45V-5A einstellbarer Halbbrücken-DC-zu-DC-Wandler

Einführung

DC-zu-DC-Abwärtswandler werden weit verbreitet in elektronischen Geräten eingesetzt. Die drei Haupttypen von nicht isolierten DC-zu-DC-Wandlern sind Buck, Boost und Buck-Boost. Der am häufigsten verwendete Typ ist der Buck-Wandler. Heute werde ich Ihnen einen einstellbaren Halbbrücken-Buck-Wandler vorstellen, der Eingangsspannungen von 6V bis 45V verarbeiten kann und einen kontinuierlichen Ausgang von bis zu 5A liefert. Sie können auch die Ausgangsspannung anpassen, sodass, wenn eine Stromanpassung nicht notwendig ist, diese Schaltung als Stromversorgung dienen kann.

Das Design verwendet einen separaten PWM-Controller und einen Halbbrücken-Treiberchip, was es Ihnen ermöglicht, es für höhere Spannungen und Ströme mit minimalen Änderungen anzupassen. Die Schaltfrequenz ist auf etwa 65KHz eingestellt, aber Sie können eine höhere Schaltfrequenz erreichen, indem Sie eine andere Teilenummer für den Halbbrücken-Treiberchip verwenden und die Schaltinduktivität neu berechnen.

Mit Altium Designer 23 zum Erstellen des Schaltplans und der PCB habe ich die notwendigen Komponenteninformationen gesammelt und schnell die Stückliste (BOM) über die Octopart-Website generiert. Mit einem Oszilloskop, einer DC-Last und einem Tischmultimeter habe ich die Schaltung auf Spannungsstabilität, Ausgangsrauschen und Lastsprungantwort getestet. Es ist ein schönes Stück Hardware, also lasst uns anfangen!

Spezifikationen

• Eingangsspannung: 6-45V DC

• Ausgangsspannung: 3V bis Vin-3

• Ausgangsstrom: 5A - Kontinuierlich (bis zu 6 - 7A kurzzeitig)

• Ausgangsrauschen (20MHz BWL): 5mVp-p (ohne Last), 30mVp-p (bei 5A)

• Eingangsleistung: 12V - Geregelt

• Schaltfrequenz: 65KHz

Schaltungsanalyse

Unten sehen Sie einen Schaltplan der Schaltung. Sie werden bemerken, dass die zwei Hauptkomponenten der Schaltung der UC3843 [1] PWM-Controller-Chip und der IR2104 [2] Halbbrücken-MOSFET-Treiber sind.

IC1 ist der bekannte UC3843 PWM-Controller, der 65KHz Rechteckimpulse für den Halbbrücken-Treiberchip IC2 erzeugt. Die Schaltfrequenz von IC1 wird durch R1 und C5 bestimmt. Die Versorgungsschiene des Chips durchläuft ein RC-Filter, das mit R2, C3 und C4 erstellt wird, um das Rauschen zu minimieren. Der Chip benötigt eine 12V Versorgung, die extern bereitgestellt werden sollte, damit die Schaltung auch Ausgangsspannungen unter 12V abdecken kann.

P1 ist ein 2,5mm XH-Stecker, der eine geregelte 12V-Versorgung an das Board liefert. C1 und C3 werden verwendet, um Rauschen zu reduzieren, und D1 zeigt eine korrekte Versorgungsverbindung an. Diese Versorgungsschiene versorgt auch den IC2-Chip mit Strom.

IC2 ist ein bekannter Halbbrücken-Treiber, der intern die Ein-/Ausschalt- und Totzeitfunktionen verwaltet. Allerdings ist die realistische Eingangsschaltfrequenz für einige SMPS-Anwendungen im Allgemeinen nicht hoch genug. In der Praxis habe ich keine Probleme bei der Stromversorgung für Frequenzen bis zu 65KHz festgestellt, indem ich diesen Treiberchip und MOSFETs verwendet habe. Für höhere Schaltfrequenzen ist ein schnellerer Halbbrücken-Treiber obligatorisch.

R7 fungiert als Pull-up-Widerstand, um IC2 eingeschaltet zu halten. C10 und C11 dienen als Entkopplungskondensatoren für die Versorgungsschiene, während C9 als Bootstrap-Kondensator wirkt.

