Was ist los mit diesem einfachen SMPS?

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Ich habe in letzter Zeit über Leistungselektronik gelesen und als Herausforderung (und auch als Lernübung) mein erstes Schaltnetzteil entworfen - in diesem Fall einen Abwärtswandler.

Mein aktuelles Design

Es ist vorgesehen, 3,5-4,0 V (von der Diodenreferenzquelle festgelegt) und bis zu 3 A zu liefern, um einige Leistungs-LEDs mit einer beliebigen Gleichstromquelle zu betreiben , die von einem 5-V-USB-Ladegerät bis zu einer 9-V-PP3-Batterie reicht. Ich möchte eine effiziente Versorgung, da Heizung und Batterielebensdauer ein echtes Problem darstellen (andernfalls wäre ich faul und würde eine 7805 + -Diode verwenden).

HINWEIS: Ich habe bereits bemerkt, dass ich die Schaltlogik falsch herum habe. Ich muss entweder die Verbindungen in den Komparator tauschen oder !Qdie MOSFETs ansteuern.

Meine Wahl von MOSFETs anstelle von BJTs war auf die Leistungsverluste in einem BJT und die auftretenden thermischen Probleme zurückzuführen. Ist diese Entscheidung, MOSFETs anstelle von BJTs / IGBTs zu verwenden, aufgrund der verbesserten Effizienz der richtige Anruf?

Anstatt einen PWM-Chip zu verwenden, wie es in vielen Hobbyforen vorgeschlagen wird, habe ich mich für eine Kombination aus Komparator, Takt und Latch entschieden, um schnell zwischen "Laden" und "Entladen" zu wechseln. Gibt es einen besonderen Nachteil dieses Ansatzes? Der CMOS-Latch (ein D-Flip-Flop) kopiert Daten zu den Ausgängen bei der ansteigenden Flanke von Impulsen vom Taktgenerator (ein CMOS-Schmitt-Inverter + Rückkopplung).

Die Wahl der Zeitkonstanten / Eckfrequenzen für den Takt und den Buck-Tiefpass (10-100 kHz bzw. 10 Hz) soll die Annäherung an kleine Welligkeiten unterstützen und es dem Ausgangskondensator ermöglichen, sich ab dem Einschalten in angemessener Zeit aufzuladen. Ist dies die richtige Reihe von Überlegungen, um die Werte dieser Komponenten zu bestimmen?

Wie würde ich außerdem den Wert des Induktors berechnen? Ich würde annehmen, dass es vom typischen Ausgangsstrom und dem Wert des Tiefpasskondensators abhängt, aber ich kann nicht genau herausfinden, wie.

[bearbeiten:]

In der Vergangenheit habe ich das gezeigte MOSFET-Paar (zusätzlich zur Software-PWM) verwendet, um H-Brücken für die bidirektionale Motorsteuerung mit variabler Drehzahl zu erstellen - und solange ich die PWM-Periode viel länger als die MOSFET-Schaltzeit gehalten habe war die Energieverschwendung durch Kurzschluss während des Schaltens vernachlässigbar. In diesem Fall werde ich den N-Mosfet durch eine Schottky-Diode ersetzen, da ich noch nie eine Schottky-Diode verwendet habe und sehen möchte, wie sie sich verhält.

Ich verwende eine einfache Kombination aus Wechselrichter und RC, um das Taktsignal bereitzustellen, da ich keine besonders konsistente oder präzise Frequenz benötige, solange diese erheblich höher ist als die High-Cut-Eckfrequenz des Buck-Boost.

[edit II:]

  • Ich baute es auf einem Steckbrett und zu meiner Überraschung funktionierte es sofort ohne Probleme und mit einem Wirkungsgrad von ~ 92% (im Vergleich zu den 94%, die ich aus Schalt- / Komponentenverlusten berechnet hatte).

  • Beachten Sie, dass ich den Widerstand in der Ausgangsstufe aus Faulheit weggelassen habe - außerdem kann ich mich nicht genau erinnern, warum ich ihn überhaupt dort platziert habe.

  • Ich habe die Sperrdiode parallel zum P-MOSFET weggelassen und anstelle des N-MOSFET auch eine 1N5817-Schottky-Diode (Hinweis: Nennwert 1A) verwendet. Es erwärmt sich nicht genug, damit meine Fingerspitzen es bemerken. Ich habe jedoch eine Diode mit höherer Nennleistung bestellt, wenn ich die endgültige Einheit zusammenbaue, die mit Volllast betrieben wird.

