نحوه ارتقاء مبدل XL4015

در این آموزش روشی ساده برای ارتقای ماژول XL4015، که یک مبدل DC به DC باک می‌باشد، با استفاده از عنصر محدودکننده جریان قابل تنظیم را شرح داده‌ایم که به نظر‌می‌آید در ماژول اصلی نادیده گرفته شده است.

ماژول مبدل XL4015 چیست؟

قبل از شروع بحث ارتقاء و تنظیم سطح جریان این مبدل، بهتر است با اجزای ماژول XL4015 و نحوه عملکرد آن‌ها آشنا شوید. این ماژول، یک مبدل DC به DC کاهنده با فرکانس ثابت 180 کیلو هرتز می‌باشد که به‌طور اختصاصی برای کار کردن برای بار 5 ولت و 5 آمپر با راندمان خوب و حداقل ریپل و تنظیم بار و تنظیم خط استثنایی طراحی شده است.

این ماژول رگولاتور از تعداد اجزای بسیار کمی که شامل یک جبران‌کننده فرکانس داخلی و یک اسیلاتور فرکانس ثابت است، تشکیل ‌شده‌ که کار با آن بسیار ساده است. مشخصه مدار‌های کنترل PWM این است که دارای سیکل وظیفه (Duty Cycle) قابل تنظیم با نرخ ثابت از 0 تا 100 درصد هستند. تراشه XL4015  دارای عملگر داخلی حفاظت در برابر افزایش جریان بیش از حد است.

هنگامی‌که اتصال کوتاهی در خروجی مدار رخ می‌دهد، فرکانس کاری فوراً از 180 به 48 کیلوهرتز کاهش یافته و افت شدیدی در ولتاژ و جریان خروجی اتفاق می‌افتد، به این علت که تراشه تعبیه‌شده روی مدار، دارای یک بلوک جبران‌کننده کاملاً یکپارچه (داخل چیپ) بدون وابستگی به هرگونه اجزای خارجی است.

مشخصات اصلی مبدل XL4015 :

1. دامنه ولتاژ ورودی آن بین 8 تا 36 ولت است.
2. دارای ولتاژ خروجی قابل تنظیم بین 1.25 تا 32 ولت می‌باشد.
3. دارای duty cycle حداکثر و برابر 100 درصد است.
4. میزان افت ولتاژ خروجی آن فقط 0.3 ولت می‌باشد.
5. دارای فرکانس سوئیچینگ 180 کیلوهرتز ثابت است.
6. جریان خروجی آن مقدار ثابت 5 آمپر می‌باشد.
7. ماسفت‌های قدرت داخلی تعبیه شده در آن، جریان و ولتاژ خروجی بهینه‌ای را تامین می‌کنند.
8. راندمان کاری برابربا 96 درصد است.
9. دارای رگولاسیون خط و بار بسیارعالی است.
10. تراشه دارای قابلیت قطع در صورت افزایش بیش‌از‌حد دما می‌باشد.
11. همانطور که گفته شد، دارای عملگر محدودکننده جریان داخلی نیز هست.
12. دارای ویژگی حفاظت در برابر اتصال کوتاه خروجی نیز می‌باشد.

معایب ماژول مبدل XL4015 :

گرچه ماژول XL4015 دارای ویژگی‌های شاخصی است که یک مبدل خوب باید آن‌ها را شامل شود، ولی این ماژول فاقد یکی از امکانات اصلی می‌باشد.

این ماژول امکانی برای تنظیم جریان دلخواه خروجی بر اساس مشخصات بار را ندارد. بنابراین اگر بخواهید یک باتری لیتیوم یونی را با ماژول XL4015 شارژ کنید (مثلا با جریان 2 آمپر) به دلیل وجود همین مشکل نمی‌توانید این کار را انجام دهید. به طور مشابه اگر بخواهید یک LED 3.3 ولتی را با جریان حداکثر 3 آمپر راه‌اندازی کنید، باز هم این‌کار شدنی نخواهد ‌بود. زیرا ماژول دارای حداکثر جریان ثابت 5 آمپر است.

ماژول XL4015 به چه صورت کار می‌کند:

برای آشنایی با چگونگی کارکرد مبدل XL4015، ابتدا به بررسی مدار ساده نحوه عملکرد این ماژول می‌پردازیم:

مدار به نحوی پیکر‌بندی می‌گردد که در پاسخ به ورودی منبع تغذیه 8 تا 36 ولت، ولتاژ ثابت 5 ولتی با حداکثر جریان 5 آمپر تولید نماید. طبیعی است که مقدار توان ورودی باید بیشتر از توان خروجی باشد. به این معنا که توان منبع تغذیه باید اندکی بیشتر از 5*5=25 وات باشد.

بنابراین اگر از ولتاژ ورودی 36 ولت استفاده شود، جریان ورودی باید بیشتر از 25/36=0.7 آمپر باشد. اگر از ولتاژ 8 ولت استفاده شود، جریان ورودی باید بیشتر از 25/8=3 آمپر باشد.

مدار داخلی یک  XL4015از اجزای پایه‌ای نظیر اسیلاتور و مقایسه‌کننده تشکیل می‌گردد. فرکانس دقیق اسیلاتور 180 کیلوهرتز روی پایه 3 (SW) تراشه قرار می­‌گیرد و برای استفاده قسمت خارجی مبدل که متشکل از دیود، سلف و خازن می‌باشد استفاده می‌شود. این ویژگی، مبدل را قادر می‌سازد تا ورودی را به مقادیر ثابت و دقیق 5 ولت و 5 آمپر در خروجی تبدیل کند.

