O que há de errado com este simples SMPS?
Ultimamente, tenho lido sobre eletrônica de potência e, como um desafio (e também um exercício de aprendizado), projetei minha primeira fonte de alimentação comutada - neste caso, um conversor buck.
Ele se destina a fornecer 3,5-4,0V (decidido pela fonte de referência de diodo) e até 3A, a fim de acionar alguns LEDs de energia com qualquer fonte DC, variando de um carregador USB de 5V a uma bateria PP3 de 9V. Quero um suprimento eficiente, pois o aquecimento e a duração da bateria serão um problema real (caso contrário, seria preguiçoso e usaria um diodo 7805 +).
OBSERVAÇÃO: Eu já notei que tenho a lógica de comutação da maneira errada, preciso trocar as conexões no comparador ou usar !Qpara conduzir os MOSFETs.
Minha escolha de MOSFETs em vez de BJTs ocorreu devido às perdas de energia em um BJT e aos problemas térmicos que surgiram. Esta decisão de usar MOSFETs sobre BJTs / IGBTs devido à eficiência aprimorada é a chamada certa?
Em vez de usar um chip PWM, como muitos fóruns amadores sugerem, decidi usar uma combinação de comparador / relógio / trava para alternar rapidamente entre "cobrar" e "descarregar". Existe alguma desvantagem específica dessa abordagem? A trava do CMOS (um D-flip flop) copia os dados para as saídas na borda ascendente dos pulsos do gerador de clock (um inversor CMOS Schmitt + feedback).
A escolha de constantes de tempo / frequências de canto para o relógio e o passe baixo fanfarrão (10-100kHz e 10Hz, respectivamente) destina-se a suportar a pequena aproximação de ondulação, além de permitir que o capacitor de saída carregue em uma quantidade razoável de tempo a partir da inicialização. Esse é o conjunto certo de considerações para decidir os valores desses componentes?
Além disso, como eu calcularia o valor do indutor? Eu diria que depende da corrente de saída típica e do valor do capacitor lowpass, mas não consigo entender como.
No passado, eu usei o par MOSFET mostrado (além do software PWM) para criar pontes H para controle bidirecional de motor de velocidade variável - e enquanto eu mantivesse o período PWM muito maior que o tempo de comutação MOSFET , o desperdício de energia causado pelo curto-circuito durante a comutação era insignificante. Nesse caso, porém, vou substituir o N-mosfet por um diodo Schottky, pois nunca usei um diodo Schottky antes e quero ver como eles se comportam.
Eu uso um inversor simples + combinação RC para fornecer o sinal do relógio, pois não preciso de uma frequência particularmente consistente ou precisa, desde que seja consideravelmente mais alta que a frequência de canto de corte alto do buck buck-boost.
[editar II:]
Construí-o em uma placa de ensaio e, para minha surpresa, funcionou imediatamente, sem problemas, e com ~ 92% de eficiência (comparado aos 94% que eu havia calculado com as perdas de comutação / componente).
Observe que eu omiti o resistor no estágio de saída, por preguiça - também não me lembro bem por que o coloquei lá em primeiro lugar.
Omiti o diodo reverso paralelo ao P-MOSFET e também usei um diodo Schottky 1N5817 (nota: classificação 1A) no lugar do N-MOSFET. Não aquece o suficiente para as pontas dos meus dedos perceberem. Pedi um diodo de classificação mais alta para quando eu montar a unidade final, que funcionará com carga total.
Soprei acidentalmente o comparador LM393 durante o teste, mas um LM358AN tomou o seu lugar imediatamente sem problemas.
Como não consigo encontrar nenhum software decente de projeto de circuito / layout / roteamento que seja executado no Arch Linux x64 (ou mesmo instalar, no caso de software nativo do Linux), eu o expus manualmente para que provavelmente não funcione no momento em que é soldado ... Mas isso só aumenta a "diversão", eu acho!
