You are currently browsing the Робоэлектронный блог posts tagged: питание


Понижающий преобразователь на bd9703

Этот пост — о правильном питании. Героем рассказа будет понижающий преобразователь bd9703 производства ROHM Semiconductor.

История началась с неудачи. Моя первой попытка применить этот преобразователь в плате окончилась гибелью последней: из-за чудовищной трассировки источника питания он через пару часов стал жужжать, трещать и поубивал всю остальную электронику на плате. Долго-ли, коротко-ли, решил я хорошенько разобраться с трассировкой этого преобразователя и сделал макетку, пригодную для наладки источников питания на всех микросхемах серии bd9701-bd9703. В итоге я нашел хороший вариант трассировки, который планирую использовать теперь повсеместно.

Микросхема bd9703 представляет из себя полностью интегрированный понижающий преобразователь, каких множество представлено на рынке. По заморски они называются step-down, или buck.

Характеристики:

Входное и выходное напряжения, а также ток делают эту микросхему практически прямой заменой для линейных преобразователей серии LM317 (только уже импульсной, практически холодной заменой). Кроме того, bd9703 работает в индустриальном диапазоне температур.

У bd9703 имеются сестры bd9701 (частота 100 кГц) и bd9702 (ток до 3А). Макетка, описанная в этой статье, подойдет для экспериментов надо всеми чипами, а номиналы, конечно, придется подобрать.

Микросхема популярная, и видимо используется в разных DVD-плеерах и подобной технике, что обеспечивает ее наличие на складах в России. Привлекательна и цена — я купил bd9703 в удобном корпусе TO220FP-5 рублей за 25 в розницу. Надо заметить, что это было как раз незадолго до японского землетрясения весны 2011 года, и сейчас доступность любых японских микросхем может быть несколько хуже.

Несмотря на кажущуюся популярность этих микросхем и низкую цену, найти вразумительной документации не удалось. Есть только datasheet на сайте производителя, довольно запутанный и неполный. Например, вместо рекомендаций по выбору номиналов конденсаторов и дросселя, там приведены несколько невразумительных примеров. Примеров использования этой микросхемы в интернете также нет.

А раз документации нет, пришлось хитрить. Схема включения аналогична классическому LT1070 фирмы Linear и серии Simple Switcher фирмы National Semiconductor (например, LM2575, LM2586):

Для сравнения, вот схема LM2575:

Как раз около года назад я вчитывался в AN-19 “LT1070 Design Manual” фирмы Linear Technology, в которой детально описывается рассчет преобразователей подобной топологии. Математика несложная, все понятно, но рассчитывать вручную было лень. Поэтому я обратился к сайту National, подыскал преобразователь как две капли воды похожий на bd9703, и посчитал с помощью их сайта номиналы конденсаторов и индуктивность дросселя. Спасибо, National Semiconductor!

Первый вариант

Итак, после первой неудачи я набросал эту несложную схему в редакторе. Вот она:

bd9703 evaluation schematic v1

Пояснения:

И я принялся за поиск оптимальной трассировки. Очень важно при трассировке любого источника питания — чтобы силовые цепи и сигнальные были проложены отдельно.

В нашем случае есть две петли, по которым протекает сильный ток. Это входная цепь (C1+C4 – U1.VCC – U1.GND) и выходная (D2 – L1 – C3 – GND, а также подключение U1 к L1 и D2). Пути силовых токов надо сделать покороче, а сигнальные цепи расположить так, чтобы силовые токи не оказывали на них заметного влияния.

Еще более важно разделение земель. Пин GND преобразователя используется и как силовой (часть входной и выходной цепи), и как сигнальный (общая точка для обратной связи). Будет большой ошибкой соединить этот пин с большим полигоном и «заземлить» в него и силовые и сигнальные земли как попало. Если мы подключим все выводы земляной цепи к общему полигону, то при работе преобразователя по нему будет растекаться импульсный ток от первичной и вторичной цепей. Как известно, ток, протекающий по проводнику, создает падение напряжения. Поэтому заземленный в полигон вывод резистора R2 будет иметь потенциал выше, чем у ножки GND преобразователя — а это нарушит работу обратной связи по напряжению.

Вот, что у меня вышло в первый раз:

К ножке GND(3) микросхемы подходят три разные дорожки — одна от входной цепи, одна от выходной, и одна — обратной связи. Цепь U1-D2-L1-L2-C3-C5 минимизирована по площади и длине. Цепь обратной связи отведена в сторону от силовых цепей. Одна только входная цепь получилась некузявой из-за защитного диода D10.

Плата была сделана ЛУТом, собрана и проверена.

Входное напряжение 24В, на выходе — 3.3В. Нагрузка — 15 Ом. Проверил и без нагрузки. Работает, напряжение держит хорошо.

Но при просмотре выходного напряжения осциллографом обнаружились довольно большие выбросы с частотой преобразования. Мудрил и так и этак, пока не понял, что диод D10 все портит. Каждый раз, когда встроенный ключ преобразователя открывается, ток из конденсаторов C1-C2-C4 течет в него через D10, а это имеет несколько серьезных недостатков:

Получается, что диод встает на пути тока и мешает нормальному переносу энергии из входных коненсаторов в L1-L2. Пусть это и не звучит как полное объяснение физики процесса, но стоило спрямить путь тока, выбросив диод D10, как страшные выбросы исчезли. Остался обычный ripple. Дальше я добавил к керамическому конденсатору C4 еще один такой же, и напряжение на выходе стало еще чище.

Очевидно, для преобразователя важен низкий импеданс входной группы на высоких частотах. Керамика как раз хорошо работает на ВЧ, что приводит к улучшению работы преобразователя. А диод D10 наоборот, давал большую задержку и приводил к ухудшению работы преобразователя.

Второй вариант

После всех испытаний первая плата была разобрана, и собрана вторая. Вот ее схема:

bd9703 evaluation schematic v2

Здесь уже нет диода D10, зато на входе стоит 2 керамических конденсатора. Трассировка платы стала элегантнее:

Размеры платы — примерно 25×40 мм.

Собрал в и проверил в тех же условиях:

На этот раз все работает на ура, выбросов нет и в помине. КПД не измерял, но пребразователь не нагревается, даром что без радиатора. Кстати, корпус микросхемы — целиком из пластика, что упрощает крепление радиатора, если он понадобится.

Третий вариант

И когда я полностью проверил второй вариант, в голову пришел более красивый вариант трассировки (схема та же):

Правда, этот вариант я уже поленился утюжить и собирать. Если попробуете — напишите мне.

UPD: Схемы и трассировка версий 2 и 3 в формате Diptrace здесь:  ev_bd9703_sch_pcb.zip.

Хорошего вам питания!