Modifica del convertitore buck XL4015 con un limitatore di corrente regolabile

Il post spiega un modo semplice per migliorare il convertitore buck da CC a CC XL4015 con un limitatore di corrente regolabile, che sembra mancare nel modulo originale.

Informazioni su XL4015

L'XL4015 è un convertitore DC / DC PWM buck (step-down) PWM a frequenza fissa da 180 KHz, appositamente progettato per il funzionamento di un carico di 5 V, 5 Amp con buona efficienza, ondulazione minima ed eccezionale regolazione di linea e carico.

Costruito utilizzando pochissimo numero di parti aggiuntive, il modulo regolatore è facile da lavorare e consiste in una compensazione di frequenza incorporata insieme a un oscillatore a frequenza fissa.

Il circuito di controllo PWM presenta un rapporto di lavoro regolabile a un tasso costante da 0 a 100%. L'IC XL4015 dispone anche di una funzionalità di protezione da sovracorrente incorporata.

Quando viene rilevato un cortocircuito in uscita, la frequenza operativa viene immediatamente abbassata da 180 KHz a 48 KHz, provocando un calo immediato della tensione e della corrente in uscita.

Il chip ha un blocco di compensazione completamente integrato, senza dipendere da componenti esterni.

Caratteristiche principali di XL4015 IC

1. Ampia gamma di tensioni di ingresso da 8 V a 36 V.
2. La tensione di uscita è regolabile da 1,25 V a 32 V.
3. Il ciclo di lavoro massimo può raggiungere il 100%
4. Il drop-out in uscita è solo di 0,3 V.
5. La frequenza di commutazione è fissata a 180 kHz
6. La corrente di uscita è costante a 5A.
7. I MOSFET di potenza integrati garantiscono l'ottimizzazione dell'alta tensione / corrente
8. L'efficienza operativa è davvero impressionante al 96%
9. La regolazione della linea e del carico è estremamente buona
10. IC dispone di una funzione di arresto termico controllata internamente
11. Allo stesso modo dispone anche di una funzione di limite di corrente incorporata
12. Inutile dire che il chip include anche una funzione di protezione dai cortocircuiti in uscita.

Svantaggio principale

Sebbene il modulo XL4015 sia caricato con molte caratteristiche eccellenti che un convertitore buck deve avere, manca di una funzionalità importante.

Il modulo non ha alcuna disposizione per regolare la corrente di uscita ai livelli preferiti, secondo le specifiche di carico.

Quindi se vuoi caricare una batteria agli ioni di litio con un modulo XL4015, diciamo a 2 ampere, non sarai in grado di farlo, a causa dell'inconveniente sopra menzionato.

Allo stesso modo, se volessi pilotare un LED da 3,3 V a una corrente massima di 3 ampere, rimarrai deluso allo stesso modo, poiché il modulo è valutato a una corrente fissa di 5 amp.

Come funziona XL4015

Di seguito è mostrato lo schema di lavoro di base del convertitore buck XL4015:

Il circuito è configurato per produrre 5 V fissi a una corrente di uscita costante di 5 A in risposta a un ingresso di alimentazione compreso tra 8 V e 36 V. Le specifiche della potenza in ingresso devono essere superiori alla potenza in uscita, il che significa che la potenza in watt dell'alimentatore in ingresso deve essere superiore a 5 V x 5 A = 25 W.

Pertanto, se viene utilizzata un'alimentazione di ingresso di 36 V, la corrente di ingresso dovrebbe essere superiore a 25/36 = 0,7 Amp. Se si utilizza 8 V, la corrente di ingresso può essere superiore a 25/8 = 3 Amp e così via.

Il circuito interno dell'IC XL4015 è costituito da elementi di base come un oscillatore e un amplificatore di errore. La frequenza dell'oscillatore a 180 kHz ben calcolata e controllata viene generata sul pin3 (SW) per alimentare la configurazione del convertitore buck esterno costituita dal diodo, dall'induttore e dal condensatore. Ciò consente allo stadio buck di elaborare l'alimentazione in ingresso su un'uscita precisa di 5 V, 5 A.