Valores dos componentes utilizados: Clock gen {1kR, 100nF}; Saída Buck {330uH, 47uF}; Capacitor de entrada [não mostrado] {47uF}; P-MOSFET {STP80PF55}; N-MOSFET {diodo Schottky, 1N5817 - a ser substituído por> = versão 3A}; CIs {40106 NXP, 4013 NXP, LM358AN}
Este é um "conversor histérico" - ele depende da histerese na saída para fornecer estabilidade (do tipo :-)). Eles podem funcionar muito bem na prática. Muitas pessoas não estão familiarizadas com elas e algumas acham difícil acreditar que possam funcionar bem. Nesse caso, a histerese é fornecida pelo indutor descarregando na tampa de saída depois que o interruptor é desligado, de modo que Vout se eleva um pouco acima do nocional. isto é, a magnitude da ondulação da saída na entrada do comparador é parte integrante da operação. Observe o comparador em um escopo. É provável que seja caótico, dependendo do relógio para valores constantes de tempo.
— 22613 Russell McMahon
Para realmente aumentar seus minutos e / ou abrir seus filtros mentais, remova o relógio e o flip-flop e use o comparador para acionar MOSFETs diretamente (levando em consideração a adequação e a polaridade da unidade). Funciona! AGORA olhe Comparator_out em um escopo !!! | Pela escolha cuidadosa do MOSFET Vgsth, você pode organizar uma banda intermediária onde um MOSFET é desligado antes que haja tensão suficiente para ligar o outro. Você pode reduzir as tensões com os resistores, mas depois tem problemas de velocidade de acionamento - com frequência suficiente, como outros dizem, o disparo é baixo o suficiente para ser aceitável.
Um driver de porta muito simples que possui uma banda morta inerente pode ser feito a partir de um par bipolar PNP / NPN e nada mais. Unir bases. Junte-se a emissores. Coletor NPN para V +. Coletor PNP para V-. Dirija a entrada para as bases. Dirija a saída dos emissores. Isso fornece uma unidade de alta corrente e uma banda morta média ~ ~ 2 x Vbe. É possível adicionar a saída R de alguns emissores Ohms às portas FET para REDUZIR a corrente do inversor de portas. Eu uso pares BC337 / 327 (ou BC807 / 817) para isso, permitindo drives de porta FET de quase um pico de amplificador.
O motivo pelo qual você não recebe feedback contínuo e operação linear é que, quando o FET desliga, a energia no indutor continua a fornecer energia à carga e Cout e Vout continuam a subir (ligeiramente). O grau de ondulação dessa fonte faz parte do que determina quanto tempo leva para ligar novamente. Há muito tempo, as pessoas argumentavam amargamente contra esse ser um meio adequado de controle de feedback. Isto é :-). O sinal de comutação é aproximadamente caótico - muito diferente do que você costuma ver. |
Se estiver usando 2 MOSFETS com tempo morto (ou independentemente), coloque um pequeno Schottky barato no FET mais baixo. Isso será conduzido conforme necessário e permitirá que o tempo do FET inferior seja menos crítico. Como o diodo está lidando apenas com a comutação da borda anterior e, talvez, na borda posterior, ele pode ser classificado muito abaixo da corrente de carga total. Você verá isso feito em fontes de alimentação flyback chinesas de 12V para laptop, mesmo baratas - e NÃO no mais barato. Se você NÃO adicionar o Schottky externo, o diodo do corpo do FET conduzirá quando / se necessário, mas com altas perdas.
Sim, existem problemas de estabilidade e um breve momento em que ambos os FETs estão ativados, mas a beleza de usar um FET na parte suspensa do circuito (ou seja, um conversor síncrono de buck) em vez de um diodo schottky é o seguinte: -
Qualquer que seja o ciclo de trabalho do seu PWM, a tensão de saída permanece constante como uma fração da tensão de entrada - você está usando os L e C na saída como um filtro passa-baixo para uma entrada de onda quadrada.
Qualquer que seja a carga que você conectou, desde que os FETs tenham baixa resistência, dentro do motivo, você não precisa alterar a proporção de espaço de marca PWM.
Será mais eficiente em cargas mais pesadas do que um regulador de buck não-síncrono, mas o lado negativo é que, em cargas leves, será menos eficiente porque você precisa de corrente para acionar o canal FET N por causa da capacitância da porta.
