Tomáš Drak

Buck/Boost Converter

Buck/boost convertor inak nazývaný aj DC/DC menič je zariadenie určenie na zmenu vstupného jednosmerného napätia určitej hodnoty na inú hodnotu výstupného napätia. Pre tento projekt som sa rozhodol z dôvodu získania nových poznatkov a potreby mať zdroj napätia kompaktných rozmerov.

1. Menič napätiaProjekt tvorí základné zapojenie invertujúceho zvyšovacieho/znižovacieho meniča:

Obrázok 1: Principiálna schéma

Prvý krok bol určiť si požadované parametre meniča a tomu prispôsobiť komponenty.

Požadované parametreMinimálne vstupné napätie 5 VVýstupné napätie 0 V – 30 VVýstupný prúd 3 A Frekvencia spínania 50 KHz

Pre dosiahnutie týchto parametrov bolo potrebné vypočítať komponenty ako cievku L1, kondenzátor C1, diódu D1 a vybrať vhodný spínací prvok. Keďže výpočty podľa vzorcov na obrázku č. 2 sú komplikované a zároveň bolo potrebné ich opakovať, kvôli nájdeniu kompromisu medzi komponentmi, ktoré sú dostupné a parametrami, ktoré dokážem zmeniť pomocou použitého softvéru a hardvéru. Preto som sa rozhodol použiťk výpočtu hodnoty cievky L1 on-line kalkulačku, ktorou som vypočítal hodnotu L1 = 13,67 µH, pri frekvencií spínania tranzistoru f = 50 kHz.

Následne som vypočítal približnú hodnotu kondenzátoru C1, kde som bral do úvahy najhorší prípad. Veľký výstupný prúd a malé výstupné napätie. Pri výpočte som zanedbal úbytok napätia na ESC kondenzátora. Z dôvodu použitia kondenzátora s nízkym odporom ESD.

C=QU

=I * tU

=

I *1f

U=I * Df * U

=3*0,850000*1

=48   µ F

C – kapacita kondenzátoru Q – náboj v kondenzátoreU – výstupné napätie I – výstupný prúdf – frekvencia spínanie D – Duty cykle (strieda)

Pri voľbe diódy som sa zameral na najvyšší dovolený prúd prúd a malý úbytok napätia. Rozhodol som sa pre Shottkyho diódu.Voľba tranzistora pozostávala z výberu unipolárneho tranzistoru z čo najmenším odporom RDS. Rozhodol som sa pre N kanálový MOSFET typ s dostatočným napätím UDS, prúdom IDS a rýchlou spínacou frekvenciou.

b)

Obrázok 2: Vzorce na výpočet

Obrázok 3: Výpočet

Použité komponentyL1 Cca 20 µH -30 µH, 5 AC1 470 µF 63 VD1 15SQ045Q1 IPB034N06L3

Použité komponenty sa od vypočítaných líšia. Dôvodom je dostupnosť potrebných komponentov a možnosti vylepšenia. Zvolil som kondenzátor s vyššou kapacitou ako je potrebné z dôvodu lepšieho vyfiltrovania signálua možnosti použitia nižšej frekvencie. D1, tak isto aj Q1 sú dimenzované na vyšší prúd. Cievku L1 bol problém zohnať o požadovanej indukčnosti, takže som ju musel upraviť.

2. Spätná väzba

Pre možnosť riadenia výstuného napätia som potrevobal poznať jeho hodnotu. Tu nastal problém ako merať napätie na výstupe, ktoré je invrtované (teda záporné) oproti napätiu na vstupe meniča a na riadiacom mikrokontorléri. Navrhol som teda napäťovú spätnú väzbu, kde som použil sumačné zapojenie operačného zosilňovača. Mikroprocesor používaný na riadenie má AD prevodník z rozlíšením 16 bit a maximálne napätie na prevodníku 3,3 V. Zvolil som teda rozumnú maximálnu hodnotu vstupného napätia na prevodník 3 V aby som zabránil jeho poškodeniu.

