Регулируемый полумостовой DC-DC преобразователь 45В-5А

Введение

Преобразователи постоянного тока в постоянный (DC-to-DC) типа buck широко используются в электронных устройствах. Три основных типа неизолированных преобразователей постоянного тока - это Buck, Boost и Buck-Boost. Наиболее часто используемым типом является преобразователь Buck. Сегодня я расскажу вам об регулируемом полумостовом преобразователе Buck, который может работать с входными напряжениями от 6V до 45V и обеспечивать непрерывный выходной ток до 5A. Вы также можете регулировать выходное напряжение, так что если регулировка тока не требуется, эту схему можно использовать в качестве источника питания.

В конструкции используется отдельный контроллер ШИМ и чип драйвера полумоста, что позволяет адаптировать ее для более высоких напряжений и токов с минимальными изменениями. Частота переключения установлена на уровне около 65KHz, но вы можете достичь более высокой частоты переключения, используя другой номер детали для чипа драйвера полумоста и пересчитав индуктивность переключения.

Используя Altium Designer 23 для создания схемы и печатной платы, я собрал необходимую информацию о компонентах и быстро сгенерировал спецификацию материалов (BOM) через веб-сайт Octopart. Используя осциллограф, постоянную нагрузку и настольный мультиметр, я проверил схему на стабильность напряжения, шум на выходе и реакцию на изменение нагрузки. Это отличное устройство, так что давайте начнем!

Технические характеристики

• Входное напряжение: 6-45V DC

• Выходное напряжение: 3V до Vin-3

• Выходной ток: 5A - Непрерывный (до 6 - 7A кратковременно)

• Шум на выходе (20MHz BWL): 5mVp-p (без нагрузки), 30mVp-p (5A)

• Входная мощность: 12V - Регулируемая

• Частота переключения: 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

Анализ схемы

Ниже вы увидите схематическое изображение схемы. Вы можете заметить, что два основных компонента схемы - это чип контроллера ШИМ UC3843 [1] и драйвер полумостового MOSFET IR2104 [2].

IC1 - это известный контроллер ШИМ UC3843, который генерирует прямоугольные импульсы с частотой 65 кГц для микросхемы драйвера полумоста, IC2. Частота переключения IC1 определяется R1 и C5. Линия питания микросхемы проходит через RC-фильтр, созданный с использованием R2, C3 и C4, чтобы минимизировать помехи. Микросхеме требуется питание 12 В, которое должно быть предоставлено извне для работы схемы на выходных напряжениях ниже 12 В.

P1 - это 2,5-мм разъем XH, который подает регулируемое питание 12 В на плату. C1 и C3 используются для уменьшения шума, а D1 указывает на правильное подключение питания. Эта линия питания также питает микросхему IC2.

IC2 - это известный драйвер полумоста, который внутренне управляет функциями ВКЛ/ВЫКЛ и временем простоя. Однако на практике входная частота переключения не достаточно высока для некоторых приложений импульсных источников питания. На практике я не сталкивался с проблемами в подаче мощности на частотах до 65 кГц, используя эту микросхему драйвера и MOSFET. Для более высоких частот переключения обязателен более быстрый драйвер полумоста.

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 функционирует как подтягивающий резистор, чтобы держать IC2 во включенном состоянии. C10 и C11 служат развязывающими конденсаторами для линии питания, в то время как C9 действует как бутстреп-конденсатор.

Q1 и Q2 - это MOSFETы IRFR3710Z D-PACK SMD [3] с сопротивлением в открытом состоянии RDS(on) 18 миллиом на 25°C. Это позволяет использовать эти MOSFET для токов до 5А без необходимости внешних радиаторов. R5 и R8 используются для ограничения тока на затворы MOSFET.

C7 и C8 номиналом 1000 мкФ-50В [4], служат входными развязывающими конденсаторами, уменьшая шум и стабилизируя понижающий преобразователь. C12-C15 - выходные конденсаторы, установленные параллельно для минимизации эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и дальнейшего уменьшения шума. R9 и R10 (10К 2512 SMD резисторы [5]) обеспечивают начальную нагрузку и стабилизируют выход. R6 - это многооборотный 10К потенциометр, используемый для регулировки выходного напряжения, где C8 стабилизирует сеть обратной связи. L1 намотан на желто-белом тороидальном сердечнике из железного порошка, который будет обсуждаться на следующем этапе.

Индуктор

Сердечник индуктора - это желто-белый (-26 материал) тороидальный сердечник из железного порошка (Рисунок 2). Размеры сердечника следующие:

• Внешний диаметр: 33 мм

• Внутренний диаметр: 19,5 мм

• Высота кольца: 11,2 мм

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

Наиболее подходящий номер детали для этого сердечника - T130-26 от Micrometals [6]. Для намотки индуктора вам нужно подготовить четыре медных провода диаметром 0,50 мм (4 провода параллельно), с одинаковой длиной 2,2 м для каждого. Общая индуктивность не должна быть ниже 220 мкГн, поэтому вам понадобится LCR-метр для измерения индуктивности.

Рисунок 1: Материал T130-26 желто-белое тороидальное железо-порошковое сердечник

Размещение на печатной плате

Вы найдете размещение печатной платы схемы выше. Это двухслойная печатная плата, которая содержит смесь SMD и сквозных компонентов. Как вы увидите, несколько силовых плоскостей печатной платы могут работать под высоким напряжением, поэтому они имеют больший, чем обычно, зазор по сравнению с другими NETs. Пожалуйста, посмотрите видео для получения дополнительной информации о печатной плате.

Сборка и тестирование

На рисунке 2 показана полностью собранная печатная плата. Самый маленький размер компонента - 0805, так что у вас не должно возникнуть проблем с пайкой компонентов вручную.

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

Рисунок 2: Собранная печатная плата полумостового регулируемого DC to DC преобразователя

Я провел несколько тестов с использованием осциллографа Siglent SDS2102X Plus, мультиметра SDM3045X и нагрузки SDL1020X-E DC. Схема показала приемлемые результаты по стабильности, падению напряжения, шуму на выходе и реакции на изменение нагрузки. Пожалуйста, посмотрите видео для получения дополнительной информации о тестировании. На рисунке 3 показан шум на выходе схемы без нагрузки.

Рисунок 3: Помехи на выходе понижающего преобразователя (без нагрузки)

На рисунке 4 показаны помехи на выходе при максимальной нагрузке 5А.

Рисунок 4: Помехи на выходе понижающего преобразователя (максимальная нагрузка 5А)

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

На рисунке 5 показаны результаты испытаний на ступенчатое изменение нагрузки, для переднего фронта импульса тока от 0.5А до 5А.

Рисунок 5: Испытание на ступенчатое изменение нагрузки (передний фронт импульса тока от 0.5А до 5А)

На рисунке 6 показаны результаты испытаний на ступенчатое изменение нагрузки, для заднего фронта импульса тока от 5А до 0.5А.

Рисунок 6: Испытание на ступенчатое изменение нагрузки (задний фронт импульса тока от 5А до 0.5А)

И вот полное видео об этом проекте:

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

Вы можете скачать файлы проекта из облачного пространства Altium-365 здесь: Рабочее пространство проектов сообщества Altium

Ссылки

[1]: UC3843: https://octopart.com/uc3843bd1013tr-stmicroelectronics-496384?r=sp

[2]: IR2104: https://octopart.com/ir2104spbf-infineon-65872813?r=sp

Manufacturing Made Easy

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

Learn More

[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