Convertidor elevador CC/CC con UC3843

Los convertidores CC/CC son muy populares entre los entusiastas de la electrónica y se utilizan ampliamente en la industria. Hay tres tipos principales de convertidores CC/CC no aislados: reductor, elevador y reductor-elevador. En este artículo/video, diseñamos un convertidor elevador CC/CC compacto utilizando componentes clave como el famoso chip UC3843, diodos Schottky de potencia y MOSFET de canal N. El voltaje de entrada puede ser tan bajo como 9 V, lo que lo hace adecuado para una variedad de aplicaciones, como la conversión de 12 V a 18 V que alimenta una computadora portátil con una sola batería de 12 V.

El esquema y la placa de circuito impreso se diseñaron con Altium Designer 21 y la biblioteca de componentes SamacSys. El PCB está fabricado por PCBWay con una máscara de soldadura verde. También examiné la figura de ruido del circuito utilizando un osciloscopio Siglent SDS2102X Plus/SDS1104X-E y un multímetro Siglent SDM3045X. ¡Empecemos!

Tabla de contenido

especificación
análisis de circuito
diseño de placa de circuito impreso
construir y probar
lista de partes
Referencias

especificación

Voltaje de entrada: 9-16V
Tensión de salida: hasta 28 V (se puede aumentar, ver texto)
Corriente de salida: 4 A máximo
Ruido de salida (sin carga): 5mVrms
Ruido de salida (carga 2A): 27mVrms

análisis de circuito

La figura 1 muestra el esquema de un convertidor elevador CC/CC. Como puede ver, el corazón del circuito es el chip UC3843.¹

Figura 1: Esquema del convertidor elevador de CC/CC UC3843

C1 y C2 se utilizan para reducir el ruido de entrada. L1, D1 y Q1 crean una red de conversión de impulso. L1 es un inductor de 8A a 10A 100µH. D1 es MBR20100CT² Diodos Schottky (dos diodos paralelos en un paquete). Q1 es un MOSFET de canal N IRFZ44.³ ON resistencia (R_{SD (activado)}) MOSFET tiene aproximadamente 28 mΩ y puede manejar hasta 50 A a 25 °C. Estas características hacen que estos componentes sean adecuados para este proyecto.

IC1 es el controlador para el circuito del convertidor elevador. De acuerdo con la hoja de datos de UC3943, “Los UC3842/UC3843/UC3844/UC3845 son controladores PWM de frecuencia fija y modo de corriente. Están diseñados específicamente para aplicaciones fuera de línea y convertidores de CC-CC con componentes externos mínimos. Estos circuitos integrados cuentan con osciladores recortados para control preciso del ciclo de trabajo, referencias compensadas por temperatura, amplificadores de error de alta ganancia, comparadores de detección de corriente y salidas de tótem de alta corriente para MOSFET de potencia de conducción. .

C3, C4, C5, C6 y C7 se utilizan para reducir el ruido de salida. La salida de un convertidor elevador suele ser más ruidosa que la de un convertidor reductor, especialmente debido al uso de componentes discretos. El controlador buck/boost de un solo chip tiene menos ruido. Sin embargo, el voltaje y la corriente de salida de estos controladores son limitados.

R1 es un potenciómetro de múltiples vueltas de 10K que se puede configurar para ajustar el voltaje de salida. Un valor más pequeño para R5 permite un nivel de voltaje de salida más alto. El voltaje de salida se determina usando la fórmula:

Ⅴ_afuera = 2,5 (1 + R1/R5)

Entonces, si R5 es 1K, el voltaje de salida máximo estará entre 27V y 28V. Reducir el valor de R5 a 820R o 680R reduce el voltaje de salida máximo de aproximadamente 32 V a 33 V o 39 V. No se recomienda aumentar más el voltaje de salida. Esto se debe a que el nivel de voltaje y ruido puede exceder la tolerancia de voltaje nominal del capacitor (50 V). debido a las tolerancias de fabricación). R2 y R3 se colocan en paralelo para crear una precarga que ayude a estabilizar el voltaje de salida.

diseño de placa de circuito impreso

La Figura 2 muestra el diseño de PCB del diseño. Esta es una placa PCB de dos capas con una combinación de SMD y componentes de orificio pasante. La capa superior, la capa inferior y las vistas desde la serigrafía y la máscara de soldadura (capa superior) se incluyen en la Figura 2.