  • Ich habe den LM393-Komparator während des Tests versehentlich durchgebrannt, aber ein LM358AN hat seinen Platz sofort ohne Probleme eingenommen.

  • Da ich keine anständige Software für Schaltungsdesign + Layout / Routing finden kann, die unter Arch Linux x64 ausgeführt werden kann (oder bei nativer Linux-Software sogar installiert werden kann), habe ich sie manuell angelegt, sodass sie wahrscheinlich nicht funktioniert Bis es gelötet ist ... Aber das trägt nur zum "Spaß" bei, denke ich!

  • Verwendete Komponentenwerte: Clock gen {1kR, 100nF}; Buck-Ausgang {330uH, 47uF}; Eingangskondensator [nicht gezeigt] {47uF}; P-MOSFET {STP80PF55}; N-MOSFET {Schottky-Diode stattdessen 1N5817 - durch> = 3A-Version zu ersetzen}; ICs {40106 NXP, 4013 NXP, LM358AN}

switch-mode-power-supply Mark K Cowan
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Dies ist ein "hysteretischer Wandler" - er beruht auf Hysterese am Ausgang, um Stabilität zu gewährleisten (Art :-)). Sie können in der Praxis sehr gut arbeiten. Viele Menschen kennen sie nicht und manche finden es schwer zu glauben, dass sie gut arbeiten können. In diesem Fall wird die Hysterese dadurch bereitgestellt, dass sich der Induktor nach dem Ausschalten des Schalters in die Ausgangskappe entlädt, so dass Vout leicht über den Nominalwert steigt. dh die Größe der Ausgangswelligkeit am Komparatoreingang ist ein integraler Bestandteil der Operation. Schauen Sie sich das Komparator-Out für ein Oszilloskop an. Es kann abhängig von den Werten von Uhr zu Zeitkonstante chaotisch sein.
Russell McMahon
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Um Ihre Minuten wirklich zu sprengen und / oder Ihre mentalen Filter zu öffnen, entfernen Sie sowohl Clock als auch Flip-Flop und verwenden Sie den Komparator, um MOSFETs direkt anzusteuern (unter Berücksichtigung der Angemessenheit und Polarität des Antriebs). Es klappt! JETZT schau dir Comparator_out auf einem Scope an !!! | Durch sorgfältige Auswahl der MOSFET-Vgsths können Sie ein mittleres Totband anordnen, in dem ein MOSFET ausgeschaltet wird, bevor genügend Spannung vorhanden ist, um den anderen einzuschalten. Sie könnten die Spannungen mit Widerständen verringern, haben dann aber Probleme mit der Antriebsgeschwindigkeit - oft genug, wie andere sagen, ist das Durchschießen niedrig genug, um akzeptabel zu sein.
Russell McMahon
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Ein sehr einfacher Gate-Treiber mit einer inhärenten Totzone kann aus einem PNP / NPN-Bipolarpaar und sonst nichts hergestellt werden. Verbinden Sie Basen. Treten Sie den Emittern bei. NPN-Kollektor auf V +. PNP-Kollektor zu V-. Antriebseingang zu Basen. Antriebsausgang von Emittern. Dies gibt Ihnen einen Hochstromantrieb und ein ~~ 2 x Vbe mittleres Totband. Kann den Ausgang R von einigen Ohm-Emittern zu FET-Gattern hinzufügen, um den Gate-Ansteuerstrom zu REDUZIEREN. Ich verwende dafür BC337 / 327- (oder BC807 / 817-) Paare, die FET-Gate-Ansteuerungen mit fast einer Ampere-Spitze ermöglichen.
Russell McMahon
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Der Grund, warum Sie keine kontinuierliche Rückkopplung und keinen linearen Betrieb erhalten, besteht darin, dass beim Ausschalten des FET die Energie im Induktor weiterhin Energie an die Last liefert und Cout und Vout weiter (leicht) ansteigen. Der Grad der Welligkeitsspannung von dieser Quelle ist Teil dessen, was bestimmt, wie lange es dauert, bis das Gerät wieder eingeschaltet wird. Vor langer Zeit hatten mich die Leute bitter dagegen, dass dies ein angemessenes Mittel zur Rückkopplungskontrolle ist. Es ist :-). Das Schaltsignal ist ungefähr chaotisch - ganz anders als das, was Sie normalerweise sehen. |
Russell McMahon
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Wenn Sie 2 x MOSFETs mit Totzeit (oder unabhängig davon) verwenden, platzieren Sie einen kleinen billigen Schottky über dem unteren FET. Dies wird nach Bedarf durchgeführt und ermöglicht, dass das Timing des unteren FET weniger kritisch ist. Da die Diode nur das Schalten der Vorderflanke und möglicherweise die Hinterkante übernimmt, kann sie weit unter dem Volllaststrom bewertet werden. Sie werden sehen, dass dies sogar in billigen chinesischen 12-V- bis Laptop-Flyback-Netzteilen durchgeführt wird - und NICHT in den billigsten. Wenn Sie den externen Schottky NICHT hinzufügen, leitet die FET-Body-Diode bei Bedarf, jedoch mit hohen Verlusten.
Russell McMahon

