Синхронный понижающий DC/DC преобразователь 12/5В(9,5В) 3А на микросхеме HIP6004 (с внешними n-канальными полевыми транзисторами) или «делаем step-down в автомобиль из старой материнской платы»

Представляю вашему вниманию ещё одну схему понижающего (step-down) преобразователя, в данном случае синхронного, построенного на основе микросхемы HIP6004, выпаянной из старой материнской платы.

Итак, микросхема HIP6004 — это низковольтный ШИМ-контроллер, который предназначен для построения синхронных понижающих преобразователей по топологии buck с внешними n-канальными полевыми транзисторами MOSFET.

Эта микруха — идеальное решение для построения понижающих преобразователей в автомобиль, поскольку специально заточена на работу от 12 Вольт (запускается минимум от +9,7В, максимальное питание по даташиту +15В).

Для полного открытия n-канальных полевиков используется стандартная схема бустерной накачки (с диодом и конденсатором), напряжение с которой подают на специальный вывод BOOT.

Кроме того, HIP6004 имеет пятиразрядный ЦАП, который позволяет, изменяя комбинацию уровней сигналов на входах VID0..VID4, регулировать опорное напряжение от 1,3 до 2,05 В с шагом 0,05В, или от 2 до 3,5В с шагом 0,1В, что, в свою очередь, делает возможным создать с помощью этой микросхемы 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..VID4 микроконтроллер и, меняя с его помощью уровни сигналов на этих ногах, менять опорное напряжение и, соответственно, выходное напряжение преобразователя.

Ещё одной особенностью данной микросхемы является наличие "мягкого" старта, который позволяет сначала небольшими импульсами зарядить выходные конденсаторы, а потом уже переходит непосредственно к регулированию выходного напряжения.

Рабочая частота этого ШИМ-контроллера может быть перенастроена в очень широких пределах (от 50 кГц до более 1МГц). Это делается установкой подтягивающего резистора к специальному выводу RT. Когда вывод RT висит в воздухе — рабочая частота 200 кГц. Если вывод подтянут через резистор к земле, то частота увеличивается в зависимости от номинала подтягивающего резистора. Если RT подтянут к питанию, то частота уменьшается. Формулы смотрите в даташите.

Какие ещё есть вкусности у этой микрухи? Ну, есть выход POWER GOOD, есть схема ограничения пикового тока. Короче, микруха умная и интересная.

Схема (вариант с фиксированным выходным напряжением):

Схема синхронного понижающего преобразователя напряжения на HIP6004

В чём отличие синхронного buck-конвертера от несинхронного? Всё очень просто. В обычном конвертере с земли на PHASE стоит диод Шоттки, который открывается при закрытии верхнего транзистора. Так вот, чтобы сократить потери мощности, в синхронном преобразователе вместо этого диода ставят ещё один полевой транзистор (диод всё равно нужен, но в современных полевиках обычно есть встроенный).

Элементы:

L1, L2 — катушки индуктивности на 10..15 мкГн и 1..3 мкГн соответственно. Катушка L1 намотана на кольце с материнской платы, а катушка L2 просто выдрана оттуда целиком и не перематывалась. L2, C5 — это дополнительный LC-фильтр на выходе. Он позволяет значительно уменьшить пульсации выходного напряжения и использовать на выходе конденсаторы меньшего номинала и, соответственно размера. Практика показывает, что лучше брать катушки, намотанные не одним проводом, а несколькими.

С1 — электролитический конденсатор 220 мкФ х 16В для выхода 5 Вольт или 470 мкФ х 16В для выхода 9,5 Вольт

С2 — керамический конденсатор на 0,1 мкФ (фильтр по питанию микрухи, ставить как можно ближе к ногам микрухи)

С3 — керамический конденсатор на 0,1 мкФ (бустерный конденсатор, на него накачивают напругу выше питания для управления полевиком)

С4,С5 — электролитические конденсаторы 100 мкФ х 16В и 220 мкФ х 16В, соответственно (выходной фильтр)

С6, С7, С8 — керамические конденсаторы на 8,2 нФ; 2,2 нФ; 0,1 мкФ соответственно (обвязка микрухи, подробности смотрите в даташите)

С9 — керамический конденсатор на 0,1 мкФ (цепь мягкого старта)

R1, R2 — резисторы делителя напряжения. Опорное напряжение компаратора ошибки для нашего случая (когда VID0…VID4 подключены к земле) равно 2,05 Вольт. Исходя из этого, формула для расчёта выходного напряжения в зависимости от сопротивлений делителя: Vout=2,05*(1+R1/R2). В нашем случае, для выхода 5В получим: R1=10 кОм, R2=6,8 кОм. Для выхода 9,5В получим R1=10 кОм, R2=2,74 кОм.

R3 — резистор на 2 кОм. Этот резистор стоит в цепи ограничения пикового тока. Пиковый ток рассчитывается по формуле: Ipk=200мкА*R3/RDS(ON) , где RDS(ON) — сопротивление верхнего транзистора в открытом состоянии).

R4, R5, R6 — резисторы на 20 кОм; 1,5 кОм и 20 Ом соответственно (обвязка микрухи, подробности смотрите в даташите).

D1 — диод для схемы бустерной накачки (подойдёт любой, я взял стеклянный smd диод с материнки)

T1, T2 — транзисторы MOSFET 603AL в корпусах мини D-pack. В принципе пойдут любые MOSFET-ы с материнок, например те же 60N03S, но эти были выбраны из-за минимальных размеров корпуса.

Если вывод RT подтянуть к земле через резистор 23 кОм, то рабочая частота составит 371 кГц.

Для подавления паразитных ВЧ колебаний можно рассчитать по типовой методике снаббер. У меня получилась паразитная частота 26 МГц, с которой довольно успешно справился RC снаббер с номиналами: Rsn=22 Ом, Ссн=1 нФ.

На выходе можно дополнительно навесить керамики.

Вариант готового устройства (ещё не залитый термоклеем):

Фото синхронного понижающего преобразователя напряжения на HIP6004

Полученный преобразователь (на частоте 371 кГц) при входном напряжении от 9,6 до 15 Вольт выдаёт на выход стабильные 5 или 9,5 Вольт (в зависимости от номинала резистора R2). Испытания проводились для нагрузки до 3 Ампер. Для выхода 5 Вольт КПД составил порядка 85..90%, а для выхода 9,5 Вольт — порядка 90..95%. Можно пересчитать резисторы делителя на любое другое выходное напряжение.

Электролитические конденсаторы нужно аккуратно загнуть к плате, катушки расположить горизонтально, в результате вся конструкция получится довольно плоской (толщиной менее 1 см).

После изготовления всю конструкцию можно залить термоклеем, после чего всё это будет выглядеть как компактный тоненький брусочек.

Скачать печатную плату (DipTrace 2.0)

Добавить комментарий