Что не так с этим простым SMPS?

В последнее время я изучал силовую электронику и в качестве испытания (а также обучающего упражнения) разработал свой первый импульсный источник питания - в данном случае понижающий преобразователь.

Он предназначен для питания 3,5-4,0 В (определяется диодным эталонным источником) и до 3 А для управления некоторыми светодиодами питания с любым источником постоянного тока, от зарядного устройства USB 5 В до батареи PP3 9 В. Мне нужен эффективный источник питания, так как нагрев и время работы от батареи будут реальной проблемой (в противном случае я бы ленился и использовал бы диод 7805 +).

ПРИМЕЧАНИЕ: я уже заметил, что у меня неправильная логика переключения, мне нужно либо поменять местами соединения в компараторе, либо использовать !Qдля управления МОП-транзисторами.

Мой выбор MOSFET вместо BJT был обусловлен потерями мощности в BJT и возникающими тепловыми проблемами. Является ли это решение использовать MOSFET поверх BJT / IGBT из-за повышения эффективности правильным вызовом?

Вместо того, чтобы использовать ШИМ-чип, как предлагают многие любители, я решил использовать комбинацию компаратор / часы / защелка для быстрого переключения между «зарядкой» и «разрядкой». Есть ли какой-то конкретный недостаток этого подхода? Защелка CMOS (D-триггер) копирует данные на выходы по переднему фронту импульсов от тактового генератора (инвертор Шмитта CMOS + обратная связь).

Выбор постоянных времени / угловых частот для часов и низкочастотного диапазона (10–100 кГц и 10 Гц соответственно) предназначен для поддержки приближения малых пульсаций, а также позволяет зарядить выходной конденсатор в течение разумного промежутка времени от момента включения. Это правильный набор соображений для определения значений этих компонентов?

Кроме того, как мне рассчитать значение индуктора? Я бы предположил, что это зависит от типичного выходного тока и значения конденсатора нижних частот, но я не могу понять, как именно.

[редактировать:]

В прошлом я использовал показанную пару МОП-транзисторов (в дополнение к программному ШИМ) для создания Н-мостов для двунаправленного управления двигателем с переменной скоростью - и до тех пор, пока период ШИМ значительно превышал время переключения МОП-транзисторов , потери энергии от короткого замыкания во время переключения были незначительными. Однако в этом случае я собираюсь заменить N-mosfet на диод Шоттки, поскольку я никогда раньше не использовал диод Шоттки и хочу посмотреть, как они себя ведут.

Я использую простую комбинацию инвертор + RC, чтобы обеспечить тактовый сигнал, поскольку мне не нужна особо постоянная или точная частота, если она значительно выше, чем верхняя угловая частота усиления.

[править II:]

• Я построил его на макете, и, к моему удивлению, он сразу заработал без каких-либо проблем и с эффективностью ~ 92% (по сравнению с 94%, которые я рассчитал исходя из потерь на переключение / компоненты).

• Обратите внимание, что из-за лени я опустил резистор в выходном каскаде - также я не могу вспомнить, зачем я его туда поставил.

• Я пропустил обратный диод, параллельный P-MOSFET, а также использовал диод Шоттки 1N5817 (примечание: рейтинг 1A) вместо N-MOSFET. Это не нагревает достаточно для моих кончиков пальцев, чтобы заметить. Я заказал диод с более высоким номиналом, хотя, когда я собираю последний блок, который будет работать с полной нагрузкой.

• Я случайно подорвал компаратор LM393 во время тестирования, но LM358AN сразу же занял его место без каких-либо проблем.

• Поскольку я не могу найти какое-либо приличное программное обеспечение для проектирования схем и компоновки / маршрутизации, которое будет работать на Arch Linux x64 (или даже установить, в случае с программным обеспечением для Linux), я выложил его вручную, так что оно, вероятно, не будет работать к тому времени, когда это припаяно ... Но это только добавляет к "забаве", я думаю!

