Convertidor DC a DC de medio puente ajustable de 45V-5A

Introducción

Los convertidores reductores de CC a CC son ampliamente utilizados en dispositivos electrónicos. Los tres principales tipos de convertidores de CC a CC no aislados son Buck, Boost y Buck-Boost. El tipo más comúnmente utilizado es el convertidor Buck. Hoy, te presentaré un convertidor reductor de medio puente ajustable que puede manejar voltajes de entrada que van desde 6V hasta 45V y entregar una salida continua de hasta 5A. También puedes ajustar el voltaje de salida, así que si el ajuste de corriente no es necesario, este circuito puede servir como una fuente de alimentación.

El diseño emplea un controlador PWM separado y un chip controlador de medio puente, lo que te permite adaptarlo para voltajes y corrientes más altos con modificaciones mínimas. La frecuencia de conmutación se establece en alrededor de 65KHz, pero puedes llegar a una frecuencia de conmutación más alta utilizando un número de parte diferente para el chip controlador de medio puente y recalculando el inductor de conmutación.

Usando Altium Designer 23 para crear el esquemático y el PCB, recopilé la información necesaria de los componentes y generé rápidamente la Lista de Materiales (BOM) a través del sitio web de Octopart. Utilizando un osciloscopio, carga de CC y un multímetro de banco, probé el circuito para estabilidad de voltaje, ruido de salida y respuesta de paso de carga. ¡Es un buen pedazo de hardware, así que empecemos!

Especificaciones

• Voltaje de Entrada: 6-45V DC

• Voltaje de Salida: 3V a Vin-3

• Corriente de Salida: 5A - Continua (hasta 6 - 7A en corta duración)

• Ruido de Salida (20MHz BWL): 5mVp-p (sin carga), 30mVp-p (5A)

• Potencia de Entrada: 12V - Regulada

• Frecuencia de Conmutación: 65KHz

Análisis del Circuito

A continuación, verás un diagrama esquemático del circuito. Podrás notar que los dos componentes principales del circuito son el chip controlador PWM UC3843 [1] y el controlador de MOSFET de medio puente IR2104 [2].

IC1 es el famoso controlador PWM UC3843, generando pulsos cuadrados de 65KHz para el chip controlador de medio puente, IC2. La frecuencia de conmutación de IC1 está determinada por R1 y C5. La línea de alimentación del chip pasa a través de un filtro RC que se crea usando R2, C3 y C4 para minimizar el ruido. El chip requiere una alimentación de 12V, que debe ser proporcionada externamente para que el circuito cubra también voltajes de salida inferiores a 12V.

P1 es un conector XH de 2.5mm que entrega una alimentación regulada de 12V a la placa. C1 y C3 se utilizan para reducir el ruido, y D1 indica una conexión de alimentación correcta. Esta línea de alimentación también alimenta el chip IC2.

IC2 es un conocido controlador de medio puente que gestiona internamente las funciones de ENCENDIDO/APAGADO y tiempo muerto. Sin embargo, la frecuencia de conmutación de entrada realista no es lo suficientemente alta para algunas aplicaciones de SMPS en general. En la práctica, no he visto problemas en la entrega de potencia para frecuencias de hasta 65KHz utilizando este chip controlador y MOSFETs. Para frecuencias de conmutación más altas, es obligatorio un controlador de medio puente más rápido.

R7 funciona como una resistencia de pull-up para mantener IC2 ENCENDIDO. C10 y C11 sirven como condensadores de desacoplamiento para la línea de alimentación, mientras que C9 actúa como un condensador de arranque.

Q1 y Q2 son MOSFETs SMD D-PACK IRFR3710Z [3] con una calificación RDS(on) de 18-milliOhm a 25°C. Esto nos permite utilizar estos MOSFETs para corrientes de hasta 5A sin la necesidad de disipadores de calor externos. R5 y R8 se utilizan para limitar la corriente a las puertas de los MOSFETs.

C7 y C8 calificados en 1000uF-50V [4], sirven como condensadores de desacoplamiento de entrada, reduciendo el ruido y estabilizando el convertidor buck. C12 a C15 son condensadores de salida, colocados en paralelo para minimizar la Resistencia Serie Equivalente (ESR) y reducir aún más el ruido. R9 y R10 (resistencias SMD 2512 de 10K [5]) proporcionan una carga inicial y estabilizan la salida. R6 es un potenciómetro de 10K de múltiples vueltas utilizado para ajustar el voltaje de salida, donde C8 estabiliza la red de retroalimentación. L1 está enrollado en un núcleo de polvo de hierro toroidal blanco-amarillo, lo cual se discutirá en el siguiente paso.

Inductor

El núcleo del inductor es un núcleo toroidal de polvo de hierro blanco-amarillo (-26 material). Las dimensiones del núcleo son las siguientes:

• Diámetro Exterior: 33mm

• Diámetro Interior: 19.5mm

• Altura del Anillo: 11.2mm

El número de parte más cercano para este núcleo es T130-26 de Micrometals [6]. Para enrollar el inductor, necesitas preparar cuatro cables de cobre de 0.50mm (4 cables en paralelo), con una longitud idéntica de 2.2M para cada uno. La inductancia total no debe ser inferior a 220uH, por lo que necesitas un medidor LCR para medir la inductancia.

Figura 1: Material T130-26 núcleo de hierro en polvo toroidal amarillo-blanco

Diseño de PCB

Encontrarás el diseño de PCB del circuito arriba mencionado. Es una placa de PCB de dos capas que contiene una mezcla de componentes SMD y de orificio pasante. Como verás, algunos planos de potencia de PCB podrían llevar altos voltajes, por lo que tienen una separación mayor de lo normal que otros NETs. Por favor, mira el video para más información sobre el PCB.

Ensamblaje y Prueba

La figura 2 muestra una placa de PCB completamente ensamblada. El tamaño de paquete más pequeño es 0805, por lo que no deberías tener ningún problema soldando los componentes a mano.

Figura 2: Placa de PCB ensamblada del convertidor DC a DC ajustable de Medio Puente

Realicé varias pruebas usando el osciloscopio Siglent SDS2102X Plus, el multímetro SDM3045X y la carga DC SDL1020X-E. El circuito demostró resultados aceptables en cuanto a estabilidad, caída de voltaje, ruido de salida y respuesta de carga escalonada. Por favor, ve el video para más información sobre las pruebas. La figura 3 muestra el ruido de salida del circuito sin carga.

Figura 3: Ruido de salida del convertidor buck (sin carga)

La Figura 4 muestra el ruido de salida bajo la carga máxima de 5A.

Figura 4: Ruido de salida del convertidor buck (carga máxima de 5A)

La Figura 5 muestra los resultados de la prueba de respuesta en escalón, para el flanco ascendente de un pulso de corriente de 0.5A a 5A.

Figura 5: Prueba de respuesta en escalón de carga (disparador de flanco ascendente del pulso de corriente de 0.5A a 5A)

La Figura 6 muestra los resultados de la prueba de respuesta en escalón, para el flanco descendente de un pulso de corriente de 5A a 0.5A.

Figura 6: Prueba de respuesta en escalón de carga (disparador de flanco descendente del pulso de corriente de 5A a 0.5A)

Y aquí tienes un video completo sobre este proyecto:

Puedes descargar los archivos del proyecto desde el espacio en la nube de Altium-365 aquí: Espacio de Trabajo de Proyectos de la Comunidad de Altium

Referencias

[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