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

Get Ready for the Electronics Design Jobs You Want

Experience hands-on learning in PCB and hardware design with Altium's Student license, cloud access & comprehensive curriculum.

Enroll for Free

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.

Launch Your Career in Electronics Design

Gain the skills top employers look for. Start mastering PCB design with the Altium Student Lab today!

Enroll for Free

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

Lay Out Your Track: Prepare for a Career in PCB Design

Develop the electronics design expertise that employers look for with Altium’s free Student Lab!

Enroll Today

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.

Get Ready for the PCB Design Job of Your Dreams

Start your electronics design career with Altium's free Student Lab, comprehensive curriculum & certificates

Enroll Today

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.

```html

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

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

When NASA Calls, Will You Be Ready?

Prepare for a stellar career in electronics and hardware design with Altium’s free Student Lab.

Enroll Here

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)

When Tesla Calls, Will You Be Ready?

Get ready for a fast-track career in PCB and hardware design with Altium's free Student Lab.

Enroll Here

E aqui você tem um vídeo completo sobre este projeto:

```

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

Manufacturing Made Easy

Send your product to manufacturing in a click without any email threads or confusion.

Learn More

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

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

[6]: T130-26: https://octopart.com/t130-26-micrometals-34992736?r=sp