طراحی و ساخت منبع تغذیه سوییچینگ DC-DC با رگولاتور LM2576

همان طور که در پست معرفی منبع تغذیه سوئیچینگ به بررسی مزایای منابع تغذیه سوییچینگ پرداختیم، در این قسمت می خواهیم با استفاده از آی سی های رگولاتور سوئیچینگ یک منبع تغذیه مبدل DC به DC کاهنده (Step Down) با توپولوژی Buck با ورودی 12 ولت و خروجی 3.3 ولتِ 2 آمپر برای یک میکرو کنترلر طراحی کنیم. معمولا میکروکنترلرهای ARM و سری ATXMEGA اِی وی آر شرکت Atmel احتیاج به تغذیه 3.3 ولتی دارند. شمای کلی یک مدار Buck Converter به شکل زیر است.

در این شکل یک Buck Converter همراه با سیستم کنترلی آن (Block Diagram هایی مثل H(s) و Gc(s)) نمایش داده شده است. آی سی های کنترلر سوئیچینگ مختلفی در بازار برای کنترل یک منبع تغذیه سوئیچینگ موجود است. اولین نوع از این آی سی ها، آی سی هایی هستند که تنها دارای قسمت های کنترلی و PWM هستند مانند آی سی UC3843. نوع دیگری از این آی سی ها به جز سیستم کنترلی دارای ماسفت داخلی نیز هستند که به اصطلاح به آنها Integrated Switch گفته می شود مانند آی سی LM2576 و LM2596. آی سی های integrated دیگری هم در بازار جهانی وجود دارد که به جز سیستم کنترلی و سوییچینگ دارای سلف داخلی هم هستند، مانند آی سی TPS82130 با خروجی 3 آمپر و Package بسیار کوچک 8uSiP که دارای طول و عرض 3×2.8 میلی متر می باشد!

برای طراحی یک منبع سوییچینگ با مشخصات ارائه داده شده بهتر است از آی سی LM2576 Adjustable استفاده کنیم، به دلیل اینکه که در بازار ایران موجود بوده و جوابگوی نیاز های مداریمان نیز می باشد. یکی از دلایل دیگر انتخاب آی سی LM2576 Adjustable قابل تنظیم بودن ولتاژ خروجی آن است.

در شکل بالا نمای کلی مدار کاربردی LM2576 Adjustable قابل مشاهده است. برای تکمیل مدار ابتدا باید مقادیر L1 , Cin , D1 , Cout , R1 ,R2 را محاسبه کنیم.

ابتدا می خواهیم مقادیر فیدبک ولتاژ خروجی با استفاده از R1 و R2 را به دست آوریم. ولتاژ خروجی برابر 3.3 ولت می باشد و همچنین ولتاژ مرجع آی سی LM2576 Adjustable هم 1.23 ولت است. پس باید این دو مقاومت طوری مقادیرشان انتخاب شود که با ولتاژ 3.3 ولت یک خروجی 1.23 ولت به پایه Feedback آی سی بدهد. با تعیین مقدار R1 برابر 2k اهم و استفاده از فرمول زیر:

R2 برابر 3.3k اهم می شود.

برای به دست آوردن مقدار L1 از فرمول زیر استفاده می کنیم (لازم به ذکر است فرکانس سوییچینگ آی سی LM2576 برابر 52kHz است پس به جای F مقدار 52 را قرار می دهیم):

با قرار دادن مقادیر در فرمول بالا مقدار  E.T برابر 46 می شود با فرض اینکه حداکثر جریان خروجی این رگولاتور سوییچینگ 2 آمپر می باشد مقدار حداکثر جریان خروجی و همچنین مقدار E.T را جهت بدست آوردن مقدار سلف خروجی در نمودار زیر ارزیابی می کنیم:

با توجه به نمودار بالا و مقادیر به دست آمده این مقادیر در ناحیه L100 قرار می گیرد(که با نقطه قرمز مشخص شده). نام این ناحیه ها کد سلف مورد نظر است. با استفاده از جدول زیر مقدار L1 را به دست می آوریم:

سلف با کد L100 دارای مقدار 100 میکرو هانری است. لازم به ذکر است که سلف با مقدار 100uH باید دارای حداکثر جریان دهی بیش از 1.15xILoad باشد. که ILoad برابر 2 آمپر است پس حداکثر جریان دهی سلف باید بیش از 2.3 آمپر باشد.

برای محاسبه Cout از فرمول زیر استفاده می شود:

با جایگذاری مقادیر، حداقل مقدار Cout برابر 483uF است. هرچه ظزفیت Cout بزرگتر و مقدار  ESR خازن کمتر باشد، Voltage Ripple یا نوسان ولتاژ خروجی کمتر می شود. در نتیجه مقدار ظرفیت این خازن را 1000uF در نظر می گیریم و تلاش می کنیم از خازن های مرغوب با مقاومت سری حداقلی استفاده کنیم. ولتاژ این خازن هم باید بیشتر از 1.5 برابر ولتاژ خروجی باشد که ولتاژ خازن را چیزی در حدود 6 ولت در نظر می گیریم.

دیود D1 هم باید دارای حداکثر جریان عبوری 1.2 برابر ILoad باشد که در این طراحی این مقدار را می توان 3 آمپر در نظر گرفت. حداقل Vrrm یا ولتاژ شکست این دیود باید 1.25 برابر ولتاژ ورودی Vin باشد. با این مشخصات دیود شاتکی 1N5820 مناسب می باشد، چون هم افت ولتاژ کمی دارد و فرکانس سوییچینگ این رگولاتور هم به نسبت پایین است که نیازی به یک دیود سریع نیست.

مقدار Cin هم در حدود 100uF در نظر می گیریم. برای محاسبه مقدار این خازن نیاز به فرمول خاصی نیست اما باید این خازن را در هنگام طراحی PCB نزدیک آی سی LM2576 قرار داد.

بعد از طراحی و ساخت این منبع تغذیه سوئیچینگ می توانیم این نوع رگولاتورهای سوئیچینگ را با رگولاتور خطی با همین مشخصات مداری مقایسه کنیم. در این مقایسه متوجه می شویم که در جریان خروجی 2 آمپر، اتلاف توان رگولاتور سوییچینگ ناچیز است و حرارت کمی تولید می کند. اما یک رگولاتور خطی با جریان خروجی 2 آمپر و ولتاژ ورودی 12 و خروجی 3.3 ولت توانی در حدود 17 وات اتلاف می کند، که توان اتلافی این نوع رگولاتور در چنین جریانی بیشتر از توان خروجی آن است.