¿Qué tiene de malo este simple SMPS?

He estado leyendo sobre electrónica de potencia últimamente y, como desafío (y también como ejercicio de aprendizaje), diseñé mi primera fuente de alimentación conmutada, un convertidor de dinero en este caso.

Está destinado a suministrar 3.5-4.0V (decidido por la fuente de referencia de diodos) y hasta 3A para controlar algunos LED de alimentación con cualquier fuente de CC, que van desde un cargador USB de 5V hasta una batería PP3 de 9V. Quiero un suministro eficiente, ya que la calefacción y la duración de la batería serán un problema real (de lo contrario, sería flojo y usaría un diodo 7805 +).

NOTA: Ya noté que tengo la lógica de conmutación al revés, necesito intercambiar las conexiones en el comparador o usarlas !Qpara manejar los MOSFET.

Mi elección de MOSFET en lugar de BJT se debió a las pérdidas de potencia en un BJT y a los problemas térmicos que surgieron. ¿Es esta decisión de usar MOSFETs sobre BJTs / IGBTs debido a la eficiencia mejorada la decisión 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". ¿Hay alguna desventaja particular de este enfoque? El pestillo CMOS (un D-flip flop) copia datos a las salidas en el flanco ascendente de pulsos del generador de reloj (un inversor Schmitt CMOS + retroalimentación).

La elección de constantes de tiempo / frecuencias de esquina para el reloj y el paso bajo de buck (10-100kHz y 10Hz respectivamente) está destinada a admitir la pequeña aproximación de ondulación al tiempo que permite que el capacitor de salida se cargue en un tiempo razonable desde el encendido. ¿Es este el conjunto correcto de consideraciones para decidir los valores de estos componentes?

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

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En el pasado, utilicé el par MOSFET mostrado (además del software PWM) para crear puentes H para el control bidireccional del motor de velocidad variable, y siempre que mantuviera el período PWM mucho más largo que el tiempo de conmutación MOSFET , el desperdicio de energía del cortocircuito durante el cambio fue insignificante. 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.

Utilizo un combo simple de inversor + RC para proporcionar la señal de 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.

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• Lo construí en una placa de prueba y para mi sorpresa, funcionó de inmediato sin ningún problema, y ​​con una eficiencia de ~ 92% (en comparación con el 94% que había calculado a partir de las pérdidas de conmutación / componentes).

• Tenga en cuenta que omití la resistencia en la etapa de salida, por flojera, y tampoco puedo recordar por qué la puse allí 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 se den cuenta. Sin embargo, he pedido un diodo de mayor calificación para cuando ensamble la unidad final, que funcionará con carga completa.

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

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

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

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

1. Independientemente del ciclo de trabajo de su PWM, el voltaje de salida permanece constante como una fracción del voltaje de entrada; en efecto, está usando L y C en la salida como filtro de paso bajo para una entrada de onda cuadrada.
2. Independientemente de la carga que haya conectado, siempre que los FET tengan poca resistencia, dentro de lo razonable no necesita cambiar la relación de espacio de marca PWM.
3. Será más eficiente en cargas más pesadas que un regulador reductor no sincrónico, pero la desventaja es que en cargas ligeras será menos eficiente porque necesita corriente para conducir el FET del canal N debido a la capacitancia de la puerta.

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

Luego lo alimentaría en un comparador rápido y luego usaría la salida del comparador para conducir los dos FET. Los dos FET se pueden "segregar en el tiempo" con un pequeño retardo de tiempo RC en la salida del comparador: la salida no retardada y la salida retrasada alimentarían una puerta AND para una de las unidades de puerta y lo mismo para la otra unidad de puerta, pero usando una puerta NOR. Planee tal vez 50ns de retraso introducido.

Lo que obtienes es un convertidor de inversión síncrono medio decente que solo necesita una entrada a la otra entrada del comparador para obtener los cambios de ciclo de trabajo requeridos. Ok hasta ahora? Luego puede aplicar un bucle de control simple que baja la segunda entrada al comparador a medida que el voltaje de entrada aumenta. Haga que esto funcione y luego aplique otro pequeño lazo de control que realmente regula el PWM con cambios de corriente de carga un poco y esto probablemente funcionaría y no implicaría retroalimentación negativa.

Luego, como toque final, y con cuidado y sutileza, aplique un bucle de control general para mantener la salida mejor estabilizada, pero recuerde, con un buck de sincronización, puede obtener un rendimiento estable medio decente sin bucles de control que usan retroalimentación negativa, si usted quiero seguir este enfoque, puedo recomendarlo.

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

El principal problema con este esquema es que habrá un momento durante el cambio cuando ambos MOSFETS conducirán corriente y luego cortocircuitarán la fuente de alimentación. Como regla general, este momento es corto y no quemará los MOSFET, pero la eficiencia se verá afectada y habrá grandes sobretensiones en la fuente de energía.

Reemplace el MOSFET inferior con diodo Schottky en reversa.

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

Yo uso para calcular smps en http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/smps_e.html

Ya diseñé flyback y convertidores reductores para iluminación LED usando este sitio web, y siempre fue la mejor solución. Allí encontrará la dimensión de la bobina que necesita (núcleo y devanado).

Creo que un mejor enfoque para generar la señal PWM es construir un bucle de control adecuado. No me queda claro que tu circuito se estabilizará donde tú quieras.

Lo que debe 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 voltaje de error. Luego ejecute esto a través de un potenciómetro para que pueda ajustar la ganancia. Si desea que sea más preciso, hágalo pasar por otro bote, un integrador, y luego coloque ambos en un amplificador sumador. Esto le dará una salida que es proporcional al error y a la integral del error, con ganancias ajustables. Luego ejecuta esto en una entrada de un comparador. La otra entrada del comparador sería la onda triangular de un oscilador de relajación. La salida del comparador conduciría los MOSFETS, posiblemente con un controlador MOSFET y quizás alguna lógica adicional para evitar disparos. Usted'