45V-5A 조절 가능한 하프브리지 DC to DC 컨버터

소개

DC-DC 벅 컨버터는 전자 장치에서 널리 사용됩니다. 비절연 DC-DC 컨버터의 세 가지 주요 유형은 벅, 부스트, 벅-부스트입니다. 가장 일반적으로 사용되는 유형은 벅 컨버터입니다. 오늘은 입력 전압이 6V에서 45V까지이며 최대 5A의 연속 출력을 제공할 수 있는 조절 가능한 하프브리지 벅 컨버터를 소개하겠습니다. 출력 전압도 조절할 수 있으므로, 전류 조절이 필요하지 않다면 이 회로를 전원 공급 장치로 사용할 수 있습니다.

이 설계는 별도의 PWM 컨트롤러와 하프브리지 드라이버 칩을 사용하여, 최소한의 수정으로 더 높은 전압과 전류에 맞게 조정할 수 있습니다. 스위칭 주파수는 약 65KHz로 설정되어 있지만, 하프브리지 드라이버 칩의 다른 부품 번호를 사용하고 스위칭 인덕터를 다시 계산함으로써 더 높은 스위칭 주파수에 도달할 수 있습니다.

Altium Designer 23을 사용하여 회로도와 PCB를 생성하고, Octopart 웹사이트를 통해 필요한 부품 정보를 수집하여 자재 목록(BOM)을 신속하게 생성했습니다. 오실로스코프, DC 부하, 벤치탑 멀티미터를 사용하여 회로의 전압 안정성, 출력 노이즈, 부하 스텝 응답을 테스트했습니다. 멋진 하드웨어이므로 시작해보겠습니다!

사양

• 입력 전압: 6-45V DC

• 출력 전압: 3V에서 Vin-3까지

• 출력 전류: 5A - 연속 (단시간 6 - 7A까지 가능)

• 출력 노이즈 (20MHz BWL): 무부하 시 5mVp-p, 5A 시 30mVp-p

• 입력 전력: 12V - 조절됨

• 스위칭 주파수: 65KHz

회로 분석

아래에서 회로의 회로도를 볼 수 있습니다. 회로의 두 주요 구성 요소는 UC3843 [1] PWM 컨트롤러 칩과 IR2104 [2] 하프브리지 MOSFET 드라이버임을 알 수 있습니다.

IC1은 유명한 UC3843 PWM 컨트롤러로, 하프브리지 드라이버 칩인 IC2에 대해 65KHz의 사각 파형을 생성합니다. IC1의 스위칭 주파수는 R1과 C5에 의해 결정됩니다. 칩 공급 레일은 노이즈를 최소화하기 위해 R2, C3, C4를 사용하여 만든 RC 필터를 통과합니다. 이 칩은 12V 공급이 필요하며, 회로가 12V 이하의 출력 전압을 커버하기 위해서는 외부에서 제공되어야 합니다.

P1은 보드에 규제된 12V 공급을 제공하는 2.5mm XH 커넥터입니다. C1과 C3는 노이즈를 줄이는 데 사용되며, D1은 올바른 공급 연결을 나타냅니다. 이 공급 레일은 또한 IC2 칩에 전력을 공급합니다.

IC2는 내부적으로 ON/OFF 및 데드타임 기능을 관리하는 잘 알려진 하프브리지 드라이버입니다. 그러나 일반적으로 일부 SMPS 애플리케이션에 대해 실제 입력 스위칭 주파수는 충분히 높지 않습니다. 실제로, 이 드라이버 칩과 MOSFET을 사용하여 65KHz까지의 주파수에서 전력 전달에 문제가 없었습니다. 더 높은 스위칭 주파수의 경우, 더 빠른 하프브리지 드라이버가 필수적입니다.

R7은 IC2를 켜기 위한 풀업 저항으로 기능합니다. C10과 C11은 공급 레일에 대한 디커플링 캐패시터로 작용하며, C9은 부트스트랩 캐패시터로 작용합니다.