Obrázok 4: Principiálna schéma sumačného zosilňovača

V prípade,že sa R1 = R2 a R3=R4 možno použiť zjednodušený výpočet:

V OU T=R3R1

(V 2−V 1)

Po úprave dostávame:

R3R1

=V O U T

(V 2−V 1)=

3  V0−(−30  V )

=10

Pre zachovanie nízkej spotreby som zvolil odpory R1=R2= 47 kΩ a R3=R4= 470 kΩ.

Po dokončení napäťovej spätnej väzby som sa rozhodol spraviť aj meranie prúdu. Tu som mohol využiť rovnaký operačný zosilňovač (dual package). Zvolil som obdobný postup pri kotorm som meral úbytok napätiana odporovom bočníku. Odporový bočník som zvolil o hodnote 0,1 Ω. Je dimenzovaný na pretekajúci prúd 6 A. Avšak požadovaný maximálny prúd je 3 A, takže som zvolil hodnoty odporov na spätnäj väzbe zosilňovača R1=R2= 470 kΩ a R3=R4= 47 kΩ.

3. Riadiaca časť

O riadenie sa stará mikroprocesor STM 32. Hlavne kvôli 16 bit AD prevodníku a možnosti nastavovania frekvencie PWM s dobrým rozlíšením (duty cykle) aj pri vysokých frekvenciách. Okrem už spomínaných vecí ako je tranzistor Q1, napäťová a prúdová spätná väzba sú k nemu pripojené dva ovládacie prvky. Spínače, ktorými je možné nastaviť požadovanú hodnotu výstupného napätia s rozlíšením 0,5 V.

Ďalej riadiaca časť obsahuje softvér, ktorý sa stará o nastavnie požadovaného výstupného napätia pomocou PID regulácie. Softvérovo sa dá jednoducho zmeniť aj frekvencia PWM.

Obrázok 5: Softvér pre zariadenie

4. Návrh skrinky zariadenia

Aby bolo zariadenie možné používať bolo potrebné k nemu vyrobiť skrinku. Rozhodol som sa pre 3D tlač.

Navrhol som si 3D model skrinky v programe FUSION 360. Následne som ho vytlačil na 3D tlačiarni. Kvôli tepelnej odolnosti a zároveň zachovaniu pevnosti a pružnosti pohyblivých častí, ako sú tlačidlá a západky na uzatváranie som zvolil materiál PETG.

Návrh:

a) Pohľad spredu b) Pohľad zozadu

Obrázok 6: Návrh skrinky zariadenia

Obrázok 7: Rez návrhom

a) Pohľad spredu b) Pohľad zozadu

Obrázok 8: Vyrobený kus

5. Výsledný návrh

Obrázok 9: Schéma v programe KiCad

Obrázok 10: Plošný spoj v programe KiCad

Obrázok 11: 3D model v programe KiCad

Obrázok 10: Návrh PCB v programe KiCad

6. Výsledný výrobok

Obrázok 12: Vyrobená a osadená PCB

Obrázok 13: Skompletizovaný prototyp

Obrázok 14: Meranie zariadenia

7. Záver

Som presvedčený, že zadanie semestrálneho projektu som splnil. Podarilo sa mi zostrojiť funkčný DC/DC menič. Pri záverečných meraniach som overoval hlavne funkčnosť a účinnosť meniča, ktorá bola vyššia ako 60 %. Tu sa naskytuje priestor pre zlepšenie do budúcna. Účinnosť zároveň aj fungovanie celého prístroja môže byť oveľa lepšie pri použití kvalitnejšej cievky a vyladení PID riadenia. Následne som si vyskúšal požadované parametre zariadenia, ktoré som si na začiatku definoval. Prístroj naozaj dosahuje výstupné napätie 30 V. Výstupný prúd 3 A sa mi nepodarilo dosiahnuť, z dôvodu malého výkonu napájacieho zdroja. Tým pádom som sa dostal len po hodnotu okolo 1,5 A. Pri tejto hodnote údaj šírky pásma riadiaceho signálu indikoval iba polovičnú hodnotu. Z toho usudzujem, že požadovaná hodnota prúdu 3 A sa dá naozaj dosiahnuť.