Cosa c'è di sbagliato in questo semplice SMPS?

Recentemente ho letto sull'elettronica di potenza e come sfida (e anche un esercizio di apprendimento), ho progettato il mio primo alimentatore a commutazione, in questo caso un convertitore buck.

È destinato a fornire 3,5-4,0 V (deciso dalla sorgente di riferimento del diodo) e fino a 3A per pilotare alcuni LED di alimentazione con qualsiasi sorgente CC, che vanno da un caricatore USB da 5 V a una batteria PP3 da 9 V. Voglio un approvvigionamento efficiente, poiché il riscaldamento e la durata della batteria saranno un vero problema (altrimenti sarei pigro e userei un diodo 7805 +).

NOTA: ho già notato che ho la logica di commutazione nel modo sbagliato, ho bisogno di scambiare le connessioni nel comparatore o utilizzare !Qper pilotare i MOSFET.

La mia scelta di MOSFET anziché BJT era dovuta alle perdite di potenza in un BJT e ai problemi termici che si presentavano. Questa decisione di utilizzare MOSFET su BJT / IGBT a causa di una maggiore efficienza è la scelta giusta?

Invece di usare un chip PWM come suggeriscono molti forum di hobbisti, ho deciso di utilizzare una combinazione comparatore / orologio / latch per passare rapidamente da "carica" ​​a "scarica". C'è qualche particolare svantaggio di questo approccio? Il latch CMOS (un D-flip flop) copia i dati sulle uscite sul fronte di salita degli impulsi dal generatore di clock (un inverter Schmitt CMOS + feedback).

La scelta delle costanti di tempo / frequenze d'angolo per l'orologio e il buck lowpass (rispettivamente 10-100kHz e 10Hz) ha lo scopo di supportare la piccola approssimazione dell'ondulazione consentendo allo stesso tempo al condensatore di uscita di caricarsi in un ragionevole lasso di tempo dall'accensione. È questo il giusto insieme di considerazioni per decidere i valori di questi componenti?

Inoltre, come farei per calcolare il valore dell'induttore? Suppongo che dipenda dalla corrente di uscita tipica e dal valore del condensatore passa-basso, ma non riesco a capire come.

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In passato, ho usato la coppia MOSFET mostrata (oltre al software PWM) per creare ponti H per il controllo del motore a velocità variabile bidirezionale - e finché ho mantenuto il periodo PWM molto più grande del tempo di commutazione MOSFET , la perdita di energia dovuta a corto circuito durante la commutazione era trascurabile. In questo caso, tuttavia, sostituirò l'N-mosfet con un diodo Schottky poiché non ho mai usato un diodo Schottky prima e voglio vedere come si comportano.

Uso un semplice combo inverter + RC per fornire il segnale di clock in quanto non ho bisogno di una frequenza particolarmente coerente o precisa purché sia ​​considerevolmente più alta della frequenza d'angolo high-cut del buck-boost.

[modifica II:]

• L'ho costruito su una breadboard e con mia sorpresa, ha funzionato immediatamente senza problemi e con un'efficienza del ~ 92% (rispetto al 94% che avevo calcolato dalla perdita di commutazione / componente).

• Si noti che ho omesso il resistore nello stadio di uscita, per pigrizia - inoltre non riesco proprio a ricordare perché l'ho messo lì in primo luogo.

• Ho omesso il diodo inverso parallelo al P-MOSFET e ho usato anche un diodo Schottky 1N5817 (nota: classificazione 1A) al posto dell'N-MOSFET. Non fa abbastanza caldo da notare la punta delle dita. Ho ordinato un diodo di livello superiore anche se per il montaggio dell'unità finale, che funzionerà a pieno carico.

• Durante il test ho accidentalmente fatto esplodere il comparatore LM393, ma un LM358AN ha preso immediatamente il suo posto senza problemi.

• Dato che non riesco a trovare alcun software di progettazione di circuiti / layout decente di circuito / esecuzione che funzionerà su Arch Linux x64 (o addirittura l'installazione, nel caso del software nativo Linux), l'ho disposto manualmente in modo che probabilmente non funzionerà quando è saldato ... Ma questo aggiunge solo al "divertimento" immagino!

