Мощный эффективный понижающий преобразователь

Если вам нужен мощный и эффективный преобразователь низкого напряжения, например нужно получить +12в из имеющихся на борту камаза +24в и при этом нужна защита от превышения выходного тока и ещё и нельзя разрывать минусовой, общий провод то эта статья для вас.

Входное напряжение 15....30в

Выходное напряжение 2...15в

Выходной ток 20а (легко поднять вплоть до 50а)

Эффективность более 90% 

Основное ТЗ: преобразователь из +24в в +12в для питания нагрузки (10...250Вт) в грузовик с потерями на преобразование менее 10% и защитой выхода от перегрузки по току путём ограничения тока.

Сразу к делу, вот такая получилась у меня схемка:

Чтобы не было вопросов вроде "А почему тут такой компонент, почему тут такой номинал, почему тут такое количество ?" и тп. отвечу сразу: Делал из того что было в наличии по тем знаниям которые имел.

ШИМ U2 применён UC3843 как самый полнофункциональный и оптимальный по соотношению цена\возможности. Драйвер U4  IR2104 как самый дешёвый (надо всё же их куда то девать) вполне нормально прокачивает силовой ключь IRF3205 (почемуто люблю я именно их 110а 8мОм), выходной выпрямитель D3 я поставил MBR20100C который в паре с полевым транзистором (который управляется нижним плечём драйвера) и  берёт на себя большую часть выходного тока. Такая парочка обеспечивает на выходе более чем достаточный для нагрузки ток, т.к. шоттки D3 работает только в короткий промежуток времени когда основной ключь Q1 уже закрылся а нижний ключ Q2 благодаря имеющейся в U4 задержке в 520 нсек ещё не открылся. Можно нижний ключь Q2 не ставить и всю работу на себя возмёт D2. В моём примере разводки платы предусмотрено два посадочных места для двух полевых транзисторов Q2, и я впаял на одно место полевик на другое место шоттки в аналогичном корпусе (ТО220). Короче, чтоб не загружать вам мозг ток диода D3 составляет менее 1\3 выходного тока.

Немного о контроле выходного тока.

Как известно для контроля выходного тока в плюсовом проводе есть много разных способов, самы доступный это низкоомный резистор падение напряжения на котором в дальнейшем усиливают и подают в цепь ОС, есть две основные схемы:

Дифференцианальный усилитель и преобразователь ток-напряжение, поигравшись с дифференциональным усилителем я пришёл к выводу что искат для него точные резисторы с допуском 1% и потом подстраивать ещё и многооборотным подстроечником это слишком кропотливо для такого простого применения, поэтому применил преобразователь ток-напряжение. В таком случае нам не потребуется двухполярное питание и всё что нужно это простое однополярное питание главное чтобы оно было хотя бы на пару вольт выще контролируемого, т.е. при выходном напряжении например +12в питание ОУ должно быть не ниже +14в что очень легко обеспечить имея на входе +24в.

Коэффициент усиления такой схемы Ку = R6*(R10/R9), а напряжение на резисторе R10 = Ку*выходной ток. т.е. если R10 = 1.2кОм, R9 = 104ом, R6 = 0.0333ом, Ку = 0,3845 что при выходном токе 1,8а даст 0,7в на резисторе R10, соответственно при 18а на R10 будет 7в.

Питание U3 производится через резистор R11 и ограничено стабилитроном D4 на 20в, это не обязательные элементы, я например D4 вообще не стал впаивать зная что входное напряжение не превысит 30в.

Токовый вход U2 имеет порог 1.0в, для настройки тока огранияения служит подстроечник RV1, на который поступает напряжение с повторителя напряжения выполненного на втором компараторе имеющемся в 8ногом корпусе LM358.

Цепь стабилизации напряжения это делитель выходного напряжения на резисторах R2 и R3 с выхода делителя напряжение поступает на вход ОС по напряжению U2 на этом входе напряжение сравнивается с ИОН имеющем потенциал 2,5в соответственно делитель расчитываем исходя из опорного 2,5в, для делителя R3 9.1кОм и R2 2.2кОм расчётное выходное напряжение преобразователя составляет 12,8в.

D2 показывает что сервисное питание +12в имеется

D5 показывает что выходное напряжение +13в также имеется

Диод D1 для тех кто любит путать полярность питающих проводов и задумка здесь в том чтобы летящие искры  заствалили любителя путать полярность задуматся, впаивается вместо одного из входных электролитов.

Стабилизатор U1 на +12в обеспечивает питанием ШИМ U2 UC3843 и драйвер U4 IR2104. Есть 4 вида этого ШИМа что даёт вам дополнительные возможности:

1. UC1842A -  максимальный КЗ = 100%   UVLO On = 16в    UVLO Off = 10в
2. UC1843A -  максимальный КЗ = 100%   UVLO On = 8,5в    UVLO Off = 7,9в
3. UC1844A -  максимальный КЗ = 50%     UVLO On = 16в    UVLO Off = 10в
4. UC1845A -  максимальный КЗ = 50%    UVLO On = 8,5в    UVLO Off = 7,9в

UVLO Off - это напряжение питания при падении до которого ШИМ блокирует внутренюю логику, соответственно UVLO On - это напряжение при достижении которого выходная логика разблокируется это даёт вам возможность сделать БП который будет выключатся при падении напряжения питания до величины 10 или 7,9в и автоматического запуска при увеличении питающего напряжения до 16 и 8,5в соответственно, для этого нужно запитать ШИМ контролируемым напряжением, при этом учтите что высота выходных импульсов для UC384х в 8ногом корпусе будет равна напряжению на выводе питания (7я нога).

Пару слов о драйвере, здесь всё стандартно, нужно зашунтировать питание С17  и вольтодобавку С19, диод через который подпитывется конденстаор С19 должен успевать это делать поэтому лучше забудте о всяких там 1N4007.

С описанием схемы закончил, теперь немного о моём варианте разводки платы.

• Основные требования исходя из которых я разводил плату:
• обеспечить 4 посадочных места для входных электролитов диаметром до 13мм каждый
• обеспечить 4 посадочных места для входных электролитов диаметром до 13мм каждый
• обеспечить 4 посадочных места для низкоомных резисторов шунта в стандартном керамическом корпусе 5Вт
• микросхемы ШИМа, драйвера и ОУ в корпусах SO8, резисторы smd 0603 и 1206
• силовые ключи паралельно плате фланцем наружу для возможности закрепления их в виже "бутерброда" плата - ключ - радиатор
  
• обеспечить возможность применения резистора R3 как в smd исполнении так и в виде подстроечника

Не скажу что плата получилась совершенно оптимальной, многое можно было ещё более оптимизировать, но в итоге имеем вот что:

Скажу предупрежу что первый вариант платы был разведён по схеме имеющейся только в голове что вылилось в банальную ошибку, были перепутаны выводы 2 и 3 ОУ, пришлось исправлять на уже готовой плате, после чего разводка была исправлена но пока больше не повторялась, поэтому возможно имеются недоделки и в принципиальной схеме, поэтому просьба если кто заметит косяки сразу сообщайте буду оперативно исправлять.

На этом всё.

Attachments:

File	Description	File size
PCB	печатная плата	42 kB