Antworten:

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Ja, es gibt Stabilitätsprobleme und einen kurzen Moment, in dem beide FETs eingeschaltet sind, aber das Schöne an der Verwendung eines FET am Pulldown-Teil der Schaltung (dh eines synchronen Abwärtswandlers) anstelle einer Schottky-Diode ist:

  1. Unabhängig vom Arbeitszyklus Ihrer PWM bleibt die Ausgangsspannung als Bruchteil der Eingangsspannung konstant - Sie verwenden tatsächlich L und C am Ausgang als Tiefpassfilter für einen Rechteckwelleneingang.
  2. Unabhängig davon, welche Last Sie angeschlossen haben, vorausgesetzt, die FETs weisen einen geringen Widerstand auf, und Sie müssen das PWM-Markierungsraumverhältnis nicht ändern.
  3. Es ist bei schwereren Lasten effizienter als ein nicht synchroner Buck-Regler, aber der Nachteil ist, dass es bei leichten Lasten weniger effizient ist, da Sie aufgrund der Gate-Kapazität Strom benötigen, um den N-Kanal-FET anzutreiben.

Ich würde auch empfehlen, einen 555-Timer-Sägezahngenerator als Grundlage für Ihr System zu bauen. Etwas wie das: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich würde es dann in einen schnellen Komparator einspeisen und dann den Komparatorausgang verwenden, um die beiden FETs anzusteuern. Die zwei FETs können mit einer kleinen RC-Zeitverzögerung am Ausgang des Komparators "zeitlich getrennt" sein - der unverzögerte Ausgang und der verzögerte Ausgang würden ein UND-Gatter für einen der Gate-Antriebe und das gleiche für den anderen Gate-Antrieb aber speisen mit einem NOR-Gatter. Planen Sie eine Zeitverzögerung von etwa 50 ns ein.

Was Sie erhalten, ist ein halbwegs anständiger synchroner Abwärtswandler, der nur einen Eingang zum anderen Komparatoreingang benötigt, um die erforderlichen Änderungen des Arbeitszyklus zu erhalten. Okay so weit? Dann können Sie einen einfachen Regelkreis anwenden, der den 2. Eingang des Komparators senkt, wenn die Eingangsspannung größer wird. Bringen Sie dies zum Laufen und wenden Sie dann einen weiteren kleinen Regelkreis an, der die PWM tatsächlich reguliert, wobei sich der Laststrom ein wenig ändert. Dies würde wahrscheinlich funktionieren und es ist keine negative Rückkopplung erforderlich.

Wenden Sie dann als letzten Schliff und mit Sorgfalt und Subtilität einen Gesamtregelkreis an, um den Ausgang besser zu stabilisieren. Denken Sie jedoch daran, dass Sie mit einem Synchronisationsbock eine nahezu anständige stabile Leistung ohne Regelkreise erzielen können, die negatives Feedback verwenden - wenn Sie dies tun Ich möchte diesen Ansatz empfehlen.

Für mich würde ich jedoch einfach die lineare Technologie in Anspruch nehmen und das Gerät besorgen, das die Aufgabe bereits erfüllt.

