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.

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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}

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: -

1. 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.
2. 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.
3. 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.

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 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).

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'