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

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.

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

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.

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)

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:

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

[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