Il pin2 (FB) funge da ingresso per il feedback dell'amplificatore di errore. Un ingresso minimo di 1,25 V a questo pinout è sufficiente per avviare il processo di spegnimento per l'IC.

Questa piedinatura può essere configurata con un divisore di potenziale R1, R2, che assicura che la tensione di uscita non possa mai andare oltre l'intervallo di 5 V, il che provoca lo sviluppo di una tensione superiore a 1,25 V sul pin FB che avvia il processo di spegnimento per l'IC, impedendo così all'uscita di superare il livello di 5 V.

Ciò implica anche che la tensione di uscita potrebbe essere regolata su altri livelli di tensione, come 12 V o 15 V, variando opportunamente i valori del divisore di feedback R1 / R2.

R1 / R2 può anche essere fissato utilizzando la seguente formula, per ottenere la tensione di uscita desiderata:

Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1)

Regolazione del limite di corrente

Come possiamo vedere dallo schema, il modulo XL4015 non include una funzione di limitazione della corrente che apparentemente è una delle principali limitazioni del modulo.

Tuttavia, il modulo include un FB di pinout di spegnimento che può essere configurato con un esterno circuito limitatore di corrente , per realizzare la funzione. Questo potrebbe essere implementato come indicato nel diagramma seguente:

L'RX può essere calcolato utilizzando la legge di Ohm:

RX = 0,2 / limite di corrente

Poiché i due transistor sono cablati con un'uscita a guadagno molto elevato, una differenza di potenziale di appena 0,2 V su RX dovrebbe essere sufficiente per attivare il pin FB dell'IC e avviare l'azione di limitazione della corrente.

Non appena la corrente tende a superare il limite desiderato, provoca lo sviluppo del potenziale minimo richiesto attraverso RX causando la conduzione dell'NPN, che a sua volta attiva il BJT PNP. L'azione fornisce la voluta DC positiva sul pin FB, avviando lo spegnimento.

Quando ciò accade la corrente di uscita scende al di sotto del limite impostato, spegnendo i BJT e ripristinando la condizione precedente, in cui la corrente ricomincia nuovamente a superare il limite impostato accendendo i BJT. Il ciclo continua a ripetersi, assicurando che la corrente rimanga sempre entro il limite impostato.

Con questa disposizione, l'XL4015 è dotato dell'utilissima funzione di limitazione della corrente di uscita regolabile.

Alternativa XL4015 (circuito equivalente)

Sebbene il modulo XL4015 sia facilmente disponibile nella maggior parte dei negozi online, l'IC non è prodotto da marchi rinomati e potrebbe essere soggetto a diventare obsoleto in qualsiasi momento.

Pertanto, avere un circuito convertitore buck regolabile da 5 V alternativo che utilizza componenti discreti sembra essere un'opzione molto migliore.

Il diagramma seguente mostra un convertitore buck da 5 V molto efficiente che utilizza il popolare TL494 patata fritta:

L'esempio sopra mostra un convertitore buck di precisione da 5 V semplice ma estremamente maneggevole, equivalente all'XL4015.

Qui, mostra un'applicazione di convertitore buck con inverter solare, che può essere adottata per qualsiasi altro scopo di convertitore da CC a CC desiderato.

L'uso di TL494 garantisce che il design non diventi obsoleto facilmente e la sostituzione per l'IC sarà prontamente accessibile quando necessario.

Anche qui, un loop di feedback dell'amplificatore di errore determina la corrente di uscita impostando la potenziale rete di divisori costruita attorno a R8 / R9.

La corrente può essere regolata modificando in modo appropriato il resistore R13.

R13 = 0,2 / limite massimo di corrente

Un altro grande vantaggio dell'utilizzo del suddetto convertitore buck costruito in modo discreto è il livello di corrente di uscita, che non è limitato a 5 ampere, ma potrebbe essere aggiornato a livelli molto più alti semplicemente aggiornando i transistor, lo spessore del filo dell'induttore e il valore del resistore R13.