Mp1584 расчет делителя напряжения

Миниатюрный преобразователь напряжения на микросхеме MP1584EN

Китайский рынок импульсных DC-DC преобразователей довольно широк. И бродя по просторам всем известного AliExpress я наткнулся на маленький, дешевый, но при этом достаточно мощный преобразователь. Стоит сказать сразу, что для целей связи он, как и любой импульсные преобразователь годен ограничено, но тем не менее заслуживает пристального внимания из-за своих размеров.

Ранее я уже писал о различных импульсных преобразователях которые вполне можно использовать для своих проектов.

Но все они имеют сравнительно большие габариты и их не всегда удобно использовать. Герой этого обзора гораздо компактнее, но при этом обеспечивает сходные эксплуатационные параметры. Поставляется плата преобразователя запакованной в антистатический пакетик.

На вид малыш выглядит весьма несерьезно, однако, не стоит спешить с выводами.

Размеры платы 22 х 17 мм. В сравнении с 10 рублевой монеткой.

Преобразователь построен на основе специализированной микросхемы преобразователя MP1584, основными особенностями которой являются:

• Входное напряжение может варьироваться в интервале от 4,5 до 28 вольт.
• Выходное напряжение регулируется от 0,8 до 25 вольт.
• Встроенный полевой транзистор обеспечивает рабочий ток до 3А
• Рабочая частота до 1,5МГц (этим и объясняются такие маленькие габариты).
• Встроенная защита от перегрева (при достижении 120 градусов по Цельсию, преобразователь отключается)
• Достаточно низкий уровень пульсаций на входе и на выходе преобразователя.
• Защита от короткого замыкания на выходе.

Из недостатков можно отметить полное отсутствие защиты от переполюсовки. И если вы по неосторожности попутали полярность, микросхема MP1584 с треском взорвется (один из преобразователей погиб во имя науки).

Схема включения MP1584 из даташита. Собственно по ней наш преобразователь и собран. Здесь также присутствует график КПД в зависимости от потребляемого тока.

Для испытания преобразователя подключим к нему радиостанцию M-Tech Legend III,

Сам преобразователь запитаем от лабораторного источника питания Atten PPS3005S способного выдавать напряжения до 31 вольта и ток до 5А. Измерять ток и напряжение будем при помощи мультиметра Vichy VC8145.

Параметры будем снимать до и после преобразователя.

КПД преобразователя по мощности около 90%, что просто прекрасно. 10% потерь вполне приемлемое значение. Также надо помнить о том, что КПД сильно падает при разбросе входного и выходного напряжения менее 3В (в документации, менее 5). Так что КПД нашего малыша даже выше чем у старших братьев.

Измерим уровень пульсаций на входе и на выходе преобразователя под стандартной нагрузкой в виде радиостанции M-Tech Legend III. Исследовать сигнал на входе и на выходе будем при помощи осциллографа Atten ADS1102CAL. Главный исследуемый параметр dV (амплитуда пульсаций между курсорами CurA и CurB).

Пульсации на выходе (прием)

Пульсации на входе (передача)

Пульсации на выходе (передача)

В сравнении с аналогичными, но более низкочастотными преобразователями, выглядит вполне неплохо.

Температурный режим

Исследуем преобразователь на предмет нагрева в процессе работы.

Дежурный режим, ток потребления 294мА

После 1 минуты работы на передачу, ток потребления 1,55А.

Как видно, сильнее всего нагрелась сама микросхема преобразователя. Безусловно, нашему малышу приходится тяжко, но в целом, он выдержал испытание.

В документации к микросхеме MP1584 написано: By switching at 1.5MHz, the MP1584 is able to prevent EMI (Electromagnetic Interference) noise problems, such as those found in AM radio and ADSL applications. Что в переводе означает: Поскольку преобразование происходит на частоте 1,5МГц, MP1584 не должна порождать электромагнитный шум, вызывающий проблемы при работе приемопередающих устройство использующих амплитудную модуляцию и технологию ADSL. В моих опытах, радиостанция M-Tech Legend III будучи подключенной через данный преобразователь не показала сколько-нибудь заметного снижения чувствительности. И тем не менее, памятуя о принципах работы импульсных преобразователей я бы не рекомендовал использовать его для питания чувствительной техники связи. Компактный размер преобразователя позволяет размещать его даже внутри станции, но вот, насколько это пагубно скажется на чувствительности приемника, неизвестно, для проверки этого момента следует провести дополнительные исследования.