Andy aka
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Ich bin gespannt, welchen Vorteil die 555-Schaltung gegenüber meinem Wechselrichter-Design in dieser Anwendung haben würde - die tatsächliche Schwingungsfrequenz kann um fast eine Größenordnung abweichen, ohne große Probleme zu verursachen, sodass auch die Präzision des 555 nicht benötigt wird Die 555-Schaltung hat eine höhere Teilezahl. Während ich normalerweise lieber zwei MOSFETs verwende (mit einer PWM-Periode, die erheblich länger als die MOSFET-Schaltzeit ist), habe ich mich einfach für eine Schottky-Diode entschieden, da ich noch nie eine verwendet habe und sehen möchte, wie sie sich verhält. Meine früheren Leistungsschaltgeräte (Motorsteuerungen) funktionieren immer noch gut mit zwei MOSFETs.
Mark K Cowan
Auch wenn die Geräte mit linearer Technologie mit ziemlicher Sicherheit präziser sind als mein Design, haben sie eine ähnliche Anzahl von Teilen, und ich mache dies teilweise als Lernübung (daher kein ausgefallener Single-Chip-PWM-Treiber). Ich werde Linear Technologyund ihre Seite zu meinem Notizbuch hinzufügen , danke!
Mark K Cowan
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@MarkKCowan Der gesamte Ansatz ist umstritten, außer als Lernübung. Da ich nicht weiß, was Sie lernen möchten, habe ich die Idee 555 eingebracht, aber es gibt einen wichtigen Grund dafür. Ihr Oszillator erzeugt eine Rechteckwelle, aber Sie können die Spannung am Kondensator verwenden, aber es ist (A) eine nichtlineare Rampe und (B) hat undefinierte Amplitudenschwellen, die beim Aufwärmen des Geräts driften können, aber hören Sie, wie Sie es tun Sie fühlen sich richtig. Nichtlinearität und unvorhersehbare Schwellenwerte - denken Sie daran, wo Sie es zuerst gehört haben. LOL.
Andy aka
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Die 555-Schaltung wird verwendet, um eine schöne glatte Rampe für die PWM-Generation zu erzeugen. Es wird nicht wegen seiner Frequenzgenauigkeit verwendet; Damit können Sie eine analoge Spannung in einen sich gleichmäßig ändernden Arbeitszyklus umwandeln.
Alex. Forencich
Ein weiteres Merkmal von Synchronwandlern (was von Vorteil sein kann oder nicht) ist, dass sie Leistung in beide Richtungen übertragen können. Praktisch, wenn Sie regenerativ brechen möchten.
Peter Green
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Das Hauptproblem bei diesem Schema besteht darin, dass es während des Schaltens einen Moment gibt, in dem beide MOSFETs Strom leiten und dann die Stromquelle kurzschließen. In der Regel ist dieser Moment kurz und verbrennt die MOSFETs nicht, aber der Wirkungsgrad wird beeinträchtigt und es kommt zu starken Spannungsspitzen in der Stromquelle.

Ersetzen Sie den unteren MOSFET in umgekehrter Richtung durch eine Schottky-Diode.

Ja, die Verwendung eines MOSFET kann die Effizienz erhöhen, aber dann benötigt der Schaltplan einen speziellen Treiber, um die Totzeit zwischen dem Einschalten der Transistoren einzuschalten.

Johnfound
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Ich hatte gerade die gleiche Idee von den Antworten auf die folgende Frage, bevor ich Ihre Antwort las! Ein passiver Schalter (z. B. die Schottky-Diode) macht jetzt, wo Sie ihn erwähnen, eine Tonne Sinn und wird auch die Gesamtkosten senken! Vielen Dank! [ electronic.stackexchange.com/questions/57468/…
Mark K Cowan
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Ich berechne smps unter http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/smps_e.html

Auf dieser Website habe ich bereits Flyback- und Buck-Konverter für LED-Beleuchtung entwickelt, und dies war jedes Mal die beste Lösung. Dort finden Sie die Abmessung für die Spule, die Sie benötigen (Kern & Wicklung).

Alejandro Sincich
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Ich habe geplant, meinen physikalischen Hintergrund zu nutzen, um ein SMPS-Designprogramm zu erstellen, wenn ich Zeit habe ... Danke für diese Seite, es ist eine Goldmine von Ideen!
Mark K Cowan
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Ich denke, ein besserer Ansatz zur Erzeugung des PWM-Signals besteht darin, tatsächlich einen geeigneten Regelkreis aufzubauen. Mir ist nicht klar, dass sich Ihre Schaltung tatsächlich dort stabilisiert, wo Sie es möchten.

