Regolatore di commutazione buck basato su ATtiny84a - per favore, critica!

Ecco un tentativo di progettare un regolatore buck basato su un ATtiny84a come controller PWM. Dovrebbe passare da una batteria LiPo 4S (12,8 - 16,8 volt in) a un'uscita 12 V ragionevolmente regolata, utilizzata per pilotare servomotori che accettano ingressi 10-14V. 4S LiPo è leggermente troppo alto e 3S LiPo è leggermente troppo basso, soprattutto perché voglio la coppia nominale di 12V. Il design ha lo scopo di fornire il caso peggiore di 40 amp (bloccando la maggior parte dei motori).

Non posso acquistarne uno, perché non appena esco dalla gamma 10-15A, tutti i convertitori DC DC sono progettati per uso industriale e hanno custodie pesanti, sono davvero costosi, richiedono input a 24 V o altri errori di corrispondenza con le mie attuali esigenze.

L'idea è di utilizzare il comparatore analogico incorporato nell'AVR per rilevare la tensione target sopra / sotto e generare un impulso di una durata definita quando viene rilevato il under.

Costruirò questo sulla breadboard con fili di calibro 20 saldati attraverso i conduttori dei componenti per i percorsi ad alta potenza.

So di mantenere il "nodo di commutazione" e il percorso di feedback il più breve possibile, quando provo a fare il layout. Tracciavo anche tutte le tracce della breadboard che non vengono utilizzate, per creare il piano di terra di un povero.

Ho provato a scegliere un induttanza in cui la corrente di saturazione corrisponde alla mia corrente di uscita massima e un induttore buck in cui la corrente di saturazione è superiore alla mia uscita massima.

La frequenza d'angolo di 94 uF e 3,3 uH è di circa 9 kHz e immagino che l'AVR funzionerà molto più velocemente di così. Sto pensando a un impulso di 5 US ogni volta che viene rilevata una sottotensione, e poi torno indietro per cercare di nuovo sottotensione. Ciò fornisce una frequenza massima (quasi al 100% del duty cycle) di 200 kHz.

Ed ecco lo schema: https://watte.net/switch-converter.png

Oltre alle preoccupazioni sollevate nei commenti (polarità P-FET errata, nessun diodo di cattura / MOSFET), ho alcune preoccupazioni a colpo d'occhio:

• Il microcontrollore non sarà in grado di guidare il gate del Q1 molto duramente (di solito i pin GPIO possono generare solo pochi milliampere) quindi l'accensione e lo spegnimento saranno molto lenti. Ciò limiterà il comportamento dell'interruttore high-side.

• Non hai un resistore gate-to-source su Q1, quindi dipendi esclusivamente dal GPIO che mantiene il MOSFET acceso o spento. Se il pin GPIO diventa ad alta impedenza, il MOSFET può attivarsi se il gate rileva una carica dall'ambiente.

• Se il resistore di gate del canale P 70R è acceso (se Q1 è saturo), brucerà

  $D \cdot \dfrac{(16V)^2}{70 \Omega} = D \cdot 3.65W$

  che è una potenza folle poiché D sta per essere alto (l'input è vicino all'output). Inoltre, il 225mA circa che fluirà verrà bruciato anche in Q1, il che non è salutare poiché è un dispositivo relativamente piccolo.

  $V_{GS}$$V_{GS}$

  • La tua rete di feedback puramente resistiva è una cattiva idea. Hai davvero bisogno di qualche compensazione e / o filtro. Il tuo comparatore sarà iper-veloce e potrebbe reagire al cambio di rumore, pickup, ripple, ecc. - Dal momento che non sembra che tu stia usando un amplificatore di errore con compensazione per controllare il guadagno e la fase, avrai bisogno di un limite attraverso R5 (e un po 'di fortuna).

  • Non hai alcun monitoraggio corrente o protezione da sovracorrente nella tua power train.

  • Non hai alcuna protezione da sovratensione nel tuo gruppo motopropulsore.

  • Non hai alcuna protezione da sovratemperatura nel tuo gruppo motopropulsore.

  • Non hai una protezione da inversione di polarità e un fusibile di ingresso nella tua catena cinematica. Grande no-no, specialmente quando la sorgente è a batteria (grande capacità di approvvigionamento in corto circuito).

Questo è un progetto più semplice se si utilizza un controller buck sincrono analogico standard. Non capisco perché vorresti usare ATtiny per questo.

Detto questo, questo non è un progetto semplice da nessuna parte. Il tuo schema è in gran parte incompleto e manca della protezione di sicurezza di base di cui avrà bisogno qualsiasi alimentatore (specialmente quelli che funzionano ad alti livelli di potenza come il tuo).

