Przetwornica DC na DC typu półmostkowego o regulowanym napięciu 45V i prądzie 5A

Wstęp

Przetwornice obniżające napięcie DC-DC są szeroko stosowane w urządzeniach elektronicznych. Trzy główne typy nieizolowanych przetwornic DC-DC to Buck, Boost i Buck-Boost. Najczęściej używanym typem jest przetwornica Buck. Dzisiaj przedstawię Wam regulowaną przetwornicę Buck z półmostkiem, która może obsługiwać napięcia wejściowe od 6V do 45V i dostarczać ciągły prąd wyjściowy do 5A. Możesz również dostosować napięcie wyjściowe, więc jeśli regulacja prądu nie jest konieczna, ten obwód może służyć jako zasilacz.

Projekt wykorzystuje oddzielny kontroler PWM i układ sterownika półmostka, co pozwala na dostosowanie go do wyższych napięć i prądów przy minimalnych modyfikacjach. Częstotliwość przełączania jest ustawiona na około 65KHz, ale można osiągnąć wyższą częstotliwość przełączania, używając innego numeru części dla układu sterownika półmostka i przeliczając induktor przełączający.

Używając Altium Designer 23 do stworzenia schematu i PCB, zebrałem niezbędne informacje o komponentach i szybko wygenerowałem listę materiałów (BOM) za pomocą strony internetowej Octopart. Testując obwód za pomocą oscyloskopu, obciążenia DC i multimetru laboratoryjnego, sprawdziłem stabilność napięcia, szumy na wyjściu i odpowiedź na zmianę obciążenia. To świetny kawałek sprzętu, więc zaczynajmy!

Specyfikacje

• Napięcie wejściowe: 6-45V DC

• Napięcie wyjściowe: 3V do Vin-3

• Prąd wyjściowy: 5A - ciągły (do 6 - 7A krótkotrwale)

• Szumy na wyjściu (20MHz BWL): 5mVp-p (bez obciążenia), 30mVp-p (5A)

• Moc wejściowa: 12V - stabilizowana

• Częstotliwość przełączania: 65KHz

Analiza obwodu

Poniżej zobaczysz schematyczny diagram obwodu. Możesz zauważyć, że dwa główne komponenty obwodu to układ sterownika PWM UC3843 [1] i sterownik MOSFET półmostka IR2104 [2].

IC1 to znany kontroler PWM UC3843, generujący kwadratowe impulsy o częstotliwości 65 kHz dla układu sterującego półmostkiem, IC2. Częstotliwość przełączania IC1 jest określana przez R1 i C5. Szyna zasilająca układ przechodzi przez filtr RC, który jest tworzony przy użyciu R2, C3 i C4, aby zminimalizować szum. Układ wymaga zasilania 12V, które powinno być dostarczone zewnętrznie, aby układ mógł obsługiwać napięcia wyjściowe poniżej 12V.

P1 to złącze XH o wymiarach 2,5 mm, które dostarcza stabilizowane zasilanie 12V na płytę. C1 i C3 są używane do redukcji szumów, a D1 wskazuje na poprawne połączenie zasilania. Ta szyna zasilająca zasila również układ IC2.

IC2 to znany sterownik półmostka, który wewnętrznie zarządza funkcjami ON/OFF i czasem martwym. Jednak realistyczna częstotliwość przełączania wejściowego nie jest wystarczająco wysoka dla niektórych zastosowań SMPS ogólnie. W praktyce nie zauważyłem problemów z dostawą mocy dla częstotliwości do 65 kHz, używając tego układu sterującego i MOSFETów. Dla wyższych częstotliwości przełączania konieczny jest szybszy sterownik półmostka.

R7 pełni funkcję rezystora podciągającego, aby utrzymać IC2 w stanie ON. C10 i C11 służą jako kondensatory odsprzęgające dla szyny zasilającej, podczas gdy C9 działa jako kondensator bootstrap.

Q1 i Q2 to MOSFETy SMD D-PACK IRFR3710Z [3] z oceną RDS(on) 18 milliohmów przy 25°C. Pozwala to na wykorzystanie tych MOSFETów dla prądów do 5A bez potrzeby zewnętrznych radiatorów. R5 i R8 są używane do ograniczenia prądu do bramek MOSFETów.

