Symetrický DC DC menič v zapojení SEPIC

Autor:	Kristián Saniga
Študijný odbor:	Elektrotechnika	3. Bc. (2019)

Opis projektu

Cieľom projektu bolo sa oboznámiť s rôznym technológiami, ktoré môžu byť použité pri návrhu projektu. Kedže som študentom elektrotechniky, tak som sa rozhodol vyrobiť symetrický DC/DC menič v zapojení SEPIC. Takýto druh meniča nieje veľmi v praxi rozšírený.

Cieľom projektu bolo vyrobiť symetrický DC/DC menič v topológii SEPIC(single ended primary inductor converter). V mojom obore elektrotechnika sa často stretávame s operačnými zosilňovačmi, ktoré pre svoju správnu činnosť potrebujú práve symetrické napájanie. Takýto menič dosahuje veľmi dobrú účinnosť premeny energie a tak bude pre naše použite vyhovovať.

Realizácia meniča

Zapojenie meniča vychádza z datasheetu. Zapojenie sa skladá z nasledujúcich častí:

Napájacia časť:

Na napájanie celého meniča je použitý spínaný zdroj malého výkonu, o výstupnom napätí 20 V a prúde 2,5 A. Ako tento zdroj sme použili nabíjačku pre notebook, ktorá bola zvolená kvôli jej malým rozmerom a vysokej účinnosti a jej veľkosť výkonu dostatočne vyhovuje pre naše použitie. Nabíjačka má zabudované ochrany proti skratu a tepelnú ochranu.

Spätná väzba:

Na meranie výstupného napätia je použitý odporový delič. Ako prvý rezistor R1 je použitý potenciometer s hodnotou 40 kΩ a rezistor R2 s hodnotou 2 kΩ. Výstup odporového deliča je napojený na FB pin obvodu XL6019. Tento obvod porovnáva napätie odporového deliča s vnútornou napäťovou referenciou o hodnote 1,25 V. Výstupné napätie môžeme vypočítať ako Uout = 1,25·(1+R1/R2). S takouto kombináciou rezistora a potenciometra je možné dosiahnuť výstupné napätie o maximálnej hodnote ±26,25 V.

Menič:

Srdcom meniča je obvod XL6019 ktorý sa zabudovaný N kanálový MOSFET. Silový obvod meniča je tvorený cievkami L1, L2, L3 s indukčnosťou 105 µH. Cievky sú navinuté na spoločnom jadre s pomerom vinutí 1:1:1 vodičom o priemere 0,5 mm. Medzi dvoma výstupnými cievkami sú zaradené dva kondenzátory Cs1, Cs2 o hodnote 22 µF/63 V. Prúd z cievok ďalej preteká cez dve Schottkyho diódy SK510 do výstupných kondenzátorov Cout1, Cout2 o hodnote 220 µF/50 V. Výstup meniča je vhodné zaťažiť symetricky, alebo zaťažovať iba vetvu kladnú z dôvodu, že spätná väzba je napojená iba na kladný výstup napätia.

Meranie výstupného napätia a prúdu:

Na meranie výstupného napätia a prúdu je použitý univerzálny merač. Je schopný merať napätie o hodnote 0 – 100 V a prúd o hodnote 0 – 10 A. Meranie napätia a prúdu prebieha čisto na kladnom výstupe zdroja, pretože na zápornej strane môžeme očakávať rovnaké hodnoty prúdu a napätia v prípade symetrického zaťaženia.

Analýza

Ako prvé bolo potrebné nájsť vhodné zapojenie meniča. Najvhodnejšou voľbou bolo použiť integrovaný obvod XL6019, ktorý spĺňa všetky potrebné parametre. Následne bolo potrebné nakresliť schému zapojenia a navrhnúť plošný spoj. Ako obal bude slúžiť krabička vytlačená na 3D tlačiarni.

Popis riešenia

1. Po zvolení integorvaného obvodu XL6019 bolo potrebné prekresliť schému jeho zapojenia do programu EAGLE. Po dokončení schémy bolo potrebné rozmiestniť súčiastky. 2. Vytvorená doska plošného spoja bola nahraná na stránku jlcpcb, ktorá sa zaoberá výrobou plošných spojov. 3. Po príchode dosky plošného spoja nasledovalo jej osadzovanie, ktoré prebehlo bez problémov. 4. V programe FUSION 360 bola navrhnutá krabička, ktorá bola následne vytlačená na 3D tlačiarni ANET A8. Ako materiál bol použitý PLA plast sivej farby, ktorý pre naše použite vyhovoval. 5. Nasledovalo oživenie meniča. Pri oživovaní nastali problémy s rozkmitaným meniča, ktoré bolo ale postupne odstránené. Kmitanie spôsobovali cievky na výstupe zdroja, ktoré mali slúžiť na vyhladenie výstupného napätia.

Schéma zapojenia meniča

XL6019 datasheet

Bloková schéma meniča

Výsledok

S výsledným produktom som veľmi spokojný. Menič funguje tak ako som očakával a plní svoju funkciu pri napájaní operačných zosilňovačov. Výsledný produkt môžete vidieť na obrázkoch nižšie.