Q1 und Q2 sind IRFR3710Z D-PACK SMD-MOSFETs [3] mit einem 18-milliOhm RDS(on)-Wert bei 25°C. Dies ermöglicht es uns, diese MOSFETs für Ströme bis zu 5A ohne die Notwendigkeit externer Kühlkörper zu nutzen. R5 und R8 werden verwendet, um den Strom zu den MOSFET-Gates zu begrenzen.

C7 und C8 mit einer Bewertung von 1000uF-50V [4], dienen als Eingangs-Entkopplungskondensatoren, reduzieren Rauschen und stabilisieren den Buck-Konverter. C12 bis C15 sind Ausgangskondensatoren, die parallel geschaltet sind, um den Äquivalenten Serienwiderstand (ESR) zu minimieren und das Rauschen weiter zu reduzieren. R9 und R10 (10K 2512 SMD-Widerstände [5]) bieten eine Anfangslast und stabilisieren den Ausgang. R6 ist ein Mehrgang-10K-Potentiometer, das zur Einstellung der Ausgangsspannung verwendet wird, wobei C8 das Rückkopplungsnetzwerk stabilisiert. L1 ist auf einen gelb-weißen toroidalen Eisenpulverkern gewickelt, der im nächsten Schritt besprochen wird.

Induktor

Der Induktorkern ist ein gelb-weißer (-26 Material) toroidaler Eisenpulverkern (Abbildung 2). Die Abmessungen des Kerns sind wie folgt:

• Außendurchmesser: 33mm

• Innendurchmesser: 19,5mm

• Ringhöhe: 11,2mm

Die nächstliegende Teilenummer für diesen Kern ist T130-26 von Micrometals [6]. Um den Induktor zu wickeln, müssen Sie vier 0,50mm Kupferdrähte (4 Drähte parallel) vorbereiten, mit einer identischen Länge von jeweils 2,2M. Die Gesamtinduktivität sollte nicht unter 220uH liegen, daher benötigen Sie ein LCR-Messgerät, um die Induktivität zu messen.

Abbildung 1: T130-26 Material gelb-weißer toroidaler Eisenpulverkern

PCB-Layout

Sie finden das PCB-Layout der Schaltung oben. Es handelt sich um eine zweilagige PCB-Platine, die eine Mischung aus SMD- und Durchsteckkomponenten enthält. Wie Sie sehen werden, können einige PCB-Stromebenen hohe Spannungen führen, weshalb sie einen höheren als normalen Abstand als andere NETs haben. Bitte sehen Sie sich das Video für weitere Informationen bezüglich des PCBs an.

Montage und Test

Abbildung 2 zeigt eine vollständig montierte PCB-Platine. Die kleinste Paketgröße ist 0805, daher sollten Sie keine Probleme haben, die Komponenten von Hand zu löten.

Abbildung 2: Montierte PCB-Platine des einstellbaren Halbbrücken-DC-DC-Wandlers

Ich habe mehrere Tests mit dem Siglent SDS2102X Plus Oszilloskop, dem SDM3045X Multimeter und der SDL1020X-E DC-Last durchgeführt. Die Schaltung zeigte akzeptable Ergebnisse hinsichtlich Stabilität, Spannungsabfall, Ausgangsrauschen und Lastsprungantwort. Bitte sehen Sie sich das Video für weitere Informationen bezüglich der Tests an. Abbildung 3 zeigt das Ausgangsrauschen der Schaltung ohne Last.

Abbildung 3: Ausgangsrauschen des Abwärtswandlers (keine Last)

Abbildung 4 zeigt das Ausgangsrauschen unter der maximalen Last von 5A.

Abbildung 4: Ausgangsrauschen des Abwärtswandlers (maximale Last 5A)

Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse des Sprungantworttests, für die ansteigende Flanke eines Stromimpulses von 0,5A auf 5A.

Abbildung 5: Sprungantworttest bei Last (ansteigende Flanke des Stromimpulses von 0,5A auf 5A)

Abbildung 6 zeigt die Ergebnisse des Sprungantworttests, für die abfallende Flanke eines Stromimpulses von 5A auf 0,5A.

Abbildung 6: Sprungantworttest bei Last (abfallende Flanke des Stromimpulses von 5A auf 0,5A)

Und hier haben Sie ein vollständiges Video über dieses Projekt:

Sie können die Projektdateien hier aus dem Altium-365-Cloud-Speicher herunterladen: Altium Community Projects Workspace

Referenzen

[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