¿Qué está mal con este simple SMPS?

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Últimamente he estado leyendo sobre electrónica de potencia y, como desafío (y también un ejercicio de aprendizaje), diseñé mi primera fuente de alimentación de conmutación: un convertidor de dólar en este caso.

Estádestinadoasuministrar3.5-4.0V(decididoporlafuentedereferenciadeldiodo)yhasta3Aparaimpulsaralgunos LED de alimentación con cualquier fuente de CC, desde un cargador USB de 5V hasta una batería PP3 de 9V. Quiero un suministro eficiente, ya que la vida útil de la batería y la calefacción será un problema real (de lo contrario, sería perezoso y utilizaría un diodo 7805 +).

NOTA: Ya me di cuenta de que tengo la lógica de conmutación de forma incorrecta, necesito cambiar las conexiones en el comparador o usar !Q para controlar los MOSFET.

Mi elección de MOSFET en lugar de BJT se debió a las pérdidas de potencia en un BJT, y los problemas térmicos que surgieron. ¿Esta decisión de usar MOSFET sobre BJT / IGBT debido a una mayor eficiencia es la llamada correcta?

En lugar de usar un chip PWM como sugieren muchos foros de aficionados, decidí usar una combinación de comparador / reloj / pestillo para cambiar rápidamente entre "carga" y "descarga". ¿Existe alguna desventaja particular de este enfoque? El pestillo CMOS (un flip-flop D) copia los datos a las salidas en el flanco ascendente de los pulsos del generador de reloj (un inversor Schmitt CMOS + retroalimentación).

La elección de las constantes de tiempo / frecuencias de esquina para el reloj y el paso bajo Buck (10-100 kHz y 10 Hz respectivamente) está pensada para soportar la pequeña aproximación de ondulación al mismo tiempo que permite que el condensador de salida se cargue en un tiempo razonable desde la alimentación -en. ¿Es este el conjunto correcto de consideraciones para decidir los valores de estos componentes?

Además, ¿cómo puedo calcular el valor del inductor? Supongo que depende de la corriente de salida típica y del valor del capacitor de paso bajo, pero no puedo entender cómo .

[editar:]

En el pasado, he usado el par MOSFET mostrado (además del software PWM) para crear puentes en H para el control bidireccional del motor de velocidad variable, y siempre y cuando mantuve el período PWM mucho más largo que el MOSFET tiempo de conmutación, el desperdicio de energía de cortocircuito durante la conmutación fue despreciable. Sin embargo, en este caso, voy a reemplazar el N-mosfet con un diodo Schottky ya que nunca he usado un diodo Schottky antes y quiero ver cómo se comportan.

Uso un simple inversor + RC combinado para proporcionar la señal del reloj, ya que no necesito una frecuencia particularmente consistente o precisa, siempre que sea considerablemente más alta que la frecuencia de esquina de corte alto del buck-boost.

[editar II:]

  • Lo construí en una placa de pruebas y, para mi sorpresa, funcionó de inmediato sin problemas, y con una eficiencia del 92% (en comparación con el 94% que calculé a partir de las pérdidas de componentes / conmutación). / p>

  • Tenga en cuenta que omití la resistencia en la etapa de salida, por pereza, y no puedo recordar por qué lo puse ahí en primer lugar.

  • Omití el diodo inverso paralelo al P-MOSFET, y también usé un diodo Schottky 1N5817 (nota: clasificación 1A) en lugar del N-MOSFET. No se calienta lo suficiente como para que mis dedos lo noten. Sin embargo, he ordenado un diodo con una clasificación más alta para cuando ensamble la unidad final, que funcionará con carga completa.

  • Golpeé accidentalmente el comparador LM393 durante las pruebas, pero un LM358AN tomó su lugar de inmediato sin ningún problema.

  • Como no puedo encontrar ningún software decente de diseño de circuitos + diseño / enrutamiento que se ejecute en Arch Linux x64 (o incluso que se instale, en el caso del software nativo de Linux), lo he implementado manualmente para probablemente no funcionará para cuando esté soldado ... ¡Pero eso se suma a la "diversión" que supongo!