Eu também defenderia a construção de um gerador de dente de serra com 555 temporizadores como base do seu sistema. Algo assim: -
Eu o alimentaria em um comparador rápido e, em seguida, usaria a saída do comparador para acionar os dois FETs. Os dois FETs podem ser "segregados no tempo" com um pequeno atraso de tempo de RC na saída do comparador - a saída não atrasada e a saída atrasada alimentariam uma porta AND para uma das unidades de porta e a mesma para a outra unidade de porta, mas usando um portão NOR. Plano de talvez 50ns de atraso introduzido.
O que você obtém é um conversor síncrono meio decente que apenas precisa de uma entrada para a outra entrada do comparador para obter as alterações necessárias no ciclo de trabalho. OK até agora? Em seguida, você pode aplicar um loop de controle simples que reduz a segunda entrada ao comparador à medida que a tensão de entrada aumenta. Faça isso funcionar e, em seguida, aplique outro pequeno loop de controle que realmente regula o PWM com as mudanças de corrente de carga um pouco e isso provavelmente funcionaria e sem feedback negativo envolvido.
Então, como toque final, e com cuidado e sutileza, aplique um loop de controle geral para manter a saída melhor estabilizada, mas lembre-se: com um buck de sincronização, você pode obter desempenho estável meio decente sem loops de controle que usam feedback negativo - se você estão querendo seguir essa abordagem, eu posso recomendar.
No entanto, para mim, basta ligar para a Linear Technology e obter o dispositivo que já faz o trabalho.
Estou curioso para saber qual a vantagem do circuito 555 sobre o projeto do meu inversor nesta aplicação - a frequência de oscilação real pode ser reduzida quase por uma ordem de magnitude sem causar muito problema, portanto a precisão do 555 não é necessária, também o circuito 555 tem uma contagem de peças mais alta. Embora eu prefira usar dois MOSFETs (com um período pwm consideravelmente mais longo que o tempo de comutação do MOSFET), optei pelo diodo Schottky simplesmente porque nunca usei um antes e quero ver como ele se comporta. Meus antigos dispositivos de comutação de energia (controladores de motor) ainda funcionam bem com dois MOSFETs.
Além disso, enquanto os dispositivos da Linear Technology são quase certamente mais precisos do que o meu design, eles têm uma contagem de peças semelhante, e estou fazendo isso em parte como um exercício de aprendizado (portanto, nenhum driver PWM de chip único sofisticado). Vou adicionar Linear Technologye o site deles ao meu notebook, obrigado!
@MarkKCowan Toda a abordagem é discutível, a não ser como um exercício de aprendizado, então, sem saber o que você queria aprender, joguei a ideia 555, mas há uma razão importante por trás disso. Seu oscilador produz uma onda quadrada, mas você pode usar a tensão no capacitor, mas é (A) uma rampa não linear e (B) possui limites de amplitude indefinidos que podem flutuar à medida que o dispositivo se aquece, mas ouça, você faz isso você sente que está certo. Não linearidade e limites imprevisíveis - lembre-se de onde você o ouviu primeiro.
O circuito 555 é usado para produzir uma rampa suave e agradável para a geração PWM. Não é usado por sua precisão de frequência; permite transformar uma tensão analógica em um ciclo de serviço que varia suavemente.
Outra característica dos conversores síncronos (que podem ou não ser uma vantagem) é que eles podem transferir energia nas duas direções. Prático, se você quiser fazer uma quebra regenerativa.
O principal problema com esse esquema é que haverá um momento durante a comutação em que os dois MOSFETS conduzirão corrente e, em seguida, reduzirão a fonte de energia. Como regra, esse momento é curto e não queima os MOSFETs, mas a eficiência será afetada e haverá altas oscilações na fonte de energia.
Substitua o MOSFET inferior pelo diodo Schottky ao contrário.
Sim, o uso de um MOSFET pode aumentar a eficiência, mas o esquema precisa de um driver especial que torne o tempo morto entre a ativação dos transistores.
Eu estava tendo a mesma ideia das respostas à pergunta abaixo antes de ler sua resposta! Um interruptor passivo (por exemplo, o diodo Schottky) faz muito sentido agora que você o mencionou e também diminui o custo total! Obrigado! [ electronics.stackexchange.com/questions/57468/…
— Mark K Cowan '
Eu uso para calcular smps em http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/smps_e.html
Eu já projetei flyback e conversores buck para iluminação LED usando este site, e sempre foi a melhor solução. Você encontra a dimensão da bobina que você precisa (núcleo e enrolamento).
