LM2575 Inverting Buck-Boost Converter 負電壓產生電路

LM2575 是一款普及的DC-DC Converter，
它能作為Buck Regular 或Buck-Boost Converter的模式使用，
這次的測試是制作一個輸出為DC-12V的Buck-Boost Converter。

Buck Regular
將輸入電壓下降至目標的電壓。 e.g. DC12V > LM2575 > DC5V

Buck-Boost Converter
將一個正輸入電壓轉換成負輸出電壓。 e.g. DC12V > LM2575 > DC-12V

LM2575 有不同的IC封裝，除了National Semiconductor之外，
其他不同的廠商都有生產LM2575，我用的是ON-Semi的產品。
一般在市面上較易買到的是TO-220-5和TO-263的封裝，
其餘的款式暫時還未看見過。

TO-220-5還再細分成Straight Lead和Bent, Staggered Lead，
圖中的是Bent, Staggered Lead的款式，
因為Straight Lead的腳與腳之間的空間非常少，
焊接時很容易會失手出錯，
所以我選用了Bent, Staggered Lead的款式。

在香港比較難買到LM2575，暫時我只見過RS有售，
不過那家的價格實在是天文數字。
我早前從生產商訂購了一批LM2575回來作實驗，
有興建的讀者可以參考價目表，然後電郵給我洽購。

全系列的LM2575，圖片摘自LM2575 Data Sheet。

這次測試的電路取自National Semiconductor的Data Sheet，
LM2575的其中一個優點是它需要的外部元件極少，
不過一件都不能缺，否則足以導致LM2575燒毀。

在香港的鴨寮街有家專門賣電子零件的排檔，
在那裡能買到質量很不錯的日本Rubycon電容，
價格亦十分合理(相對於RS而言)，老闆和老闆娘也很友善。

參考預算 100uF 50V $1@ 2200uF 25V $2@

至於電感和1N5819則比較難購買，暫時我只見過RS有售，

不過那家的價格實在是天文數字。
我早前從生產商訂購了一批100uH回來作實驗，
有興建的讀者可以參考價目表，然後電郵給我洽購。

線路圖如下

在麵包板上測試電路。

Test 1

Test 1 的Loading是Open Circuit，

Ch 1 的是DC Power Supply的波形，

Ch 2 的是LM2575的輸出。

由示波器的圖片可以看見，

Ch 2 的波形上出現了一段Transient Response，

可能是因為現在是使用麵包板在測試的關係，

接線上出現了額外的Inductance 所致。

但是我增大了Coutput之後，

Transient的Vp-p和Waveform沒有變動，

可能需要請教一下專業人士才行。

Test 2

Test 2 是接上了220Ω 10W的水泥電阻作為Loading，

可是Transient 的情況沒有改善，

Vp-p還由10.2V升至21.8V。

Test 3, 4 & 5

Test 3 是接上了220Ω 10W的水泥電阻作為Loading，

在測試途中不小心碰倒了Coutput，

DC Power Supply即時發出了Overload的警號。

(可能是Short Circuit也說不定，

因為無論是Short Circuit還是Overload都是會亮Overload的燈，這點有夠那個的。)

重新接回Coutput後測試重開，

可是Voutput 一直都維持在-8.78V的水平，

檢查了線路一切正常，最後只能把LM2575換掉，

輸出才回復正常 (Test 4, 5)。

Test 6 -10

Test 6 - 10 是接上了47Ω 10W的水泥電阻作為Loading，

再透過不同的輸入電壓(12V - 24V)來測試其轉換效率，

順道當作測試LM2575的運作溫度。

根據數據計算出，在12V, 15V, 18V, 21V, 24V的輸入電壓環境中，

LM2575的轉換效率只有約10%，

這個數字甚為驚人，可能是因為LM2575正被用作Inverting Buck-Boost的緣故。

Transient的Waveform

Test 1至 Test 10的測試數據在 120407B-1 LM2575 Buck-Boost Test Data可以找到。

Transient的Waveform的測試數據在 120407C-1 LM2575 Buck-Boost Waveform Data 120407C-1 LM2575 Buck-Boost Waveform Data Chart 可以找到。