C7 i C8 o wartości 1000uF-50V [4], służą jako kondensatory odsprzęgające wejście, redukują szum i stabilizują przetwornicę obniżającą napięcie. C12 do C15 to kondensatory wyjściowe, umieszczone równolegle w celu zminimalizowania równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) i dalszego redukowania szumów. R9 i R10 (rezystory SMD 10K 2512 [5]) zapewniają początkowe obciążenie i stabilizują wyjście. R6 to potencjometr wieloobrotowy 10K, używany do regulacji napięcia wyjściowego, gdzie C8 stabilizuje sieć sprzężenia zwrotnego. L1 jest nawinięty na żółto-białym toroidalnym rdzeniu z proszku żelaznego, co zostanie omówione w następnym kroku.

Cewka indukcyjna

Rdzeń cewki to żółto-biały (-26 materiał) toroidalny rdzeń z proszku żelaznego (Rysunek 2). Wymiary rdzenia są następujące:

• Średnica zewnętrzna: 33mm

• Średnica wewnętrzna: 19,5mm

• Wysokość pierścienia: 11,2mm

Najbliższy numer części dla tego rdzenia to T130-26 od Micrometals [6]. Aby nawinąć cewkę, potrzebujesz przygotować cztery miedziane przewody o średnicy 0,50 mm (4 przewody równolegle), z identyczną długością 2,2M dla każdego. Całkowita indukcyjność nie powinna być niższa niż 220uH, więc potrzebujesz miernika LCR do zmierzenia indukcyjności.

Rysunek 1: Materiał T130-26 żółto-biały toroidalny rdzeń z proszku żelaznego

Układ PCB

Znajdziesz tu układ PCB powyższego obwodu. Jest to dwuwarstwowa płyta PCB, która zawiera mieszankę komponentów SMD i przewlekanych. Jak zobaczysz, kilka płaszczyzn zasilania PCB może przenosić wysokie napięcia, dlatego mają one większy niż normalnie odstęp od innych NETów. Proszę obejrzeć wideo, aby uzyskać więcej informacji na temat PCB.

Montaż i test

Rysunek 2 pokazuje w pełni zmontowaną płytę PCB. Najmniejszy rozmiar obudowy to 0805, więc nie powinieneś mieć problemów z lutowaniem komponentów ręcznie.

Rysunek 2: Zmontowana płyta PCB konwertera DC na DC z półmostkiem regulowanym

Przeprowadziłem kilka testów przy użyciu oscyloskopu Siglent SDS2102X Plus, multimetru SDM3045X i obciążenia DC SDL1020X-E. Obwód wykazał akceptowalne wyniki pod względem stabilności, spadku napięcia, szumu wyjściowego i odpowiedzi na zmianę obciążenia. Proszę obejrzeć wideo, aby uzyskać więcej informacji na temat testowania. Rysunek 3 pokazuje szum wyjściowy obwodu bez obciążenia.

Rysunek 3: Szum wyjściowy przetwornicy buck (bez obciążenia)

Rysunek 4 pokazuje szum wyjściowy przy maksymalnym obciążeniu 5A.

Rysunek 4: Szum wyjściowy przetwornicy buck (maksymalne obciążenie 5A)

Rysunek 5 pokazuje wyniki testu odpowiedzi skokowej, dla narastającego zbocza impulsu prądowego od 0,5A do 5A.

Rysunek 5: Test odpowiedzi skokowej obciążenia (narastające zbocze impulsu prądowego od 0,5A do 5A)

Rysunek 6 pokazuje wyniki testu odpowiedzi skokowej, dla opadającego zbocza impulsu prądowego od 5A do 0,5A.

Rysunek 6: Test odpowiedzi skokowej obciążenia (opadające zbocze impulsu prądowego od 5A do 0,5A)

A tutaj masz pełny film o tym projekcie:

Pliki projektu można pobrać z przestrzeni chmurowej Altium-365 tutaj: Przestrzeń robocza projektów społeczności Altium

Referencje

[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