— Alejandro Sincich
Estou pensando em usar minha formação em física para criar algum programa de design de SMPS quando tiver tempo ... Obrigado por esse site, é uma mina de ouro de idéias!
Eu acho que uma abordagem melhor para gerar o sinal PWM é realmente criar um loop de controle adequado. Não está claro para mim que o seu circuito realmente se estabilize onde você deseja.
O que você deve fazer é criar um simples controlador P ou PI. Pegue sua tensão de saída e sua tensão de referência e coloque-as em um amplificador diferencial para obter uma tensão de erro. Em seguida, execute isso através de um potenciômetro para ajustar o ganho. Se você quiser torná-lo mais preciso, execute-o em outro pote, um integrador e, em seguida, coloque os dois em um amplificador de soma. Isso fornecerá uma saída proporcional ao erro e à integral do erro, com ganhos ajustáveis. Em seguida, você executa isso em uma entrada de um comparador. A outra entrada do comparador seria a onda triangular de um oscilador de relaxamento. A saída do comparador acionaria os MOSFETS, possivelmente com um driver MOSFET e talvez com alguma lógica adicional para impedir o disparo. Vocês'
A idéia é que ele gere um bom sinal PWN. Você não quer apenas ver o sinal do erro, mas também quanto custa. A correção quando você está desligado em 1% é muito diferente de quando você está desligado em 50%. Se tudo o que você olha é o sinal, você obterá resultados estranhos. Além disso, a onda triangular será comparada a uma versão amplificada do sinal de erro. Sem o integrador, a tensão cairá levemente sob carga, pois o nível necessário para gerar o ciclo de trabalho necessário será menor. O integrador irá limpar esse erro em uma escala de tempo mais longa.
— 26513 alex.forencich
@ MarkKCowan - A topologia síncrona do conversor buck (com interruptores laterais alto e baixo) que você possui ou possui é provavelmente tão boa quanto qualquer outra, se Vin não for muito menor que Vout. Para diferenças muito grandes - digamos 4: 1 +, você pode ser melhor com um conversor que faça a conversão inversa seguida por um estágio buck - isso ainda pode usar uma única chave com o conversor buck sendo "passivo". Mas para o que você está fazendo isso parece bom. Em correntes altas, o FET mais baixo, em vez de um diodo, pode fazer uma diferença substancial. Eu comprei recentemente um conversor barato chinês de 24V a 12V @ 20A e na noite passada o desmontei ...
... ver o que eles fizeram. Ele usa um TL494 mais 2 FETs paralelos como chave superior (para obter a classificação de corrente necessária) e um diodo inferior Schottky duplo. Ele é avaliado em queda de cerca de 0,6V a 20A ou 12W a 240W (12 x 20A) ou perda de eficiência de 5% apenas no diodo. Reffective do diodo = V / I = 0.6 / 20 = 30 milliOhm. Embora esse seja um resultado razoável, seria fácil obter um FET a 10 miliOhm e 5 ou até 1 miliOhm de FETs estão disponíveis a preços não totalmente bancários. Um FET de 5 mO reduz a perda de 'diodo' de 5% para menos de 1%. ...
... Usar um controlador otimizado e um driver adequado ajudaria, MAS o driver barato de 2 transistores faz um bom trabalho. Você deve conseguir 95% de eficiência no mundo real em muitos casos e, em algumas aplicações desafiadoras de alta potência, as pessoas afirmam ter 98% ou mais. Essas altas eficiências geralmente estão em uma mistura otimizada de Vin, Vout e potência - afaste-se do ponto de design otimizado e ele cai. Você pode ver isso em muitas planilhas de dados e notas de aplicativos em que uma curva atingirá o pico em 95% +, mas você pode esperar muito menos em outro lugar no 'cenário' operacional.
Usar um FET sozinho como a chave inferior significa que o tempo de comutação deve ser "correto". Paralelamente a um Schottky de classificação mais baixa no FET inferior, o diodo lida com arestas que não são cronometradas corretamente e o FET lida com a maior parte do tempo x atual. O Schottky pode ter uma classificação muito mais baixa do que se fosse usado sozinho, pois lida apenas com eventos transitórios em um ou nos dois extremos do período de ativação.