• Valori dei componenti utilizzati: Clock gen {1kR, 100nF}; Uscita buck {330uH, 47uF}; Condensatore di ingresso [non mostrato] {47uF}; P-MOSFET {STP80PF55}; N-MOSFET {diodo Schottky invece, 1N5817 - da sostituire con> = versione 3A}; CI {40106 NXP, 4013 NXP, LM358AN}

Sì, ci sono problemi di stabilità e un breve momento in cui entrambi i FET sono attivi, ma la bellezza di usare un FET sulla parte pull-down del circuito (cioè un convertitore buck sincrono) invece di un diodo schottky è questa: -

1. Qualunque sia il ciclo di lavoro del PWM, la tensione di uscita rimane costante come una frazione della tensione di ingresso: si sta effettivamente utilizzando L e C sull'uscita come filtro passa basso verso un ingresso ad onda quadra.
2. Qualunque sia il carico collegato, a condizione che i FET abbiano una resistenza bassa, per cui non è necessario modificare il rapporto spazio-segnale PWM.
3. Sarà più efficiente su carichi più pesanti rispetto a un regolatore buck non sincrono, ma il lato negativo è che su carichi leggeri sarà meno efficiente perché è necessaria corrente per pilotare il FET del canale N a causa della capacità del gate.

Consiglierei anche di costruire un generatore a dente di sega 555 come base del tuo sistema. Qualcosa come questo: -

Lo inserisco quindi in un comparatore rapido e quindi utilizzo l'output del comparatore per guidare i due FET. I due FET possono essere "segregati nel tempo" con un piccolo ritardo RC sull'uscita del comparatore: l'uscita non ritardata e l'uscita ritardata alimenterebbero una porta AND per una delle unità gate e la stessa per l'altra unità gate ma usando un cancello NOR. Piano su forse 50 n di ritardo introdotto.

Quello che ottieni è un convertitore buck sincrono semi-decente che ha solo bisogno di un input per l'altro input del comparatore per ottenere le modifiche del ciclo di lavoro richieste. OK finora? Quindi è possibile applicare un semplice circuito di controllo che abbassa il secondo ingresso al comparatore man mano che la tensione di ingresso aumenta. Fallo funzionare e quindi applica un altro piccolo circuito di controllo che regola effettivamente il PWM con un po 'di modifiche alla corrente di carico e questo probabilmente funzionerebbe e senza alcun feedback negativo.

Quindi, come tocco finale, e con cura e delicatezza applica un loop di controllo generale per mantenere l'output meglio stabilizzato ma ricorda, con un buck di sincronizzazione puoi praticamente ottenere prestazioni stabili decenti senza loop di controllo che utilizzano feedback negativo - se voglio seguire questo approccio, posso consigliarlo.

Tuttavia, per me, vorrei solo chiamare Linear Technology e ottenere il dispositivo che fa già il lavoro.

Il problema principale con questo schema è che ci sarà un momento durante la commutazione in cui entrambi i MOSFET condurranno corrente e quindi cortocircuitando la fonte di alimentazione. Di norma, questo momento è breve e non brucerà i MOSFET, ma l'efficienza ne risentirà e ci saranno forti sovratensioni nella fonte di alimentazione.

Sostituire il MOSFET inferiore con il diodo Schottky al contrario.

Sì, l'uso di un MOSFET può aumentare l'efficienza, ma lo schema necessita di un driver speciale per far passare i tempi morti tra l'attivazione dei transistor.

Uso per calcolare gli smps su http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/smps_e.html

Ho già progettato flyback e convertitori buck per l'illuminazione a LED utilizzando questo sito Web ed è stata ogni volta la soluzione migliore. Qui trovi la dimensione per la bobina di cui hai bisogno (nucleo e avvolgimento).

Penso che un approccio migliore alla generazione del segnale PWM sia effettivamente quello di costruire un adeguato circuito di controllo. Non mi è chiaro che il tuo circuito si stabilizzerà dove vuoi.

Quello che dovresti fare è costruire un semplice controller P o PI. Prendi la tensione di uscita e la tensione di riferimento e inseriscile in un amplificatore differenziale per ottenere una tensione di errore. Quindi eseguire questo attraverso un potenziometro in modo da poter regolare il guadagno. Se vuoi renderlo più preciso, eseguilo su un altro piatto, un integratore, e poi inseriscili entrambi in un amplificatore sommatore. Questo ti darà un output che è proporzionale all'errore e all'integrale dell'errore, con guadagni regolabili. Quindi esegui questo su un input di un comparatore. L'altro input del comparatore sarebbe l'onda triangolare da un oscillatore di rilassamento. L'output del comparatore avrebbe guidato i MOSFET, possibilmente con un driver MOSFET e forse qualche logica aggiuntiva per impedire lo sparo. Voi'