  • Valores de los componentes utilizados: Clock gen {1kR, 100nF}; Salida de dólar {330uH, 47uF}; Condensador de entrada [no mostrado] {47uF}; P-MOSFET {STP80PF55}; N-MOSFET {diodo Schottky en su lugar, 1N5817 - para ser reemplazado con > = versión 3A}; CI {40106 NXP, 4013 NXP, LM358AN}

pregunta Mark K Cowan

4 respuestas

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Sí, hay problemas de estabilidad y un breve momento en el que ambos FET están activados, pero la belleza de usar un FET en la parte desplegable del circuito (es decir, un convertidor reductor síncrono) en lugar de un diodo schottky es la siguiente:

  1. Cualquiera que sea el ciclo de trabajo, su PWM es el voltaje de salida se mantiene constante como una fracción del voltaje de entrada; está en efecto utilizando las teclas L y C de la salida como filtro de paso bajo a una entrada de onda cuadrada.
  2. Cualquiera que sea la carga que haya conectado, siempre que los FET tengan una resistencia baja, dentro de lo razonable no necesita cambiar la relación espacio-marca PWM.
  3. Será más eficiente en cargas más pesadas que un regulador de dólar no síncrono, pero el inconveniente es que en cargas ligeras será menos eficiente porque necesita corriente para controlar el FET del canal N debido a la capacidad de la compuerta.

También recomendaría la construcción de un generador de dientes de sierra con temporizador 555 como base de su sistema. Algo como esto: -

LuegolointroduciríaenuncomparadorrápidoyluegoutilizaríalasalidadelcomparadorparaimpulsarlosdosFET.LosdosFETsepueden"separar en el tiempo" con un pequeño retardo de tiempo RC en la salida del comparador: la salida sin demora y la salida retardada alimentarán una puerta AND para una de las unidades de la puerta y lo mismo para la otra unidad de la puerta, pero utilizando una puerta NOR. Se planea una demora de tiempo de 50 ns introducida.

Lo que obtienes es un convertidor reductor síncrono medio decente que solo necesita una entrada para la otra entrada del comparador para obtener los cambios necesarios en el ciclo de trabajo. Ok hasta ahora? Luego puede aplicar un simple bucle de control que reduce la segunda entrada al comparador a medida que aumenta el voltaje de entrada. Haga que esto funcione y luego aplique otro pequeño bucle de control que realmente regule el PWM con cambios de corriente de carga un poco y esto probablemente funcionará y no habrá comentarios negativos.

Luego, como toque final, y con cuidado y sutileza, aplique un bucle de control general para mantener la salida mejor estabilizada, pero recuerde que con una inversión de sincronización puede obtener un rendimiento estable medio decente sin los bucles de control que utilizan retroalimentación negativa. - Si quieres seguir este enfoque, te lo recomiendo.

Sin embargo, para mí, solo recurriría a Linear Technology y obtendría el dispositivo que ya hace el trabajo.

    
respondido por el Andy aka
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El principal problema con este esquema es que habrá un momento durante el cambio cuando ambos MOSFETS conducirán la corriente y cortarán la fuente de energía. Como regla general, este momento es corto y no quemará los MOSFET, pero la eficiencia se verá afectada y habrá un gran aumento en la fuente de alimentación.

Reemplace el MOSFET inferior con el diodo Schottky al revés.

Sí, el uso de un MOSFET puede aumentar la eficiencia, pero luego el esquema necesita un controlador especial que deje el tiempo muerto entre la activación de los transistores.

    
respondido por el johnfound
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Utilizo para calcular smps en enlace

Ya diseñé el flyback y los convertidores Buck para iluminación LED utilizando este sitio web, y siempre fue la mejor solución. Aquí encontrará la dimensión de la bobina que necesita (núcleo y bobinado).

    
respondido por el Alejandro Sincich
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Creo que un mejor enfoque para generar la señal PWM es construir un bucle de control adecuado. No me queda claro que su circuito realmente se estabilice donde usted lo desee.

Lo que debes hacer es construir un controlador P o PI simple. Tome su voltaje de salida y su voltaje de referencia y póngalos a través de un amplificador diferencial para obtener un error de voltaje. Luego ejecuta esto a través de un potenciómetro para que puedas ajustar la ganancia. Si desea hacerlo más preciso, ejecútelo en otro potenciómetro, un integrador, y luego coloque ambos en un amplificador de suma. Esto le dará una salida que es proporcional al error y a la integral del error, con ganancias ajustables. A continuación, ejecute esto a una entrada de un comparador. La otra entrada del comparador sería una onda triangular de un oscilador de relajación. La salida del comparador conduciría a los MOSFETS, posiblemente con un controlador MOSFET y tal vez con alguna lógica adicional para evitar el disparo. Tendrás que jugar con la configuración del potenciómetro para obtener el mejor resultado.

    
respondido por el alex.forencich

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