролитический конденсатор 220 мкФ х 25 В

С4 — электролитический конденсатор 470 мкФ х 25 В

С7 — 330 пФ, С9 — керамика 0,33 мкФ, С10 — 100 пФ.

R1 — резистор 5..20 Ом. Этот резистор ставят для того, чтобы ограничить ток заряда/разряда затвора в момент переключения полевика. У затвора как известно есть ёмкость и если не будет токоограничивающего резистора, то получится, что в момент выключения мы закорачиваем заряженную ёмкость напрямую на землю, а в момент включения закорачиваем разряженную ёмкость напрямую к питанию. Возникающие при этом большие импульсные токи могут спалить полевик. С другой стороны — увеличение сопротивления этого резистора ведёт к тому, что фронты напряжения на полевике становятся менее крутыми, что ведёт к увеличению нагрева полевика. В оригинале стоит 10 Ом.

R2, R3 — делитель напряжения. Этим делителем устанавливается выходное напряжение. Опорное напряжение компаратора ошибки для нашего случая (когда VID0…VID3 подключены к +5В) равно 1,244 Вольт. Исходя из этого, можно получить формулу для расчёта выходного напряжения в зависимости от сопротивлений делителя: Vout=1,244*(1+R2/R3). В нашем случае, для выхода 5В, имеем: R2=20 кОм, R3=6,624 кОм (я взял резистор на 6,64 кОм ), R4 — 3,3 кОм.

D1 — диод Шоттки 1N5819, D2 — диод Шоттки MOSPEC S10S40C. T1 — полевой транзистор 60N03S.

Диод Шоттки D2 и полевой транзистор были выпаяны прямо с материнской платы (они в корпусах D-pack и с ними контрукция получается более плоской).

L1 — катушка, индуктивностью пару-тройку мкГн. Подойдут катушки с материнских плат (толстым проводом несколько витков на кольце). Лучше взять несколько штук и протестировать с какой будет лучше работать на максимальной нагрузке (с какой будет меньше всего греться, меньше помех и т.д.). Практика показывает, что лучше брать катушку, намотанную не одним проводом, а несколькими.

Полученный преобразователь при входном напряжении от 7 до 16 Вольт выдаёт на выход стабильные 5 Вольт. Испытания проводились для максимальной нагрузки чуть больше 1 Ампера. Можно пересчитать резисторы делителя на любое другое выходное напряжение (конечно же оно должно быть меньше входного). При входном напряжении менее 6 вольт из схемы можно смело выкинуть LM-ку.

Готовое устройство:

Фото понижающего преобразователя напряжения 12/5 В на CS5151

Электролитические конденсаторы припаяны с обратной стороны и загнуты к плате.

Керамики между питанием и землёй я бы посоветовал разной и побольше.

Скачать печатную плату (DipTrace 2.0)

Можно, кстати говоря, вообще не изготавливать плату самому, а просто выпилить нужный кусок материнской платы ножовкой и немножко модифицировать. Такой способ имеет ряд преимуществ (помимо того, что отпадает необходимость изготавливать плату), таких как: минимальный размер (кустарно сделать разводку меньше заводской вряд ли получится) и исключительно хороший теплоотвод (в силу того, что материнская плата многослойная и специально рассчитана для хорошего теплоотвода). В данном случае была сделана своя разводка, т.к. вырезанная из материнки плата получилась бы ну очень не прямоугольной и вообще некрасивой.

Добавить комментарий