45V-5A 可変式ハーフブリッジ DC to DC コンバータ

はじめに

DC-DCバックコンバータは、電子機器に広く使用されています。非絶縁型DC-DCコンバータには、バック、ブースト、バックブーストの3つの主要なタイプがあります。最も一般的に使用されるタイプはバックコンバータです。今日は、6Vから45Vの入力電圧に対応し、最大5Aの連続出力を提供できる調整可能なハーフブリッジバックコンバータについて紹介します。出力電圧も調整できるので、電流の調整が必要ない場合、この回路は電源として機能します。

この設計は、PWMコントローラとハーフブリッジドライバチップを別々に使用しており、最小限の変更でより高い電圧と電流に対応させることができます。スイッチング周波数は約65KHzに設定されていますが、ハーフブリッジドライバチップの異なる型番を使用し、スイッチングインダクタを再計算することで、より高いスイッチング周波数を得ることができます。

Altium Designer 23を使用して回路図とPCBを作成し、Octopartウェブサイトを通じて必要な部品情報を収集し、素早く部品表（BOM）を生成しました。オシロスコープ、DCロード、ベンチトップマルチメーターを使用して、回路の電圧安定性、出力ノイズ、負荷ステップ応答をテストしました。素晴らしいハードウェアなので、始めましょう！

仕様

• 入力電圧: 6-45V DC

• 出力電圧: 3V から Vin-3まで

• 出力電流: 5A - 連続（短期間は最大6 - 7A）

• 出力ノイズ（20MHz BWL）: 無負荷時 5mVp-p、5A負荷時 30mVp-p

• 入力電力: 12V - 定電圧

• スイッチング周波数: 65KHz

回路解析

以下に、回路の回路図を示します。回路の2つの主要なコンポーネントは、UC3843 [1] PWMコントローラチップとIR2104 [2] ハーフブリッジMOSFETドライバであることがわかります。

IC1は、有名なUC3843 PWMコントローラで、ハーフブリッジドライバーチップIC2に対して65KHzの正方波パルスを生成します。IC1のスイッチング周波数はR1とC5によって決定されます。チップの供給レールは、ノイズを最小限に抑えるためにR2、C3、およびC4を使用して作成されたRCフィルターを通過します。このチップには12Vの供給が必要で、回路が12V以下の出力電圧をカバーするためには外部から供給されるべきです。

P1は、基板に規制された12Vの供給を提供する2.5mm XHコネクタです。C1とC3はノイズを減らすために使用され、D1は正しい供給接続を示します。この供給レールはIC2チップにも電力を供給します。

IC2は、内部でON/OFFおよびデッドタイム機能を管理するよく知られたハーフブリッジドライバーです。しかし、一般的なSMPSアプリケーションに対しては、実際の入力スイッチング周波数は十分に高くありません。実際には、このドライバーチップとMOSFETを使用して65KHzまでの周波数で電力供給に問題がないことを見たことがありません。より高いスイッチング周波数の場合、より速いハーフブリッジドライバーが必須です。

R7はIC2をONに保つためのプルアップ抵抗として機能します。C10とC11は供給レールのためのデカップリングコンデンサとして機能し、C9はブートストラップコンデンサとして機能します。

Q1とQ2は、25°Cで18ミリオームのRDS（on）定格を持つIRFR3710Z D-PACK SMD MOSFET [3]です。これにより、外部ヒートシンクなしで最大5Aの電流をこれらのMOSFETで利用できます。R5とR8はMOSFETゲートへの電流を制限するために使用されます。

C7とC8は1000uF-50V [4]で評価され、入力デカップリングコンデンサとして機能し、ノイズを減らしバックコンバータを安定させます。C12からC15は出力コンデンサとして並列に配置され、等価直列抵抗（ESR）を最小限に抑え、さらにノイズを減らします。R9とR10（10K 2512 SMD抵抗 [5]）は初期負荷を提供し、出力を安定させます。R6は出力電圧を調整するために使用されるマルチターン10Kポテンショメータで、C8はフィードバックネットワークを安定させます。L1は黄白色のトロイダル鉄粉コアに巻かれており、次のステップで説明されます。

インダクタ

インダクタコアは黄白色（-26材料）のトロイダル鉄粉コア（図2）です。コアの寸法は以下の通りです：

• 外径：33mm

• 内径：19.5mm

• リング高さ：11.2mm

このコアの最も近い部品番号はMicrometalsのT130-26 [6]です。インダクタを巻くためには、4本の0.50mm銅線（4本を並列に）を用意し、それぞれ2.2Mの同じ長さが必要です。合計インダクタンスは220uH以下であってはならず、インダクタンスを測定するためにLCRメータが必要です。

図1: T130-26材料 黄白色のトロイダル鉄粉コア

PCBレイアウト

上記の回路のPCBレイアウトが見つかります。これは、SMDとスルーホールコンポーネントの混合を含む2層PCBボードです。いくつかのPCBパワープレーンは高電圧を運ぶ可能性があるため、他のNETよりも通常よりも高いクリアランスがあります。PCBに関する詳細情報については、ビデオをご覧ください。

組み立てとテスト

図2は、完全に組み立てられたPCBボードを示しています。最小のパッケージサイズは0805なので、手でコンポーネントをはんだ付けするのに問題はないはずです。

図2: ハーフブリッジ可変DCからDCへのコンバーターの組み立てられたPCBボード

Siglent SDS2102X Plusオシロスコープ、SDM3045Xマルチメーター、およびSDL1020X-E DCロードを使用していくつかのテストを実施しました。回路は安定性、電圧降下、出力ノイズ、および負荷ステップ応答について受け入れられる結果を示しました。テストに関する詳細情報については、ビデオをご覧ください。図3は、無負荷時の回路の出力ノイズを示しています。

図3: バックコンバータの出力ノイズ（無負荷時）

図4は、最大5Aの負荷下での出力ノイズを示しています。

図4: バックコンバータの出力ノイズ（最大5A負荷時）

図5は、0.5Aから5Aの電流パルスの立ち上がりエッジに対するステップ応答テスト結果を示しています。

図5: 負荷ステップ応答テスト（0.5Aから5Aの電流パルスの立ち上がりエッジトリガー）

図6は、5Aから0.5Aの電流パルスの立ち下がりエッジに対するステップ応答テスト結果を示しています。

図6: 負荷ステップ応答テスト（5Aから0.5Aの電流パルスの立ち下がりエッジトリガー）

そして、こちらがこのプロジェクトに関する完全なビデオです：

プロジェクトファイルはこちらのAltium-365クラウドスペースからダウンロードできます：Altium Community Projects Workspace

参考文献

[1]: UC3843: https://octopart.com/uc3843bd1013tr-stmicroelectronics-496384?r=sp

[2]: IR2104: https://octopart.com/ir2104spbf-infineon-65872813?r=sp

[3]: IRFR3710Z: https://octopart.com/irfr3710ztrpbf-infineon-65874131?r=sp

[4]: 1000uF-50V: https://octopart.com/eeufr1h102-panasonic-13148191?r=sp

[5]: 10K-2512: https://octopart.com/crgcq2512j10k-te+connectivity-91018617?r=sp

[6]: T130-26: https://octopart.com/t130-26-micrometals-34992736?r=sp