پایه 2 تراشه به عنوان ورودی فیدبک عمل می‌کند. اعمال ولتاژی بیش از 1.25 ولت در این پایه منجر به خاموش شدن تراشه می­‌گردد.

ولتاژ این پایه را می‌توان با استفاده از یک تقسیم‌کننده مقاومت R1,R2 طوری تنظیم کرد که وقتی ولتاژ خروجی 5 ولت است، ولتاژ این پایه 1.25 باشد. بنابراین اگر ولتاژ خروجی از محدوده 5 ولت فراتر رفته و باعث ایجاد ولتاژ بالاتر از 1.25 ولت در پایه FB شود، منجر به خاموشی تراشه می‌گردد. پس مانع از این می‌شود که خروجی از سطح 5 ولت فراتر رود. این موضوع نشان می‌دهد که با تغییر صحیح مقادیر تقسیم‌کننده R1/R2 در فیدبک می‌توان ولتاژ خروجی را در سطوح دیگری مثل 12 یا 15 ولت نیز تنظیم کرد. نسبت R1/R2 به عنوان ضریبی ثابت در فرمول زیر برای بدست آوردن ولتاژ خروجی استفاده می‌شود.

Vout=1.25 x (1+R2/R1)

تنظیم محدوده جریان مبدل XL4015 :

همانطور که از شماتیک طرح برداشت می‌شود، ماژول XL4015 دارای مشخصۀ محدود‌کنندگی جریان نیست، که ظاهراً این موضوع محدودیت اصلی برای این ماژول محسوب می‌شود.

اگر‌چه در این ماژول پایه خاموش کننده FB تعبیه شده که می‌تواند توسط یک مدار محدود کننده جریان خارجی پیکربندی و تنظیم شده تا بتواند این کار را انجام دهد. این کار همانطور که در دیاگرام زیر نشان داده شده است انجام می‌گیرد.

مقدار مقاومت Rx از طریق قانون اهم محاسبه می‌شود.

RX = 0.2 / Current Limit

از آن‌جایی که دو ترانزیستور به شکلی به هم متصل شده‌اند که بهره خروجی بسیار بالایی داشته باشند، اعمال اختلاف پتانسیل تنها 0.2 ولت دو سر Rx کافی است تا پایه FB عمل محدود‌کنندگی جریان را انجام دهد. به محض اینکه جریان از حد مورد انتظار فراتر برود، باعث می‌شود که حداقل پتانسیل لازم برای هدایت ترانزیستور NPN دو سر RX ایجاد شده و باعث تحریک شدن ترانزیستور PNP گردد. این کار، ولتاژ DC مورد‌نیاز پایه FB را برای خاموش شدن مدار فراهم می‌آورد. وقتی این اتفاق می‌افتد، جریان خروجی از حد تعیین‌شده پایین‌تر آمده، BJT خاموش شده و به آخرین وضعیت قبلی برگشته و جریان شروع به بالارفتن کرده و BJT را روشن می‌کند. این چرخه به طور مداوم تکرار شده تا اطمینان حاصل گردد که جریان همواره در محدوده تعیین‌شده باقی می‌ماند.

به این ترتیب Xl4015 مجهز به مشخصۀ بسیار مفید محدودیت جریان خروجی قابل تنظیم می‌شود.

مدار های جایگزین XL4015 :

اگرچه ماژول XL4015 به راحتی در فروشگاه‌های الکترونیک در دسترس می‌باشد، اما تراشه آن توسط شرکت‌های دارای برند معتبر تولید نمی‌گردد و ممکن است منسوخ گردد.

بنابراین داشتن یک مدار مبدل باک قابل تنظیم 5 ولتی که با استفاده از اجزای گسسته (discrete) کار می‌کند، می‌تواند گزینه بهتری برای جایگزینی محسوب شود. نمودار زیر یک مبدل ساده و درعین حال بسیار کاربردی و دقیق 5 ولتی را نشان می‌دهد که از تراشه TL494 استفاده می‌کند. این مبدل شبیه به XL4015 عمل می‌کند.

دراین مدار یک مبدل باک خورشیدی دیده می‌شود که می‌تواند برای هر نوع مبدل DC به DC مورد‌نیازی استفاده گردد. استفاده از TL494 تضمین می‌کند که طراحی به راحتی منسوخ نشده و امکان جایگزینی تراشه در هر زمان که لازم باشد به راحتی انجام شود .

همچنین در این مدار حلقه فیدبک میزان جریان خروجی را از طریق تقسیم ولتاژی که با مقاومت‌های R8 و R9 ساخته شده تعیین می‌کند.

جریان با استفاده از تنظیم دقیق و مناسب مقاومت R13 تنظیم می‌گردد.

R13=0.2Max Current limit

مزیت بزرگ دیگر استفاده از مبدل باک فوق، میزان سطح جریان خروجی است که به 5 آمپر محدود نشده و می‌توان آن را به سادگی و با ارتقای ترانزیستورها، ضخامت سیم سلف و مقدار مقاومت R13، به سطوح بالاتری ارتقاء داد.