В итоге мы имеем отличный миниатюрный преобразователь который можно легко использовать для питания различных устройств, например, для сборк пауэр банка на свинцовом аккумуляторе, который будет заряжать Ваши мобильные устройства. Совсем недавно у меня как раз возникла подобного рода задача, запитать оборудование для съемки в полевых условиях, дабы не сильно зависеть от встроенных в технику аккумуляторов, и преобразователи на микросхеме MP1584 превосходно с этой задачей справились.

Стоит этот малыш сущие копейки и покупался на AliExpress ( ссылка на продавца ).

Источник

Alex_EXE

Сайт об электронике и не только

Импульсный понижающий стабилизатор mp1584

Один из самых первых узлов большинства схем является преобразователь напряжения. Рассмотрим понижающие dc-dc преобразователи. В них входят линейные и импульсные стабилизаторы. Линейные, например LM317, 78L05… оптимальны при небольшом падении напряжения на них и небольшом протекаемом токе, т.к. весь излишек напряжения они рассеивают в виде тепла или когда требуется низкий уровень пульсаций. Если через стабилизатор протекает большой ток, то эффективнее будет использовать импульсный преобразователь. Схемы импульсных преобразователей сложнее и более требовательны к трассировке и компонентам. К импульсным понижающим dc-dc преобразователем относятся LM2596, его младший брат LM2594 на 0.5А, mc34063, TL434 и многие другие. В том числе относительно новый mp1584, по сравнению с выше перечисленными, который можно встретить на большинстве китайских dc-dc понижающих стабилизаторов.

В статье рассмотрен распространённый импульсный понижающий стабилизатор напряжения mp1584 от известной китайской компании MPS.

Характеристики:

Тип	импульсный понижающий (step-down)
Ток	до 3А
Предельный ток	4-4.7А
Входное напряжение	4.5-28V
Выходное напряжение	0.8-25V
Падение напряжения	3V
Частота	до 1,5МГц
Ток покоя	125мкА
Максимальная рассеиваемая мощность	2,5Вт (при +25°С)
Рабочий диапазон температур	-25 — +125°С
Максимальная рабочая температура	+150°С
Максимальная температура пайки	+260°С

Плавный пуск, высокая эффективность (до 80-88%), защита от перегрева, от падения напряжения ниже рабочего (блокировка работы Vin Компонент Позиционное обозначение Корпус Количество Микросхемы MP1584EN U1 SO-8 1 Полупроводники SS24 D1 SMB 1 Резисторы 100K R1, R4, R6 0603 3 200K R2 0603 1 43K R3 0603 1 8.2K R5 0603 1 Конденсаторы 0.1uF C1, C5 0603 2 150pF C4 0603 1 10uF 50V C2 1206 1 22uF 10V C3 1210 1 Индуктивность 15uH L1 2220 1 Соединители PLS2 X1, X2 PLS2 2

Индуктивность L1 — LQH55DN150M03L 15мкГн с током 1.4А.

Включение

Для запуска микросхемы на вход En (3 вывод) нужно подать высокий уровень сигнала (более 1.5В). Для выключения — низкий (менее 1.2В).

Порог включения входа En 1.5В. Допустимое входное напряжение до 6V (?).

Если управление питанием микросхемы не требуется и она постоянно включена, то вывод Enabel микросхемы можно не разводить, на выводе поддерживается напряжение 3В.

Расчёт выходного напряжения

Uout — выходное напряжения
Ufb=0.8V — напряжение обратной связи
R3, R5 — делитель обратной связи
R5 рекомендуется около 40кОм, что бы через линию обратной связи протекал ток около 20мкА.
Например:
Uout=5V, Uout=0.8V*(160K+30K)/30K=5.067V
Uout=3.3V, Uout=0.8V*(75K+24K)/24K=3.3V
В примере на схеме выше сопротивление резистора R5 подобрано не самым оптимальным способом, т.к. через линию обратной связи протекает ток около 97мкА, что в 5 раз выше рекомендуемого, хоть и не критично.

