Convertisseur DC à DC demi-pont ajustable 45V-5A

Introduction

Les convertisseurs abaisseurs DC-DC sont largement utilisés dans les appareils électroniques. Trois principaux types de convertisseurs DC-DC non isolés existent : Buck, Boost et Buck-Boost. Le type le plus couramment utilisé est le convertisseur Buck. Aujourd'hui, je vais vous présenter un convertisseur abaisseur demi-pont réglable capable de gérer des tensions d'entrée allant de 6V à 45V et de fournir un courant de sortie continu pouvant atteindre 5A. Vous pouvez également ajuster la tension de sortie, donc si l'ajustement du courant n'est pas nécessaire, ce circuit peut servir d'alimentation électrique.

Le design utilise un contrôleur PWM séparé et une puce de pilote demi-pont, ce qui vous permet de l'adapter pour des tensions et des courants plus élevés avec des modifications minimales. La fréquence de commutation est fixée à environ 65KHz, mais vous pouvez atteindre une fréquence de commutation plus élevée en utilisant un numéro de pièce différent pour la puce de pilote demi-pont et en recalculant l'inductance de commutation.

En utilisant Altium Designer 23 pour créer le schéma et le PCB, j'ai rassemblé les informations nécessaires sur les composants et généré rapidement la nomenclature (BOM) via le site Web Octopart. En utilisant un oscilloscope, une charge DC et un multimètre de table, j'ai testé le circuit pour la stabilité de la tension, le bruit de sortie et la réponse en charge. C'est un beau morceau de matériel, alors commençons !

Spécifications

• Tension d'entrée : 6-45V DC

• Tension de sortie : 3V à Vin-3

• Courant de sortie : 5A - Continu (jusqu'à 6 - 7A en courte durée)

• Bruit de sortie (20MHz BWL) : 5mVp-p (sans charge), 30mVp-p (5A)

• Puissance d'entrée : 12V - Régulée

• Fréquence de commutation : 65KHz

Analyse du circuit

Ci-dessous, vous verrez un schéma du circuit. Vous remarquerez peut-être que les deux principaux composants du circuit sont la puce de contrôleur PWM UC3843 [1] et le pilote de MOSFET demi-pont IR2104 [2].

IC1 est le célèbre contrôleur PWM UC3843, générant des impulsions carrées de 65KHz pour la puce de commande de demi-pont, IC2. La fréquence de commutation de IC1 est déterminée par R1 et C5. Le rail d'alimentation de la puce passe par un filtre RC qui est créé en utilisant R2, C3 et C4 pour minimiser le bruit. La puce nécessite une alimentation de 12V, qui doit être fournie de l'extérieur pour que le circuit puisse couvrir également les tensions de sortie inférieures à 12V.

P1 est un connecteur XH de 2,5mm qui fournit une alimentation régulée de 12V à la carte. C1 et C3 sont utilisés pour réduire le bruit, et D1 indique une connexion d'alimentation correcte. Ce rail d'alimentation alimente également la puce IC2.

IC2 est un pilote de demi-pont bien connu qui gère en interne les fonctions ON/OFF et de temps mort. Cependant, la fréquence de commutation d'entrée réaliste n'est pas assez élevée pour certaines applications SMPS en général. En pratique, je n'ai pas constaté de problèmes dans la livraison de puissance pour des fréquences allant jusqu'à 65KHz en utilisant cette puce de pilote et des MOSFETs. Pour des fréquences de commutation plus élevées, un pilote de demi-pont plus rapide est obligatoire.

R7 fonctionne comme une résistance de tirage pour maintenir IC2 ON. C10 et C11 servent de condensateurs de découplage pour le rail d'alimentation, tandis que C9 agit comme un condensateur de bootstrap.