Was Sie tun sollten, ist einen einfachen P- oder PI-Regler zu bauen. Nehmen Sie Ihre Ausgangsspannung und Ihre Referenzspannung und führen Sie sie durch einen Differenzverstärker, um eine Fehlerspannung zu erhalten. Führen Sie dies dann durch ein Potentiometer, damit Sie die Verstärkung einstellen können. Wenn Sie es genauer machen möchten, führen Sie es durch einen anderen Topf, einen Integrator, und geben Sie beide in einen Summierverstärker. Dadurch erhalten Sie eine Ausgabe, die proportional zum Fehler und zum Integral des Fehlers ist, mit einstellbaren Verstärkungen. Dann führen Sie dies zu einem Eingang eines Komparators. Der andere Eingang des Komparators wäre eine Dreieckwelle von einem Relaxationsoszillator. Der Ausgang des Komparators würde die MOSFETs ansteuern, möglicherweise mit einem MOSFET-Treiber und möglicherweise einer zusätzlichen Logik, um ein Durchschießen zu verhindern. Du'

alex.forencich
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Die Idee ist, dass es ein schönes PWN-Signal erzeugt. Sie möchten nicht nur das Vorzeichen des Fehlers betrachten, sondern auch, um wie viel es davon abweicht. Die Korrektur, wenn Sie um 1% versetzt sind, unterscheidet sich stark von der Korrektur, wenn Sie um 50% versetzt sind. Wenn Sie nur auf das Zeichen schauen, erhalten Sie seltsame Ergebnisse. Außerdem wird die Dreieckswelle mit einer verstärkten Version des Fehlersignals verglichen. Ohne den Integrator sinkt die Spannung unter Last leicht ab, da der zur Erzeugung des erforderlichen Arbeitszyklus erforderliche Pegel niedriger ist. Der Integrator wird diesen Fehler auf einer längeren Zeitskala bereinigen.
Alex. Forencich
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@MarkKCowan - Die Topologie des synchronen Abwärtswandlers (mit High- und Low-Side-Schaltern), die Sie haben oder hatten, ist wahrscheinlich so gut wie jede andere, wenn Vin nicht viel kleiner als Vout ist. Bei sehr großen Unterschieden - sagen wir 4: 1 + - sind Sie möglicherweise besser mit einem Konverter, der nach unten konvertiert, gefolgt von einer Buck-Stufe - dies kann immer noch einen einzelnen Schalter verwenden, wobei der Buck-Konverter "passiv" ist. Aber für das, was Sie tun, sieht das gut aus. Bei hohen Strömen kann der niedrigere FET anstelle einer Diode einen wesentlichen Unterschied machen. Ich kaufte vor kurzem einen billigen chinesischen 24V zu 12V @ 20A Ausgangskonverter und zog ihn letzte Nacht auseinander zu ...
Russell McMahon
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... sehen, was sie getan haben. Es verwendet einen TL494 plus 2 parallele FETs als oberen Schalter (um die erforderliche Nennstromstärke zu erhalten) und eine doppelte Schottky-Unterdiode. Dies entspricht einem Abfall von etwa 0,6 V bei 20 A oder 12 W bei 240 W Ausgang (12 x 20 A) oder einem Wirkungsgradverlust von 5% nur in der Diode. Diode Reffective = V / I = 0,6 / 20 = 30 Milliohm. Während dies ein vernünftiges Ergebnis ist, wäre ein FET mit 10 Milliohm leicht zu bekommen, und 5 oder sogar 1 Milliohm FETs sind zu nicht völlig bankrotten Preisen erhältlich. Ein 5-mO-FET verringert den Diodenverlust von 5% auf unter 1%. ...
Russell McMahon
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... | Die Verwendung eines optimierten Controllers und eines geeigneten Treibers würde helfen, ABER der billige 2-Transistortreiber erledigt einen OK-Job. In vielen Fällen sollten Sie in der Lage sein, eine Effizienz von 95% in der realen Welt zu erzielen, und in einigen recht herausfordernden Hochleistungsanwendungen behaupten die Leute, 98% + zu haben. Solche hohen Wirkungsgrade liegen normalerweise bei einer optimierten Mischung aus Vin, Vout und Leistung - entfernen Sie sich vom optimierten Designpunkt und es fällt ab. Sie können dies in vielen Datenblättern und App-Notizen sehen, in denen eine Kurve einen Spitzenwert von 95% + erreicht, aber Sie können anderswo in der Betriebslandschaft viel weniger erwarten.
Russell McMahon
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Wenn Sie nur einen FET als unteren Schalter verwenden, muss der Schaltzeitpunkt „genau richtig“ sein. Durch Parallelschalten eines Schottky mit niedrigerer Nennleistung über den unteren FET verarbeitet die Diode Kanten, die nicht richtig zeitgesteuert sind, und der FET verarbeitet den Großteil der aktuellen x-Zeit. Der Schottky kann eine viel niedrigere Nennleistung haben als wenn er alleine verwendet würde, da er nur vorübergehende Ereignisse an einem oder beiden Enden der Einschaltperiode verarbeitet.
Russell McMahon