Расчёт осциллятора или частоты

Rfreq — сопротивление частото задающего резистора
fs — частота, на которой будет работать микросхема
Например:
Rfreq=100K, fs=(180000/100K)^(10/11)

=910KHz
Rfreq=200K, fs=(180000/200K)^(10/11)

Расчёт индуктивности

Uout — выходное напряжение
Uin — входное напряжение
fs — частота, на которой работает микросхема
dIl — дельта пикового тока на катушке индуктивности
Увеличение индуктивности ведет к уменьшению пульсаций по выходу стабилизатора, но приводит к увеличению её размеров, увеличению сопротивления и потерь на ней. Рекомендуется выбирать индуктивность с 30% запасом по току.
Упростим формулу, в пользу увеличения индуктивности:

Например:
Uout=5V, fs=485KHz L1=5/(485KHz *2A)

=5.1uH
Получаем 5.1мкГн — рекомендуемое значение. Его можно округлить в меньшую сторону до 4.7мкГн, что может привести к небольшому увеличению пульсаций или в большую до 6.8-15мкГн.

Входной конденсатор

Рекомендуется с низким ESR. Если применен электролит или танталовый рекомендуется установка керамики в 0.1мкФ, как можно ближе к выводом микросхемы.

Выходной конденсатор

Выходной конденсатор должен быть с низким ESR.
Так же рекомендуется установка по выходу керамики на 0.1мкФ.
Оценить уровень пульсаций можно по следующей формуле:

dUout — изменение напряжение на выходе, пульсации
Uout — выходное напряжение
Uin — входное напряжение
fs — рабочая частота микросхемы
L — индуктивность катушки
Cout — емкость выходного конденсатора
Resr — ESR выходного конденсатора
Например:
Uin=12V, Uout=5V, fs=485KHz, L=15uH, Cout=47uF, ESR(Cout)=0.1Om
dUout=5V/(485KHz*15uH)*(1-5V/12V)*(0.2Om+1/(8*485KHz*47uF))

=0.08V
Если компоненты похуже: L=4.7uH, Cout=4.7uF, ESR(Cout)=0.3Om
dUout=5V/(485KHz*4.7uH)*(1-5V/12V)*(0.3Om+1/(8*485KHz*4.7uF))

=0.45V
пульсации станут существенными, вырастут в 5 раз и составят 9% от 5В.

Выбор выходного диода

Для уменьшение потерь рекомендуется использование диода Шоттки. Максимальное обратное напряжение диода должно с запасом: в 1.5-2 раза превышать максимальное входное напряжение. Максимальный ток диода должен превышать максимальный ток нагрузки.

Расчёт компенсационной цепочки

C3 — емкость выходного конденсатора
fc — crossover frequency
Gea=60мкА/В — погрешность усилителя
Gcs=9А/В — чувствительность
Uout — выходное напряжени
Ufb=0.8V — напряжение обратной связи
Например:
R6=(2*3.14*47uF*30KHz)/(60uA/V*9A/V)*5V/0.8V=102486Om

4/(2*pi*R6*fc)» border=»0″ width=»207″/>

Vout (V)	L (uH)	C3 (uF)	R6 (kOm)	C4 (pF)
1.8	4.7	47	105	100
2.5	4.7-6.8	22	54.9	220
3.3	6.8-10	22	68.1	220
5	15-22	22	100	150
12	22-33	22	147	150

Для более точного расчёта на сайте производителя есть on-line калькулятор.

Испытания

Спроектированная в статье схема рассчитана на максимальный ток нагрузки до 1 ампера.

U in, В	I in, А	P in, Вт	U out, В	I out, А	Pout, Вт	КПД, %	Пульсации, мВ
12	0.263	3.156	4.9	0.57	2.793	88.5	30
11.9	0.459	5.4621	4.82	1	4.82	88.2	32

mp1584 выход 5В 1А, плата из статьи

Изначально в схеме был применен танталовый конденсатор 47мкФ с ESR

0.6Ом, пульсации достигали 112мВ. После замены на керамику 22мкФ с ESR

0.16Ом пульсации снизились до 32мВ. Возможно ESR был замерен некорректно! Измерения проводились транзистор тестером. Возможно позже попробую разобраться и оптимизировать.