• Используемые значения компонента: Clock gen {1kR, 100nF}; Бак выходной {330uH, 47uF}; Входной конденсатор [не показан] {47 мкФ}; P-MOSFET {STP80PF55}; N-MOSFET {вместо диода Шоттки, 1N5817 - должен быть заменен на версию с = = 3A}; ИС {40106 NXP, 4013 NXP, LM358AN}

Да, существуют проблемы со стабильностью, и краткий момент, когда оба полевых транзистора включены, но прелесть использования полевого транзистора на нисходящей части схемы (т.е. синхронного понижающего преобразователя) вместо диода Шоттки заключается в следующем:

1. Каким бы ни был рабочий цикл вашего ШИМ, выходное напряжение остается постоянным в виде доли входного напряжения - вы фактически используете L и C на выходе в качестве фильтра нижних частот для прямоугольного входа.
2. Независимо от того, какую нагрузку вы подключили, при условии, что FET имеют низкое сопротивление, по той причине, что вам не нужно менять отношение пространств разметки ШИМ.
3. Он будет более эффективен при более высоких нагрузках, чем несинхронный стабилизатор, но недостатком является то, что при небольших нагрузках он будет менее эффективным, поскольку вам необходим ток для управления полевым транзистором N-канала из-за емкости затвора.

Я также рекомендовал бы построить пилообразный генератор с таймером 555 в качестве основы вашей системы. Что-то вроде этого: -

Затем я бы подал его в быстрый компаратор и затем использовал вывод компаратора для управления двумя полевыми транзисторами. Два полевых транзистора могут быть «разделены по времени» с небольшой временной задержкой RC на выходе компаратора - незадержанный выходной сигнал и задержанный выходной сигнал будут подавать логический вентиль AND для одного из вентильных вентилей и тот же для другого вентильного вентиля, но используя ворота NOR. План на время задержки 50 нс введен.

В результате получается полуприличный синхронный понижающий преобразователь, которому просто нужен вход для другого входа компаратора, чтобы получить требуемые изменения коэффициента заполнения. Хорошо пока? Затем вы можете применить простой контур управления, который понижает 2-й вход для компаратора по мере увеличения входного напряжения. Получите это, а затем примените еще один небольшой контур управления, который фактически регулирует ШИМ с изменением тока нагрузки, и это, вероятно, сработает, и никакой отрицательной обратной связи не будет.

Затем, в качестве последнего штриха, с осторожностью и тонкостью примените общий контур управления, чтобы обеспечить лучшую стабилизацию выходного сигнала, но помните, что с синхронизацией вы можете получить почти приличную стабильную производительность без циклов управления, которые используют отрицательную обратную связь - если вы хочу пойти на такой подход, я могу порекомендовать его.

Тем не менее, я бы просто позвонил на Linear Technology и получил устройство, которое уже выполняет свою работу.

Основная проблема с этой схемой состоит в том, что во время переключения будет момент, когда оба полевых МОП-транзистора будут проводить ток, а затем замкнут источник питания. Как правило, этот момент короткий и не сожжет полевые МОП-транзисторы, но это повлияет на эффективность и произойдет скачок напряжения в источнике питания.

Замените нижний полевой МОП-транзистор обратным диодом Шоттки.

Да, использование полевого МОП-транзистора может повысить эффективность, но тогда для схемы требуется специальный драйвер, обеспечивающий мертвое время между включением транзисторов.

Я использую для расчета smps на http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/smps_e.html

На этом сайте я уже разработал обратные цепи, а также понижающие преобразователи для светодиодного освещения, и это всегда было лучшим решением. Там вы найдете размер нужной вам катушки (сердечник и обмотка).

Я думаю, что лучший подход к генерации сигнала ШИМ состоит в том, чтобы на самом деле построить правильный контур управления. Мне не ясно, что ваша схема действительно стабилизируется там, где вы хотите.

Что вам нужно сделать, это построить простой P или PI контроллер. Возьмите выходное напряжение и ваше опорное напряжение и поставить их через дифференциальный усилитель, чтобы получить напряжение ошибки. Затем пропустите это через потенциометр, чтобы вы могли отрегулировать усиление. Если вы хотите сделать его более точным, пропустите его через другой банк, интегратор, а затем поместите оба из них в суммирующий усилитель. Это даст вам выходной сигнал, который пропорционален ошибке и интегралу ошибки, с регулируемыми коэффициентами усиления. Затем вы запускаете это к одному входу компаратора. Другим входом компаратора будет треугольная волна от генератора релаксации. Выход компаратора будет управлять МОП-транзисторами, возможно, с драйвером МОП-транзистора и, возможно, некоторой дополнительной логикой, чтобы предотвратить пробивание. Вы'