FIGURA 2: DISEÑO DE LA PCB DEL CONVERTIDOR ELEVADO CC/CC

Como se mencionó en el resumen, utilizamos el software Altium Designer.^cuatro Diseño de esquemas y PCBs. A este proyecto le faltaban símbolos esquemáticos, huellas de PCB y modelos 3D para algunos de los componentes. Entonces, en lugar de perder el tiempo diseñando una biblioteca de componentes desde cero y aumentando el riesgo de errores e inconsistencias, use la biblioteca de componentes SamacSys gratuita con calificación IPC y use el complemento SamacSys Altium para integrar sus proyectos Altium PCB con importación directa.^Cinco SamacSys proporciona complementos para la mayoría del software CAD de diseño electrónico.⁶ No es solo Altium Designer. La Figura 3 muestra el software CAD de diseño electrónico compatible.

Figura 3: Software CAD de diseño electrónico (complementos) compatible con SamacSys

Específicamente, usé la biblioteca SamacSys para IC1.⁷ Q1,⁸ y D1,⁹ Puedes encontrarlo en la referencia. Otra opción es descargar la biblioteca de componentes de ComponentSearchEngine.com e importarla manualmente. La figura 4 muestra los componentes seleccionados en el complemento SamacSys Altium.

Figura 4: Componentes seleccionados en el complemento SamacSys Altium

construir y probar

La Figura 5 muestra la placa PCB ensamblada desde arriba y desde abajo. Aquí está el prototipo del circuito. La revisión anterior agregó dos resistencias paralelas como cargas de reserva. Algunos componentes son de orificio pasante y otros son SMD. No debería haber problema para soldar los componentes. Sin embargo, puede pedir la placa premontada.

Figura 5: Placa PCB ensamblada (vista superior e inferior)

En general, los reguladores de voltaje (fuentes de alimentación) tienen dos parámetros importantes: regulación de línea y regulación de carga. La regulación de línea es la capacidad de la fuente de alimentación para mantener un voltaje de salida específico en respuesta a cambios en el voltaje de línea de entrada. Se expresa como la relación entre el cambio en el voltaje de salida y el cambio en el voltaje de línea de entrada. La regulación de carga es la capacidad de una fuente de alimentación para mantener un voltaje de salida específico bajo cargas variables. Esto no significa que se apliquen tolerancias cuando la carga cambia abruptamente. Esto significa que la regulación puede cambiar en esta cantidad cuando se excede el rango de carga permitido. Mira el video de YouTube probando esto. La mejor herramienta para prepararse para estas mediciones es la carga de CC. Al momento de escribir este artículo, aún no he recibido una carga de CC (Siglent SDL1020X-E).^Diez En un futuro próximo, analizaremos este dispositivo convertidor utilizando una carga de CC. Por ahora podemos probarlo al menos parcialmente y observar el ruido de salida.

La figura 6 muestra el ruido de salida del convertidor elevador sin carga. Utilizamos las capacidades de análisis de potencia del osciloscopio Siglent SDS2102X Plus.¹¹ Por supuesto, puede utilizar el osciloscopio Siglent SDS1104X-E más económico.¹² Además, sin embargo, las ventajas son más que eso. Es un dispositivo modelo a seguir. Es posible que vea picos de inductancia largos en la forma de onda que es poco probable que se originen en la línea de salida. Por lo tanto, usamos Vrms como índice.

Figura 6: Ruido de salida del convertidor CC/CC utilizando el osciloscopio Siglent SDS2102X Plus

La figura 7 muestra el ruido de salida de un convertidor CC/CC con una carga de 2 A. Como se mencionó anteriormente, no creo que estos picos largos provengan realmente del suministro. Se recomienda utilizar varios condensadores lo más cerca posible de la carga.

FIGURA 7: RUIDO DE SALIDA DEL CONVERTIDOR CC/CC (CARGA DE 2 A)

lista de partes

La figura 8 muestra la lista de materiales del circuito. L1 es un inductor de 47 µH a 100 µH que puede fabricar o comprar. Lo hice yo mismo, por lo que no puedo responder el número de pieza específico. Pero asegúrese de que el inductor pueda manejar al menos 8-10A de corriente. Están disponibles hilos de cobre de 1 mm y núcleos de ferrita toroidales. El tamaño de perforación utilizado para la huella del inductor es de 1,3 mm.