Q1과 Q2는 25°C에서 18-milliOhm RDS(on) 등급을 가진 IRFR3710Z D-PACK SMD MOSFET [3]입니다. 이를 통해 외부 히트싱크 없이도 최대 5A의 전류를 이 MOSFET에 사용할 수 있습니다. R5와 R8은 MOSFET 게이트로의 전류를 제한하는 데 사용됩니다.

C7과 C8은 1000uF-50V [4]로 평가되며, 입력 디커플링 캐패시터로서 노이즈를 줄이고 벅 컨버터를 안정화하는 데 사용됩니다. C12부터 C15까지의 출력 캐패시터는 동등한 시리즈 저항(ESR)을 최소화하고 노이즈를 더욱 줄이기 위해 병렬로 배치됩니다. R9와 R10(10K 2512 SMD 저항 [5])은 초기 부하를 제공하고 출력을 안정화합니다. R6은 출력 전압을 조정하기 위해 사용되는 멀티턴 10K 포텐쇼미터이며, C8은 피드백 네트워크를 안정화합니다. L1은 다음 단계에서 논의될 노란색-흰색 토로이달 철 분말 코어에 감겨 있습니다.

인덕터

인덕터 코어는 노란색-흰색(-26 재질) 토로이달 철 분말 코어(Figure 2)입니다. 코어의 치수는 다음과 같습니다:

• 외경: 33mm

• 내경: 19.5mm

• 링 높이: 11.2mm

이 코어에 대한 가장 가까운 부품 번호는 Micrometals의 T130-26 [6]입니다. 인덕터를 감기 위해서는 각각 2.2M의 동일한 길이를 가진 네 개의 0.50mm 구리선(4개의 선을 병렬로)을 준비해야 합니다. 총 인덕턴스는 220uH 이하가 되어서는 안 되므로, 인덕턴스를 측정하기 위해 LCR 미터가 필요합니다.

그림 1: T130-26 재질의 노란색-흰색 토로이달 철가루 코어

PCB 레이아웃

위의 회로의 PCB 레이아웃을 찾을 수 있습니다. 이것은 SMD와 스루홀 구성요소가 혼합된 두 층 PCB 보드입니다. 보시다시피, 몇몇 PCB 전원 평면은 높은 전압을 운반할 수 있으므로, 다른 NET보다 통상보다 높은 클리어런스를 가지고 있습니다. PCB에 대한 자세한 정보는 비디오를 참조해 주세요.

조립 및 테스트

그림 2는 완전히 조립된 PCB 보드를 보여줍니다. 가장 작은 패키지 크기는 0805이므로, 수동으로 구성 요소를 납땜하는 데 문제가 없어야 합니다.

그림 2: 하프브리지 조절 가능한 DC to DC 컨버터의 조립된 PCB 보드

Siglent SDS2102X Plus 오실로스코프, SDM3045X 멀티미터, SDL1020X-E DC 부하를 사용하여 여러 테스트를 수행했습니다. 회로는 안정성, 전압 강하, 출력 노이즈, 부하 스텝 응답에 대해 수용 가능한 결과를 보였습니다. 테스트에 대한 자세한 정보는 비디오를 참조해 주세요. 그림 3은 부하가 없을 때 회로의 출력 노이즈를 보여줍니다.

그림 3: 부하 없을 때 벅 컨버터의 출력 노이즈

그림 4는 최대 5A 부하 하에서의 출력 노이즈를 보여줍니다.

그림 4: 최대 5A 부하에서 벅 컨버터의 출력 노이즈

그림 5는 0.5A에서 5A로의 전류 펄스 상승 에지에 대한 스텝 응답 테스트 결과를 보여줍니다.

그림 5: 0.5A에서 5A로의 전류 펄스 상승 에지에 대한 부하 스텝 응답 테스트

그림 6은 5A에서 0.5A로의 전류 펄스 하강 에지에 대한 스텝 응답 테스트 결과를 보여줍니다.

그림 6: 5A에서 0.5A로의 전류 펄스 하강 에지에 대한 부하 스텝 응답 테스트

그리고 여기 이 프로젝트에 대한 전체 비디오가 있습니다:

여기에서 Altium-365 클라우드 공간에서 프로젝트 파일을 다운로드할 수 있습니다: Altium Community Projects Workspace

참고문헌

[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