Bộ chuyển đổi DC sang DC nửa cầu điều chỉnh được 45V-5A

Giới thiệu

Các bộ chuyển đổi DC sang DC loại Buck được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử. Ba loại chuyển đổi DC sang DC không cách ly chính là Buck, Boost và Buck-Boost. Loại được sử dụng phổ biến nhất là Buck. Hôm nay, tôi sẽ giới thiệu với các bạn một bộ chuyển đổi Buck nửa cầu có thể điều chỉnh được có thể xử lý các điện áp đầu vào từ 6V đến 45V và cung cấp một dòng ra liên tục lên đến 5A. Bạn cũng có thể điều chỉnh điện áp ra, vì vậy nếu không cần điều chỉnh dòng điện, mạch này có thể được sử dụng như một nguồn cung cấp điện.

Thiết kế sử dụng một bộ điều khiển PWM riêng biệt và chip điều khiển nửa cầu, cho phép bạn thích nghi với điện áp và dòng điện cao hơn với ít thay đổi. Tần số chuyển mạch được thiết lập ở khoảng 65KHz, nhưng bạn có thể đạt được tần số chuyển mạch cao hơn bằng cách sử dụng một số phần khác cho chip điều khiển nửa cầu và tính toán lại cuộn cảm chuyển mạch.

Sử dụng Altium Designer 23 để tạo sơ đồ mạch và PCB, tôi đã thu thập thông tin thành phần cần thiết và nhanh chóng tạo ra Bảng Vật Liệu (BOM) thông qua trang web Octopart. Sử dụng máy hiện sóng, tải DC và đồng hồ đo bàn, tôi đã kiểm tra mạch cho độ ổn định điện áp, nhiễu ra và phản ứng bước tải. Đây là một thiết bị tốt, vậy chúng ta hãy bắt đầu!

Thông số kỹ thuật

• Điện áp đầu vào: 6-45V DC

• Điện áp ra: 3V đến Vin-3

• Dòng ra: 5A - Liên tục (lên đến 6 - 7A trong thời gian ngắn)

• Nhiễu ra (20MHz BWL): 5mVp-p (không tải), 30mVp-p (5A)

• Công suất đầu vào: 12V - Được điều chỉnh

• Tần số chuyển mạch: 65KHz

Phân tích mạch

Dưới đây bạn sẽ thấy một sơ đồ mạch. Bạn có thể nhận thấy hai thành phần chính của mạch là chip điều khiển PWM UC3843 [1] và driver MOSFET nửa cầu IR2104 [2].

IC1 là bộ điều khiển PWM nổi tiếng UC3843, tạo ra các xung vuông 65KHz cho chip điều khiển cầu nửa, IC2. Tần số chuyển mạch của IC1 được xác định bởi R1 và C5. Đường ray cung cấp chip đi qua một bộ lọc RC được tạo ra bằng cách sử dụng R2, C3 và C4 để giảm tiếng ồn. Chip yêu cầu nguồn cung cấp 12V, nên được cung cấp từ bên ngoài cho mạch để đảm bảo đầu ra dưới 12V cũng được phủ sóng.

P1 là một kết nối XH 2.5mm cung cấp nguồn 12V được điều chỉnh cho bảng mạch. C1 và C3 được sử dụng để giảm tiếng ồn, và D1 chỉ ra một kết nối nguồn chính xác. Đường ray nguồn này cũng cung cấp điện cho chip IC2.

IC2 là một chip điều khiển cầu nửa nổi tiếng quản lý nội bộ các chức năng BẬT/TẮT và thời gian chết. Tuy nhiên, tần số chuyển mạch đầu vào thực tế không đủ cao cho một số ứng dụng SMPS nói chung. Trên thực tế, tôi chưa thấy vấn đề gì trong việc cung cấp điện cho các tần số lên đến 65KHz bằng cách sử dụng chip điều khiển này và MOSFETs. Đối với các tần số chuyển mạch cao hơn, một chip điều khiển cầu nửa nhanh hơn là bắt buộc.

R7 hoạt động như một điện trở kéo lên để giữ IC2 BẬT. C10 và C11 đóng vai trò như tụ điện giải nối cho đường ray nguồn, trong khi C9 hoạt động như một tụ điện bootstrap.