為了消除訊號中的Transient，今天進行了一系列不同的嘗試。

先嘗試把Coutput的值加大。

Test 11的Coutput為2200uF，用於測試的參考，

Supply Voltage的Vpk-pk是12.0V，Output Voltage的Vpk-pk是13.6V。

Test 12的Coutput為3200uF，

Supply Voltage的Vpk-pk是11.6V，Output Voltage的Vpk-pk是13.2V。

Test 13的Coutput為4200uF，

Supply Voltage的Vpk-pk是11.6V，Output Voltage的Vpk-pk是13.2V。

由於輸出沒有明顯的改變，因此將Coutput回復為2200uF，

轉為改變Inductor的值。

Test 14的Inductor為200uH，

Supply Voltage的Vpk-pk是7.4V，Output Voltage的Vpk-pk是7.6V。

Test 15的Inductor為300uH，

Supply Voltage的Vpk-pk是6.65V，Output Voltage的Vpk-pk是6.02V。

Test 16的Inductor為400uH，

Supply Voltage的Vpk-pk是5.6V，Output Voltage的Vpk-pk是5.4V。

Test 17的Inductor為600uH，

Supply Voltage的Vpk-pk是4.4V，Output Voltage的Vpk-pk是4.03V。

Test 18的Inductor為700uH，

Supply Voltage的Vpk-pk是2.63V，Output Voltage的Vpk-pk是3.4V。

Test 19的Inductor為800uH，

Supply Voltage的Vpk-pk是3.41V，Output Voltage的Vpk-pk是3.8V。

Test 20的Inductor為900uH，

Supply Voltage的Vpk-pk是2.03V，Output Voltage的Vpk-pk是2.81V。

Test 21的Inductor為1000uH，

Supply Voltage的Vpk-pk是2V，Output Voltage的Vpk-pk是2.31V。

在Data Sheet P.19中發現了一個減少Output Voltage Ripple and Transients的方法，

就是將一個LC Filter加到電路的輸出部分，

因為這是個Buck-Boost Converter，所以電容的極性跟Data Sheet 提出的是相反的，

否則會令到電容損壞，由於手頭上只有100uH的Inductor，

所以Inductor是用上100uH的元件作測試。

Test 22 是沒有反接電容的測試，因此電容損毀，

下面的是損毀了的電容，上面的是正常的，

可以見到體積明顯不同。

Test 23的Inductor為600uH，沒有Loading，

LC Filter為100uH和100uF，

Supply Voltage的Vpk-pk是1.30V，Output Voltage的Vpk-pk是1.40V。

Test 24的Inductor為600uH，Loading為220Ω，

LC Filter為100uH和100uF，

Supply Voltage的Vpk-pk是1.80V，Output Voltage的Vpk-pk是2.40V。

Test 25的Inductor為600uH， 沒有Loading ，

LC Filter為100uH和100uF，

LC Filter 的Inductor 用上了1410454取代原本在用的元件，

Supply Voltage的Vpk-pk是1.10V，Output Voltage的Vpk-pk是1.20V。

Test 26的Inductor為600uH，  Loading為220Ω  ，

LC Filter為100uH和100uF，

LC Filter 的Inductor 用上了1410454取代原本在用的元件，

Supply Voltage的Vpk-pk是1.80V，Output Voltage的Vpk-pk是2.40V。

經過上述測試後，證明了LC Filter能有效減少Output Voltage Ripple and Transients，

因此，把Inductor換回了最初設計的100uH。

Test 27的Inductor為100uH，沒有Loading ，

LC Filter為100uH和100uF，

LC Filter 的Inductor 用上了1410454取代原本在用的元件，

Supply Voltage的Vpk-pk是1.40V，Output Voltage的Vpk-pk是1.40V。

Test 28的Inductor為100uH，Loading為220Ω，

LC Filter為100uH和100uF，

LC Filter 的Inductor 用上了1410454取代原本在用的元件，

Supply Voltage的Vpk-pk是2.40V，Output Voltage的Vpk-pk是2.10V。

Test 29的Inductor為100uH，沒有Loading ，

LC Filter為100uH和100uF，

LC Filter 的Inductor 用回原本的元件，

Supply Voltage的Vpk-pk是1.70V，Output Voltage的Vpk-pk是1.50V。

Test 30的Inductor為100uH， Loading為220Ω，

LC Filter為100uH和100uF，

LC Filter 的Inductor 用回原本的元件，

Supply Voltage的Vpk-pk是2.90V，Output Voltage的Vpk-pk是2.30V。

Test 11 - Test 30 的測試數據總結:

Test 11至 Test 30的測試數據在 120407B-2 LM2575 Buck-Boost Test Data可以找到。

接下來測試了在不同Loading 下的轉換效率，

跟之前的Mini Heat Load Test一樣，

使用了220Ω和47Ω的水泥電阻作為Loading。

Test 31 - Test 40 的測試數據總結:

Test 31至 Test 40的測試數據在 120407B-4 LM2575 Buck-Boost Test Data可以找到。

這次測試的其中一個發現是加上了LC Filter後，

無論在220Ω和47Ω Loading的情況下，

轉換效率均上升了不少。

在220Ω Loading的情況下，轉換效率由Test 5的28.99%上升至Test 31的38.33%。

在47Ω Loading的情況下，轉換效率由Test 6的10.08%下降至Test 3的3.04%。

可能是一直以來的量度基準有誤所以出現了以上的情況。

在所有的Mini Heat Load Test中，我都是用Voltage Probe和Current Probe作量度，

再用P=VI計算出Output Power，再推算出Efficiency。

剛才試算了一次，220Ω Loading的情況下，

電流應為0.0545A，跟Test 31 - Test 35的情況(0.032A)相差很遠。

因此，接下來會重新進行Mini Heat Load Test，

不過會將Output Power由Measure Value 轉為 Design Value。

Test 41至 Test 55的測試數據在 120407B-5 LM2575 Buck-Boost Test Data可以找到。

這次測試中，無論在220Ω，47Ω或267Ω Loading的情況下，
轉換效率均維持在4.7 - 6.33%，
即使在不同的輸入電壓的情況下 (12V, 15V, 18V, 21V, 24V)，
工作效率仍保持這範圍。

接下來拆去了電路中的LC Filter，
看看Output Voltage Ripple and Transients對Efficiency 造成的影響。

Test 56至 Test 70的測試數據在 120407B-6 LM2575 Buck-Boost Test Data可以找到。

Test 41 - 55為加裝了LC Filter的測試數據，
Test 56 - 70為沒有LC Filter的測試數據。

由此可見，加裝了LC Filter可以令轉換效率上升。