Дополнительно была испытана плата готового китайского dc-dc. Сначала плата проверялась при входном напряжении 12В и выходном 5В. Ток покоя у платы составил 230мкА.

U in, В	I in, А	P in, Вт	U out, В	I out, А	Pout, Вт	КПД, %	Пульсации, мВ	Температура, °С
11.9	0.27	3.213	4.9	0.57	2.793	86.9	24	36
11.9	0.473	5.6287	4.82	1	4.82	85.6	28	45
11.85	1	11.85	4.82	2.06	9.9292	83.8	42	76
11.8	1.27	14.986	4.82	2.55	12.291	82.0	48	110
11.75	1.533	18.0128	4.82	3.05	14.701	81.6	56	110
12	1.1	1.3	4.7	110

mp1584 вход 12В выход 5В 2А, китайский dc-dc

Измерение температуры проводились пирометром, поэтому измеренная температура может быть как ИМС, так и китайского диода SS34 в корпусе SMA (обычно в таком корпусе нормальные диоды выпускаются на 1А).

Плата испытывалась без дополнительного охлаждения, без дополнительного радиатора и активного охлаждения. Плата висела на проводах, температура в помещении 26°С. Если применить качественное охлаждения, то от драйвера можно будет добиться стабильной работы на более больших токах.

Когда плата разогрелась до 110°С она начала отключаться: при выходном токе 2.55А отключалась каждые

10 сек на 1 сек, при токе в 3.05А отключатся стала каждую секунду на пол секунды.

Испытания показали, что ИМС не снабжена защитой от КЗ. При повышении тока выше 3А микросхема стала отключаться все с большей частотой. При достижении тока нагрузки в 4.7А микросхема перестала перезапускаться и на выходе установилось стабильное напряжение в 1.3В, после чего начал падать ток и напряжение. При дальнейшем повышении тока нагрузки до 5А ситуация была аналогичной. Использовать более мощный источник тока для сжигания микросхемы не стал. После снижения тока нагрузки до 2А микросхема продолжила стабильную работу, выходные параметры не изменились.

U in, В	I in, А	P in, Вт	U out, В	I out, А	Pout, Вт	КПД, %	Пульсации, мВ	Температура, °С
19.95	0.291	5.80545	5.02	1	5.02	86.5	36	60
19.9	0.606	12.0594	5.01	2.06	10.3206	85.6	54	85
27.94	0.214	5.97916	5.02	1	5.02	84.0	40	65
27.9	0.448	12.4992	5	2.06	10.3	82.0	82	105

mp1584 вход 28В выход 5В 2А, китайский dc-dc

На максимально входном напряжении 28В и выходном токе 2А при 5В было замечено 2 разных вида пульсаций в 82мВ и один раз в 160мВ. Вероятно более сильные пульсации возникли из-за перегрева микросхемы.

Понижающие преобразователи на mp1584

Вывод

Микросхема нормального стабилизатора, получившая широкое распространение. Существенный недостаток отсутствие защиты от КЗ и неполноценная защита от превышения тока. Требовательна к качеству выходного конденсатора.

Стоимость микросхемы на 10.07.2019 в промелектронике в розницу составляет 51р, на aliexpress около 20 центов (

13р) за шт, при заказе 10шт, на taobao 1.43Y (

16р+доставка), смотрел первые и вторые попавшиеся магазины.

gerber\
pcb1_mp1584.drl	сверловка
pcb1_mp1584.gko	контур
pcb1_mp1584.gtl	медь, верх
pcb1_mp1584.gto	шелкография, верх
pcb1_mp1584.gts	маска, верх
project\
mp1584.PrjPcb	Файл проекта Altium Designer
Sheet1_mp1584.SchDoc	Принципиальная схема Altium Designer
PCB1_mp1584.PcbDoc	Печатная плата Altium Designer
assembled.pdf	сборочный чертеж
lut.pdf	ЛУТ, 1 сторонняя плата

Параметры gerber файла: единицы измерения мм, точность 3:3, удалены незначащие нули вначале числа, привязка — абсолютная.

Статья обновлена 23.07.2019

13 комментариев на « Импульсный понижающий стабилизатор mp1584»

Евгений пишет 16.07.2019 в 07:40 #

Вы бы и платку профессионально развели с 2 сторон для лучшего охлаждения микросхемы 🙂
про индуктивности — тем модулям с 4.7 мкгн лучше индуктивность поменять на 10-15 мкгн (выходные напряжения 3.3, 5, 12)?