Pensa alle tue esigenze, calcola tutte le perdite, progetta in alcune protezioni e torna con il giro. 2.

Stai progettando un regolatore Buck per:

• Vin da 12,8 a 16,8 Volt da una batteria LiPo ad alta capacità.
• Vout di 12V @ 40 Amp.
• La tecnica di controllo è costante in tempo e variabile fuori tempo.

Anche dopo la buona risposta di Madmanguruman, ci sono altre cose che dovrebbero essere notate. La principale difficoltà con questo progetto sarà l'elevata corrente che viene elaborata. Prenderò attenzione principalmente ai componenti di elaborazione dell'alimentazione, al modulatore di potenza e al filtraggio.

• $\text{D } \text{Iout}^2 \text{Rds}$

• Gate Drive. Non esiste un gate drive adeguato in questo progetto. Soprattutto per spegnere. Con 70 Ohm che spegne un FET con Ciss di 3500pF, il tempo di spegnimento sarà di almeno 500 nSec. Ciò comporterà un'enorme perdita di commutazione nel FET, probabilmente almeno 15 W di perdita aggiuntiva nel FET. Questo design deve avere un gate drive molto migliore. Dal momento che il gate drive deve essere comunque migliorato; sarebbe molto utile passare a un FET di commutazione del canale N e utilizzare un raddrizzatore sincrono corrispondente con un IC drive gate (come IR2104 o LM5104 o alcuni di questi).

• Controllo isteretico. Non ci sono problemi con tempo di accensione costante, controllo del tempo di spegnimento variabile. Il controllo isteretico può (se stai attento) funzionare bene e avere un'eccellente risposta ai transitori. Ma il problema qui sta usando il comparatore in uC. È necessario disporre dell'accesso al comparatore per fornire un'isteresi aggiuntiva. Pertanto, è necessario aggiungere un comparatore con isteresi e con un tempo di risposta inferiore a 500nSec. Vorresti aggiungere un'isteresi di circa 100mV.

• Filtro di uscita. Buon induttore, L1. A 40A più corrente di ondulazione sarà sull'orlo della saturazione. Sarebbe meglio avere una parte attuale più alta, ma non è una grande preoccupazione. Sembra che i condensatori di uscita C1 e C2 siano in ceramica, che è una buona scelta, dovrebbe essere in grado di avere un ESR totale inferiore a 20 mOhm per una tensione di ondulazione ~ 100mV. È interessante notare che la resistenza di carico al massimo carico (~ 0,3 ohm) è molto vicina all'impedenza caratteristica del filtro di uscita (~ 0,2 ohm). Questo è fortunato, poiché significa che il filtro è ben smorzato, ne parleremo più avanti. Se si utilizzano solo motori con questa alimentazione, non è necessario il filtro del secondo stadio (L2, C3).

Ci sono alcune funzioni escluse che devono essere presenti:

• Limite attuale, deve essercene uno, se non altro per la tua sicurezza. Con la quantità di corrente gestita, le sorprese possono arrivare in fretta. Non hai vissuto fino a quando la parte superiore dell'interruttore di alimentazione si separa in modo esplosivo dalla parte inferiore e vola via per attaccare al soffitto. Comunque, una sorta di limite di corrente, anche se è solo una miccia.

• Filtro di input. Non è chiaro il resto del sistema, ma l'input di questa fornitura sarà la fonte di enormi quantità di EMI. Normalmente questo sarebbe un grosso problema.

Anche l'impedenza di ingresso è una preoccupazione qui. I regolatori di commutazione hanno impedenza di ingresso negativa e possono creare buoni oscillatori (purtroppo). L'impedenza della sorgente, del LiPo e della rete di distribuzione deve essere inferiore a 1/2 dell'impedenza di ingresso dell'alimentazione per evitare oscillazioni. Penso che le batterie LiPo ad alta capacità abbiano un'impedenza di circa 20 mOhm (anche se questo aumenta con l'età). L'impedenza di ingresso a pieno carico (40A) di questa alimentazione con il suo filtro di uscita corrente (L1 con C1 e C2) ha un minimo di circa 100mOhms (a 9KHz), che risulta buono se l'impedenza della rete di distribuzione della sorgente viene mantenuta bassa. Ma ricorda lo smorzamento del filtro di uscita che sembrava così buono con il carico di 40A, bene se il carico scende a 10A lo smorzamento non è così buono. Ciò significa che con un carico di 10 A l'impedenza di ingresso minima scende a circa 50 mOhm (a 9 KHz), che renderebbe la distribuzione della fonte davvero stretta e problematica. Che paradosso, perché questo è un problema di carico leggero causato dallo smorzamento del filtro di uscita variabile.