Q1 et Q2 sont des MOSFETs SMD D-PACK IRFR3710Z [3] avec une notation RDS(on) de 18-milliOhms à 25°C. Cela nous permet d'utiliser ces MOSFETs pour des courants allant jusqu'à 5A sans avoir besoin de dissipateurs thermiques externes. R5 et R8 sont utilisés pour limiter le courant aux portes des MOSFETs.

C7 et C8, notés à 1000uF-50V [4], servent de condensateurs de découplage d'entrée, réduisant le bruit et stabilisant le convertisseur buck. C12 à C15 sont des condensateurs de sortie, placés en parallèle pour minimiser la Résistance Série Équivalente (ESR) et réduire davantage le bruit. R9 et R10 (résistances SMD 10K 2512 [5]) fournissent une charge initiale et stabilisent la sortie. R6 est un potentiomètre multi-tours de 10K utilisé pour ajuster la tension de sortie, où C8 stabilise le réseau de rétroaction. L1 est enroulé sur un noyau de poudre de fer toroïdal jaune-blanc, qui sera discuté à l'étape suivante.

Inducteur

Le noyau de l'inducteur est un noyau toroïdal de poudre de fer jaune-blanc (-26 matériel) (Figure 2). Les dimensions du noyau sont les suivantes :

• Diamètre extérieur : 33mm

• Diamètre intérieur : 19,5mm

• Hauteur de l'anneau : 11,2mm

Le numéro de pièce le plus proche pour ce noyau est T130-26 de Micrometals [6]. Pour enrouler l'inducteur, vous devez préparer quatre fils de cuivre de 0,50mm (4 fils en parallèle), avec une longueur identique de 2,2M pour chacun. L'inductance totale ne doit pas être inférieure à 220uH, donc vous avez besoin d'un mètre LCR pour mesurer l'inductance.

Figure 1 : Noyau de poudre de fer toroïdal jaune-blanc en matériau T130-26

Disposition des PCB

Vous trouverez la disposition du PCB du circuit ci-dessus. C'est un PCB à deux couches qui contient un mélange de composants SMD et à travers-trou. Comme vous le verrez, quelques plans d'alimentation du PCB peuvent transporter des hautes tensions, c'est pourquoi ils ont une distance de dégagement supérieure à la normale par rapport aux autres NETs. Veuillez regarder la vidéo pour plus d'informations concernant le PCB.

Assemblage et Test

La figure 2 montre un PCB entièrement assemblé. La taille de package la plus petite est 0805, donc vous ne devriez pas avoir de problème pour souder les composants à la main.

Figure 2 : Carte PCB assemblée du convertisseur DC à DC réglable en demi-pont

J'ai effectué plusieurs tests en utilisant l'oscilloscope Siglent SDS2102X Plus, le multimètre SDM3045X et la charge DC SDL1020X-E. Le circuit a démontré des résultats acceptables en termes de stabilité, de chute de tension, de bruit de sortie et de réponse en charge. Veuillez voir la vidéo pour plus d'informations concernant les tests. La figure 3 montre le bruit de sortie du circuit sans charge.

Figure 3 : Bruit de sortie du convertisseur buck (sans charge)

La figure 4 montre le bruit de sortie sous la charge maximale de 5A.

Figure 4 : Bruit de sortie du convertisseur buck (charge maximale de 5A)

La figure 5 montre les résultats du test de réponse en charge, pour le front montant d'une impulsion de courant de 0,5A à 5A.

Figure 5 : Test de réponse en charge (déclenchement sur front montant de l'impulsion de courant de 0,5A à 5A)

La figure 6 montre les résultats du test de réponse en charge, pour le front descendant d'une impulsion de courant de 5A à 0,5A.

Figure 6 : Test de réponse en charge (déclenchement sur front descendant de l'impulsion de courant de 5A à 0,5A)

Et voici une vidéo complète sur ce projet :

Vous pouvez télécharger les fichiers du projet depuis l'espace cloud Altium-365 ici : Espace de travail des projets de la communauté Altium

Références

[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