Q1 và Q2 là MOSFETs SMD D-PACK IRFR3710Z [3] với đánh giá RDS(on) 18-milliOhm tại 25°C. Điều này cho phép chúng ta sử dụng các MOSFET này cho dòng điện lên đến 5A mà không cần tản nhiệt bên ngoài. R5 và R8 được sử dụng để giới hạn dòng điện đến Cổng MOSFET.

C7 và C8 có giá trị 1000uF-50V [4], đóng vai trò như tụ điện giải nối đầu vào, giảm tiếng ồn và ổn định bộ chuyển đổi buck. C12 đến C15 là tụ điện đầu ra, được đặt song song để giảm Điện trở Series Tương đương (ESR) và giảm tiếng ồn thêm. R9 và R10 (điện trở SMD 10K 2512 [5]) cung cấp một tải ban đầu và ổn định đầu ra. R6 là một potentiometer nhiều vòng 10K được sử dụng để điều chỉnh điện áp đầu ra, nơi C8 ổn định mạng lưới phản hồi. L1 được quấn trên một lõi sắt bột màu vàng-trắng hình xuyến, sẽ được thảo luận ở bước tiếp theo.

Cuộn cảm

Lõi cuộn cảm là một lõi sắt bột màu vàng-trắng (-26 material) hình xuyến (Hình 2). Kích thước của lõi như sau:

• Đường kính ngoài: 33mm

• Đường kính trong: 19.5mm

• Chiều cao vòng: 11.2mm

Mã phần gần nhất cho lõi này là T130-26 từ Micrometals [6]. Để quấn cuộn cảm, bạn cần chuẩn bị bốn dây đồng 0.50mm (4 dây song song), với chiều dài giống nhau là 2.2M cho mỗi dây. Tổng độ tự cảm không nên thấp hơn 220uH, vì vậy bạn cần một máy đo LCR để đo độ tự cảm.

Hình 1: Lõi sắt bột màu vàng-trắng toroidal vật liệu T130-26

Bố Cục PCB

Bạn sẽ tìm thấy bố cục PCB của mạch ở trên. Đó là một bo mạch PCB hai lớp chứa sự kết hợp của các thành phần SMD và qua lỗ. Như bạn sẽ thấy, một vài mặt phẳng nguồn PCB có thể mang điện áp cao, đó là lý do tại sao chúng có khoảng cách lớn hơn bình thường so với các NET khác. Vui lòng xem video để biết thêm thông tin về PCB.

Lắp Ráp và Kiểm Tra

Hình 2 cho thấy một bo mạch PCB được lắp ráp hoàn chỉnh. Kích thước gói nhỏ nhất là 0805, vì vậy bạn không nên gặp vấn đề gì khi hàn các thành phần bằng tay.

Hình 2: Bo mạch PCB được lắp ráp của bộ chuyển đổi DC sang DC điều chỉnh Half-Bridge

Tôi đã thực hiện một số thử nghiệm sử dụng máy hiện sóng Siglent SDS2102X Plus, đồng hồ đo điện tử SDM3045X và tải DC SDL1020X-E. Mạch đã cho thấy kết quả chấp nhận được về ổn định, sụt áp, tiếng ồn đầu ra và phản ứng bước tải. Vui lòng xem video để biết thêm thông tin về việc kiểm tra. Hình 3 cho thấy tiếng ồn đầu ra của mạch khi không tải.

Hình 3: Nhiễu đầu ra của bộ chuyển đổi buck (không tải)

Hình 4 cho thấy nhiễu đầu ra dưới tải tối đa 5A.

Hình 4: Nhiễu đầu ra của bộ chuyển đổi buck (tải tối đa 5A)

Hình 5 cho thấy kết quả thử nghiệm phản ứng bước, cho cạnh tăng của xung dòng điện từ 0.5A lên 5A.

Hình 5: Thử nghiệm phản ứng bước tải (kích hoạt cạnh tăng của xung dòng điện từ 0.5A lên 5A)

Hình 6 cho thấy kết quả thử nghiệm phản ứng bước, cho cạnh giảm của xung dòng điện từ 5A xuống 0.5A.

Hình 6: Thử nghiệm phản ứng bước tải (kích hoạt cạnh giảm của xung dòng điện từ 5A xuống 0.5A)

Và đây là một video đầy đủ về dự án này:

Bạn có thể tải xuống các tệp dự án từ không gian đám mây Altium-365 tại đây: Altium Community Projects Workspace

Tài liệu tham khảo

[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