Convertitore DC-DC Half-Bridge Regolabile da 45V a 5A

Introduzione

I convertitori DC-DC buck sono ampiamente utilizzati nei dispositivi elettronici. I tre principali tipi di convertitori DC-DC non isolati sono Buck, Boost e Buck-Boost. Il tipo più comunemente utilizzato è il convertitore Buck. Oggi vi presenterò un convertitore buck a mezzo ponte regolabile che può gestire tensioni di ingresso che vanno da 6V a 45V e fornire un'uscita continua fino a 5A. È possibile anche regolare la tensione di uscita, quindi se l'aggiustamento della corrente non è necessario, questo circuito può fungere da alimentatore.

Il design impiega un controller PWM separato e un chip driver Half-Bridge, che vi permette di adattarlo per tensioni e correnti più elevate con modifiche minime. La frequenza di commutazione è impostata intorno a 65KHz, ma è possibile ottenere una frequenza di commutazione più alta utilizzando un diverso numero di parte per il chip driver Half-Bridge e ricalcolando l'induttore di commutazione.

Utilizzando Altium Designer 23 per creare lo schema e il PCB, ho raccolto le informazioni necessarie sui componenti e generato rapidamente il Bill of Materials (BOM) tramite il sito web di Octopart. Utilizzando un oscilloscopio, un carico DC e un multimetro da banco, ho testato il circuito per la stabilità della tensione, il rumore di uscita e la risposta al passo di carico. È un bel pezzo di hardware, quindi iniziamo!

Specifiche

• Tensione di ingresso: 6-45V DC

• Tensione di uscita: 3V a Vin-3

• Corrente di uscita: 5A - Continua (fino a 6 - 7A a breve termine)

• Rumore di uscita (20MHz BWL): 5mVp-p (senza carico), 30mVp-p (5A)

• Potenza di ingresso: 12V - Regolata

• Frequenza di commutazione: 65KHz

Analisi del Circuito

Di seguito vedrete uno schema del circuito. Potreste notare che i due componenti principali del circuito sono il chip controller PWM UC3843 [1] e il driver MOSFET half-bridge IR2104 [2].

IC1 è il famoso controller PWM UC3843, che genera impulsi quadrati a 65KHz per il chip driver del mezzo ponte, IC2. La frequenza di commutazione di IC1 è determinata da R1 e C5. L'alimentazione del chip passa attraverso un filtro RC creato usando R2, C3 e C4 per minimizzare il rumore. Il chip richiede un'alimentazione di 12V, che dovrebbe essere fornita esternamente al circuito per coprire anche tensioni di uscita inferiori a 12V.

P1 è un connettore XH da 2,5mm che fornisce un'alimentazione regolata a 12V alla scheda. C1 e C3 sono utilizzati per ridurre il rumore, e D1 indica un corretto collegamento dell'alimentazione. Questo binario di alimentazione fornisce energia anche al chip IC2.

IC2 è un noto driver di mezzo ponte che gestisce internamente le funzioni di ON/OFF e il tempo morto. Tuttavia, la frequenza di commutazione in ingresso realistica non è abbastanza alta per alcune applicazioni SMPS in generale. Nella pratica, non ho riscontrato problemi nella consegna di potenza per frequenze fino a 65KHz utilizzando questo chip driver e MOSFET. Per frequenze di commutazione più elevate, è obbligatorio un driver di mezzo ponte più veloce.

R7 funziona come resistore di pull-up per mantenere IC2 acceso. C10 e C11 fungono da condensatori di disaccoppiamento per il binario di alimentazione, mentre C9 agisce come un condensatore di bootstrap.

Q1 e Q2 sono MOSFET SMD D-PACK IRFR3710Z [3] con una valutazione RDS(on) di 18 milliohm a 25°C. Questo ci permette di utilizzare questi MOSFET per correnti fino a 5A senza la necessità di dissipatori di calore esterni. R5 e R8 sono utilizzati per limitare la corrente ai gate dei MOSFET.

C7 e C8 valutati a 1000uF-50V [4], fungono da condensatori di disaccoppiamento in ingresso, riducendo il rumore e stabilizzando il convertitore buck. C12 fino a C15 sono condensatori di uscita, posti in parallelo per minimizzare la Resistenza Serie Equivalente (ESR) e ridurre ulteriormente il rumore. R9 e R10 (resistori SMD 2512 da 10K [5]) forniscono un carico iniziale e stabilizzano l'uscita. R6 è un potenziometro multigiro da 10K utilizzato per regolare la tensione di uscita, dove C8 stabilizza la rete di feedback. L1 è avvolto su un nucleo toroidale di polvere di ferro bianco-giallo, che verrà discusso nella prossima fase.

Induttore

Il nucleo dell'induttore è un nucleo toroidale di polvere di ferro bianco-giallo (-26 material). Le dimensioni del nucleo sono le seguenti:

• Diametro esterno: 33mm

• Diametro interno: 19,5mm

• Altezza dell'anello: 11,2mm

Il numero di parte più vicino per questo nucleo è T130-26 di Micrometals [6]. Per avvolgere l'induttore, è necessario preparare quattro fili di rame da 0,50mm (4 fili in parallelo), con una lunghezza identica di 2,2M per ciascuno. L'induttanza totale non dovrebbe essere inferiore a 220uH, quindi è necessario un misuratore LCR per misurare l'induttanza.

Figura 1: Materiale T130-26 nucleo toroidale in polvere di ferro giallo-bianco

Layout PCB

Troverai il layout PCB del circuito sopra. Si tratta di un PCB a due strati che contiene una miscela di componenti SMD e a foro passante. Come vedrai, alcuni piani di potenza del PCB potrebbero trasportare alte tensioni, motivo per cui hanno una distanza di sicurezza maggiore del normale rispetto ad altri NET. Guarda il video per maggiori informazioni riguardo il PCB.

Assemblaggio e Test

La figura 2 mostra un PCB completamente assemblato. La dimensione minima del pacchetto è 0805, quindi non dovresti avere problemi a saldare i componenti a mano.

Figura 2: PCB assemblato del convertitore DC a DC regolabile Half-Bridge

Ho eseguito diversi test utilizzando l'oscilloscopio Siglent SDS2102X Plus, il multimetro SDM3045X e il carico DC SDL1020X-E. Il circuito ha dimostrato risultati accettabili per stabilità, caduta di tensione, rumore in uscita e risposta al gradino di carico. Guarda il video per maggiori informazioni riguardo i test. La figura 3 mostra il rumore in uscita del circuito a vuoto.

Figura 3: Rumore di uscita del convertitore buck (senza carico)

La figura 4 mostra il rumore di uscita sotto il carico massimo di 5A.

Figura 4: Rumore di uscita del convertitore buck (carico massimo 5A)

La figura 5 mostra i risultati del test di risposta al gradino, per il fronte di salita di un impulso di corrente da 0,5A a 5A.

Figura 5: Test di risposta al gradino di carico (trigger del fronte di salita dell'impulso di corrente da 0.5A a 5A)

La figura 6 mostra i risultati del test di risposta al gradino, per il fronte di discesa di un impulso di corrente da 5A a 0,5A.

Figura 6: Test di risposta al gradino di carico (trigger del fronte di discesa dell'impulso di corrente da 5A a 0.5A)

E qui avete un video completo su questo progetto:

Puoi scaricare i file del progetto dallo spazio cloud di Altium-365 qui: Spazio di lavoro dei progetti della comunità di Altium

Riferimenti

[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