Conversor DC para DC Ajustável de Meia-Ponte de 45V-5A

Introdução

Conversores DC-DC tipo buck são amplamente utilizados em dispositivos eletrônicos. Os três principais tipos de conversores DC-DC não isolados são Buck, Boost e Buck-Boost. O tipo mais comumente usado é o conversor Buck. Hoje, vou apresentar a vocês um conversor buck de meio-ponte ajustável que pode lidar com tensões de entrada de 6V a 45V e fornecer uma saída contínua de até 5A. Você também pode ajustar a tensão de saída, então, se o ajuste de corrente não for necessário, este circuito pode servir como uma fonte de alimentação.

O design emprega um controlador PWM separado e um chip de driver de meio-ponte, o que permite adaptá-lo para tensões e correntes mais altas com modificações mínimas. A frequência de comutação é definida em torno de 65KHz, mas você pode alcançar uma frequência de comutação mais alta usando um número de peça diferente para o chip de driver de meio-ponte e recalculando o indutor de comutação.

Usando o Altium Designer 23 para criar o esquemático e a PCB, reuni as informações necessárias dos componentes e rapidamente gerei a Lista de Materiais (BOM) via o site da Octopart. Usando um osciloscópio, carga DC e um multímetro de bancada, testei o circuito para estabilidade de tensão, ruído de saída e resposta de carga. É um belo pedaço de hardware, então vamos começar!

Especificações

• Tensão de Entrada: 6-45V DC

• Tensão de Saída: 3V a Vin-3

• Corrente de Saída: 5A - Contínua (até 6 - 7A em curta duração)

• Ruído de Saída (Largura de Banda de 20MHz): 5mVp-p (sem carga), 30mVp-p (5A)

• Potência de Entrada: 12V - Regulada

• Frequência de Comutação: 65KHz

Análise do Circuito

Abaixo você verá um diagrama esquemático do circuito. Você pode notar que os dois principais componentes do circuito são o chip controlador PWM UC3843 [1] e o driver de MOSFET de meio-ponte IR2104 [2].

IC1 é o famoso controlador PWM UC3843, gerando pulsos quadrados de 65KHz para o chip de driver de meia-ponte, IC2. A frequência de comutação do IC1 é determinada por R1 e C5. O trilho de alimentação do chip passa por um filtro RC que é criado usando R2, C3 e C4 para minimizar o ruído. O chip requer uma alimentação de 12V, que deve ser fornecida externamente para o circuito cobrir tensões de saída abaixo de 12V também.

P1 é um conector XH de 2,5mm que fornece uma alimentação regulada de 12V para a placa. C1 e C3 são usados para reduzir o ruído, e D1 indica uma conexão de alimentação correta. Este trilho de alimentação também alimenta o chip IC2.

IC2 é um driver de meia-ponte bem conhecido que gerencia internamente as funções de LIGAR/DESLIGAR e tempo morto. No entanto, a frequência de comutação de entrada realista não é alta o suficiente para algumas aplicações de SMPS em geral. Na prática, não vi problemas na entrega de energia para frequências de até 65KHz usando este chip driver e MOSFETs. Para frequências de comutação mais altas, um driver de meia-ponte mais rápido é obrigatório.

R7 funciona como um resistor de pull-up para manter o IC2 LIGADO. C10 e C11 servem como capacitores de desacoplamento para o trilho de alimentação, enquanto C9 atua como um capacitor de bootstrap.

Q1 e Q2 são MOSFETs SMD D-PACK IRFR3710Z [3] com classificação de RDS(on) de 18-milliOhm a 25°C. Isso nos permite utilizar esses MOSFETs para correntes de até 5A sem a necessidade de dissipadores de calor externos. R5 e R8 são usados para limitar a corrente para os Gates dos MOSFETs.

C7 e C8 classificados como 1000uF-50V [4], servem como capacitores de desacoplamento de entrada, reduzindo o ruído e estabilizando o conversor buck. C12 até C15 são capacitores de saída, colocados em paralelo para minimizar a Resistência Série Equivalente (ESR) e reduzir ainda mais o ruído. R9 e R10 (resistores SMD 2512 de 10K [5]) fornecem uma carga inicial e estabilizam a saída. R6 é um potenciômetro multivoltas de 10K usado para ajustar a tensão de saída, onde C8 estabiliza a rede de feedback. L1 é enrolado em um núcleo de pó de ferro toroidal amarelo-branco, que será discutido na próxima etapa.

Indutor

O núcleo do indutor é um núcleo toroidal de pó de ferro amarelo-branco (-26 material) (Figura 2). As dimensões do núcleo são as seguintes:

• Diâmetro Externo: 33mm

• Diâmetro Interno: 19,5mm

• Altura do Anel: 11,2mm

O número de peça mais próximo para este núcleo é T130-26 da Micrometals [6]. Para enrolar o indutor, você precisa preparar quatro fios de cobre de 0,50mm (4 fios em paralelo), com um comprimento idêntico de 2,2M para cada um. A indutância total não deve ser inferior a 220uH, então você precisa de um medidor LCR para medir a indutância.

Figura 1: Material T130-26 núcleo de ferro em pó toroidal amarelo-branco

Layout da PCB

Você encontrará o layout da PCB do circuito acima. É uma placa de PCB de duas camadas que contém uma mistura de componentes SMD e through-hole. Como você verá, algumas planos de potência da PCB podem carregar altas voltagens, e é por isso que eles têm uma distância de segurança maior do que outras NETs. Por favor, assista ao vídeo para mais informações sobre a PCB.

Montagem e Teste

A Figura 2 mostra uma placa de PCB totalmente montada. O tamanho do pacote mais pequeno é 0805, então você não deverá ter nenhum problema para soldar os componentes manualmente.

Figura 2: Placa de PCB montada do conversor DC para DC ajustável Half-Bridge

Realizei vários testes usando o osciloscópio Siglent SDS2102X Plus, o multímetro SDM3045X e a carga DC SDL1020X-E. O circuito demonstrou resultados aceitáveis para estabilidade, queda de tensão, ruído de saída e resposta de carga. Por favor, veja o vídeo para mais informações sobre os testes. A Figura 3 mostra o ruído de saída do circuito sem carga.

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Figura 3: Ruído de saída do conversor buck (sem carga)

A Figura 4 mostra o ruído de saída sob a carga máxima de 5A.

Figura 4: Ruído de saída do conversor buck (carga máxima de 5A)

A Figura 5 mostra os resultados do teste de resposta a degrau, para a borda de subida de um pulso de corrente de 0,5A a 5A.

Figura 5: Teste de resposta a degrau de carga (gatilho de borda de subida do pulso de corrente de 0,5A a 5A)

A Figura 6 mostra os resultados do teste de resposta a degrau, para a borda de descida de um pulso de corrente de 5A a 0,5A.

Figura 6: Teste de resposta a degrau de carga (gatilho de borda de descida do pulso de corrente de 5A a 0,5A)

E aqui você tem um vídeo completo sobre este projeto:

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Você pode baixar os arquivos do projeto do espaço na nuvem Altium-365 aqui: Espaço de Projetos da Comunidade Altium

Referências

[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