Alex_EXE пишет 16.07.2019 в 13:22 #

Одностороннею плату без проблем можно сделать в домашних условиях. Заказывать двухсторонку у китайцев, платить за 5-N плат 8-15 баксов, ждать. В домашних условиях переходные отверстия сделать почти невозможно, а без них смысл второй теплорассеивающей стороны теряется. И при этом эти платки мне не нужны. Для каждого нового проекта несложно сделать свой дизайн, более подходящий для конкретного случая. Если нужны готовые модули, то эти китайские платки у меня есть.

Эти модули и так неплохо работают. Слепая замена индуктивности может ухудшить работу, т.к. может быть придется пересчитывать компенсационную цепочку. Плюс индуктивность большего размера на тот же ток будет иметь большие габариты и уже может не поместиться на миниатюрный модуль с плотной компановкой. Для снижения пульсаций, если это необходимо, можно по выходу добавить Г-образный LC фильтр. Самое главное не перегружать эти модули, рабочий ток у них не до 3-х ампер, а где-то до 2-х.

Евгений пишет 16.07.2019 в 21:58 #

если не ошибаюсь то по даташиту при низком выходном напряжении 3-5в индуктивность должна быть 10мкн

Alex_EXE пишет 17.07.2019 в 11:36 #

Таблица с рекомендациями из даташита MP1584 Rev. 1.0 8/8/2011 приведена в статье: для 3.3В — 6.8-10мкГн, для 5В 15-22мкГн. С другой стороны ни кто не говорит точно ей следовать, значение индуктивности может отличаться, главное для наилучшего режима под неё рассчитать остальные компоненты.

Юрий пишет 22.07.2019 в 19:51 #

Доброго времени суток)
Для своих проектов обычно ставлю 33 или 68мкГн.
И без быстрого диода не заведется)
Кстати, R1 и R4 можно не ставить, Enable внутри подтянут.

Юрий пишет 22.07.2019 в 20:02 #

Знаю, что придираюсь: ток покоя в начале статьи скорей всего в мкА.

Alex_EXE пишет 23.07.2019 в 19:37 #

На какой частоте у Вас работает микросхема?
Про необязательность подтяжки Enabel добавил, ещё обратил на это внимание при чтении датасшита, но забыл. Ток покоя исправил.
Спасибо за замечания.
Быстродействующего диода или шоттки?

Юрий пишет 29.07.2019 в 11:01 #

Для уменьшения рассеиваемой мощности — шоттки (да и быстрые они).
Время восстановления думаю играет не последнюю роль. Так с диодом 30bq100 у меня схема не заработала, а с SS34 всё пошло.
Собираю по типовой схеме (R2 = 200к).

Георгий пишет 02.11.2020 в 16:05 #

Юрий, согласен. Не понимаю, зачем все ставят резистор. R1 и R4 можно убрать. Из документации:
«The MP1584 has a dedicated enable control pin (EN). With high enough input voltage, the chip can be enabled and disabled by EN which has positive logic. Its falling threshold is a precision 1.2V, and its rising threshold is 1.5V (300mV higher). When floating, EN is pulled up to about 3.0V by an internal 1μA current source so it is enabled. To pull it down, 1μA current capability is needed»

Вячеслав пишет 22.04.2021 в 11:58 #

Спасибо. Очень познавательно. Подскажите пожалуйста, а как можно организовать задержку включения после подачи Uпит. ?

Максим пишет 07.08.2021 в 17:52 #

Отличная статья!
Есть вопрос: может подскажете какой-нибудь похожий импульсный преобразователь, только с защитой от кз, перегрузки, и может даже при смене полюсов?

Максим пишет 07.08.2021 в 17:53 #

Alex_EXE пишет 10.08.2021 в 03:03 #

На примете нет.
Если что-то подобное нужно найти, из доступного, открываю местные магазины и играясь с фильтрами подбираю.
Сейчас глянул, глаз зацепился за LM27313.
В один из текущих проектов поставил TPS61070DDCR, но пока с ним не работал, жду когда принесут закупленные компоненты и платы.

Источник