45V-5A 可调半桥直流到直流转换器

简介

DC-DC降压转换器广泛应用于电子设备中。三种主要的非隔离型DC-DC转换器包括降压型（Buck）、升压型（Boost）和降升压型（Buck-Boost）。其中最常用的是降压型转换器。今天，我将向您介绍一种可调的半桥降压转换器，它能够处理6V至45V的输入电压，并提供高达5A的连续输出。您还可以调整输出电压，因此如果不需要电流调整，这个电路可以作为电源使用。

该设计采用了独立的PWM控制器和半桥驱动芯片，这使您能够通过最小的修改适应更高的电压和电流。开关频率设置在大约65KHz，但通过使用不同型号的半桥驱动芯片并重新计算开关电感，您可以达到更高的开关频率。

使用Altium Designer 23创建原理图和PCB，我收集了必要的元件信息，并通过Octopart网站快速生成了物料清单（BOM）。使用示波器、直流负载和台式万用表，我测试了电路的电压稳定性、输出噪声和负载阶跃响应。这是一件不错的硬件，让我们开始吧！

规格

• 输入电压：6-45V DC

• 输出电压：3V至Vin-3

• 输出电流：5A - 连续（短期可达6 - 7A）

• 输出噪声（20MHz BWL）：5mVp-p（无负载），30mVp-p（5A）

• 输入功率：12V - 稳压

• 开关频率：65KHz

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电路分析

下面您将看到电路的原理图。您可能会注意到电路的两个主要组件是UC3843 [1] PWM控制器芯片和IR2104 [2] 半桥MOSFET驱动器。

IC1是著名的UC3843 PWM控制器，为半桥驱动芯片IC2生成65KHz的方波脉冲。IC1的切换频率由R1和C5决定。芯片供电轨通过使用R2、C3和C4创建的RC滤波器，以最小化噪声。该芯片需要一个12V的供电，这个供电应该从外部提供，以便电路也能覆盖低于12V的输出电压。

P1是一个2.5mm XH连接器，向电路板提供稳定的12V供电。C1和C3用于降低噪声，D1指示正确的供电连接。这个供电轨也为IC2芯片供电。

IC2是一个著名的半桥驱动器，内部管理开/关和死区时间功能。然而，对于一般的SMPS应用，实际输入切换频率并不够高。实际上，使用这种驱动芯片和MOSFETs，我没有在高达65KHz的频率下看到电力传输问题。对于更高的切换频率，需要更快的半桥驱动器。

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R7充当上拉电阻，保持IC2开启。C10和C11作为供电轨的去耦电容，而C9充当引导电容。

Q1和Q2是IRFR3710Z D-PACK SMD MOSFETs [3]，在25°C时的RDS(on)额定值为18毫欧。这使我们能够在不需要外部散热器的情况下，使用这些MOSFETs承载高达5A的电流。R5和R8用于限制流向MOSFET门的电流。

C7和C8额定为1000uF-50V [4]，作为输入去耦电容，减少噪声并稳定降压转换器。C12至C15是输出电容，以并联方式放置以最小化等效串联电阻（ESR）并进一步减少噪声。R9和R10（10K 2512 SMD电阻 [5]）提供初始负载并稳定输出。R6是一个多圈10K电位器，用于调整输出电压，其中C8稳定反馈网络。L1是绕在黄白色环形铁粉芯上的，下一步将进行讨论。

电感器

电感器芯是黄白色（-26材料）环形铁粉芯（图2）。芯的尺寸如下：

• 外径：33mm

• 内径：19.5mm

• 环高：11.2mm

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这个芯的最接近的型号是Micrometals的T130-26 [6]。为了绕制电感器，你需要准备四根0.50mm的铜线（4根并行），每根的长度相同，为2.2M。总电感不应低于220uH，因此你需要一个LCR表来测量电感。

图1：T130-26材料黄白色环形铁粉芯

PCB布局

您将会看到上述电路的PCB布局。这是一块双层PCB板，包含了SMD和通孔元件的混合。正如您将看到的，一些PCB电源平面可能会承载高电压，这就是为什么它们比其他NET有更高的正常间隙。请观看视频以获取更多关于PCB的信息。

组装和测试

图2展示了一块完全组装好的PCB板。最小的封装尺寸是0805，因此您手工焊接元件时不应该有任何问题。

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图2：半桥可调直流到直流转换器的组装PCB板

我使用Siglent SDS2102X Plus示波器、SDM3045X万用表和SDL1020X-E直流负载进行了几项测试。电路在稳定性、电压降、输出噪声和负载阶跃响应方面展示了可接受的结果。请观看视频以获取更多关于测试的信息。图3展示了无负载时电路的输出噪声。

图3：降压转换器的输出噪声（无负载）

图4显示了最大5A负载下的输出噪声。

图4：降压转换器的输出噪声（最大5A负载）

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图5显示了0.5A到5A电流脉冲上升沿的步进响应测试结果。

图5：负载步进响应测试（0.5A到5A电流脉冲的上升沿触发）

图6显示了5A到0.5A电流脉冲下降沿的步进响应测试结果。

图6：负载步进响应测试（5A到0.5A电流脉冲的下降沿触发）

这里有一个关于这个项目的完整视频：

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您可以从这里的Altium-365云空间下载项目文件：Altium社区项目工作区

参考文献

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

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

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[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