Cинхронный buck converter на TL494 + IR2111

[Obergan Alexey]

Доброго времени суток.

Хотел поделиться схемой, но пока что могу только поделиться опытом. Давно уже вынашивал в голове идею связки TL494 и драйвера IR2111. Последний привлёк тем, что формирует управляющие импульсы для нижнего и верхнего ключей, в зависимости от входного шим сигнала. Причём всякие штуки типа мёртвого времени и бутстрэпа(не путать со страпоном), микросхема берёт на себя. ТЛ-ка привлекает тем, что у неё два усилителя ошибки. Один стандартно для регулировки напряжения, а второй я решил приспособить для регулирования входного напряжения. В частности, чтоб микросхема повышала скважность в случае, когда начинается просадка входного напряжения. Хочу применить это для солнечных панелей. Уже есть рабочий прототип на XL4015, просто захотел двигаться дальше.  Также эту фишку можно применить для защиты аккумулятора. Преобразователь будет плавно снижать мощность, при достижении порогового напряжения. Где-то это может быть и полезным.

Итак, вот такая схема

Транзисторы Q1 и Q2 решил применить, чтоб уменьшить импеданс на входе инвертирующего усилителя. К примеру, если б не было транзистора Q2, то усиление инертирующего усилителя было бы R10 / (R13 + импеданс с RV2). В общем, хотелось, чтоб всё было кошерненько и по феншую, но это стало ошибкой. Т.е. Vbe плавает с температурой, то любой нагрев платы пускает в свободное плавание выходное напряжение. У меня в процессе тестов с прогревом оно поднялось на 0.12 вольт. Что немного огорчило. Вроде и не много, но некошерно. Когда ещё только разбирался, в чём причина, пришла в голову такая мысль, что во всём виноват транзистор. Решил проверить. Дунул на него феном и тут же выходное напряжение поднялось на 0.2 вольта. В общем уберу Q2, а RV2 поставлю на 1 килоом. Q1 оставлю, т.к. во-первых, при 18 вольтах килоом будет сильно греться, а больше ставить - будет слишком высокий входной импеданс. Да и там особая точность не нужна. +/- 0.2 вольта на входе особой погоды не сделают, а в случае с аккумулятором, даже на пользу пойдут, т.к. при большой нагрузке пороговое напряжение поднимется и девайс начнёт раньше понижать мощность. Так же не учёл, что если выключатель SW1 замкнуть в момент, когда RV1 находится в верхнем положении, то референс будет накоротко притянут к земле, поэтому надо будет предусмотреть дополнительный резистор между REF и RV1.

Если кто-то найдёт в схеме ещё что-то, мозолящее глаза - с удовольствием выслушаю замечания.

Также излишне использование LM317 в корпусе ТО-220 для питания только микросхем, но выбрал именно её, потому что в планах было сделать преобразователь, способный работать с напряжением до 50-ти вольт, и LM317, у которой по даташиту допустимая разница между входным и выходным напряжением составляет 40 вольт, как раз подходит.

Теперь по тестам. Экстремальных нагрузок не давал, т.к. у меня было всего 2 IRFZ44N. Нагрузил на 12 ампер и оставил так работать на 15 минут. По окончанию работы дроссель и конденсаторы были чуть тёплые. Аллюминиевая пластина, которая пока что вместо радиатора, нагрелась примерно до 40-45 градусов. Думаю, с хорошим радиатором можно будет и 15 ампер долговременно снимать. КПД, при такой нагрузке получилось 88%, что с одной стороны не много для синхронного преобразователя, но учитывая, что входное напряжение составляло 24 вольта, а выходное - 4, считаю, что для такой разницы напряжений - это очень неплохой показатель.

Пульсации при токе в 12 ампер составили примерно 50мВ пик-ту-пик. Я не ставил никаких пружинок на щупы осциллографа, с целью уменьшения петли. Мерил как есть и даже в таком режиме не было никаких иголок, что говорит о довольно-таки низком засирании эфира.

Так что в целом результатом доволен. Ну а вот и сам девайс

Spoiler

 

Изменено 9 января, 2021 пользователем Obergan Alexey

[Реклама]

Реклама: ООО ТД Промэлектроника, ИНН: 6659197470, Тел: 8 (800) 1000-321

[zato4nik]

Интересно как поведет себя устройство при малой нагрузке.

[Реклама]

20% скидка на весь каталог электронных компонентов в ТМ Электроникс!

Акция "Лето ближе - цены ниже", успей сделать выгодные покупки!

Плюс весь апрель действует скидка 10% по промокоду APREL24 + 15% кэшбэк и бесплатная доставка!

Перейти на страницу акции

Реклама: ООО ТМ ЭЛЕКТРОНИКС, ИНН: 7806548420, info@tmelectronics.ru, +7(812)4094849

[Obergan Alexey]

1 hour ago, zato4nik said:

Интересно как поведет себя устройство при малой нагрузке.

А что с ним должно быть не так на малой нагрузке ? И насколько она должна быть малой ? Я его и одним ампером нагружал, и вообще без нагрузки запускал. Правда КПД не измерял. Сегодня даже к солнечной панели его подключил. А у нас уже солнца с начала декабря нет. От слова совсем. Со старым преобразователем саморазряд повербанка происходил быстрее, чем заряд. За месяц почти полностью разрядился. А с этим за день сразу 20% закинул. Правда у старого контроллера нельзя было рабочую точку ниже 15 вольт выставить, а на этом выставил 12 вольт - и пошёл процесс

Вообще, чем мне понравился синхронник, так это тем, что его проще регулировать, т.к. выходное напряжение в большей степени зависит от скважности, нежели от нагрузки

Изменено 10 января, 2021 пользователем Obergan Alexey

[Реклама]

Выбираем схему BMS для корректной работы литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов

 Обязательным условием долгой и стабильной работы Li-FePO4-аккумуляторов, в том числе и производства EVE Energy, является применение специализированных BMS-микросхем. Литий-железофосфатные АКБ отличаются такими характеристиками, как высокая многократность циклов заряда-разряда, безопасность, возможность быстрой зарядки, устойчивость к буферному режиму работы и приемлемая стоимость. Но для этих АКБ, также как и для других, очень важен контроль процесса заряда и разряда, а специализированных микросхем для этого вида аккумуляторов не так много. Инженеры КОМПЭЛ подготовили список имеющихся микросхем и возможных решений от разных производителей. Подробнее>>

Реклама: АО КОМПЭЛ, ИНН: 7713005406, ОГРН: 1027700032161

[ummagumma]

а переполюсовочку? платы хорошикакие расценки?

[Obergan Alexey]

Just now, ummagumma said:

а переполюсовочку?

Да особо не заморачивался с этим, т.к. проектировался для солнечной панели. Хотя, может и хватит, чтоб контроллер спалить. Можно будет в следующей версии и заморочиться с диодом, чтоб закорачивал в случае переполюсовки.

2 minutes ago, ummagumma said:

какие расценки?

Да стандартные, два бакса за размеры до 10 на 10, 5 штук. Плюс доставка.

[zato4nik]

Что происходит когда ток дросселя разрывный при малой нагрузке? Диод закроется а мосфет не закроется до конца периода и будет накачивать дроссель из выходного конденсатора. Перекачивание энергии туды- сюды повлияет на КПД .

[Obergan Alexey]

4 minutes ago, zato4nik said:

Перекачивание энергии туды- сюды повлияет на КПД

В холостом режиме потребляет чуть более 30 мА. Не могу сказать, много это или мало, т.к. есть преобразователи, которые и микроамперы кушают. Но в целом для меня это не очень критично. Тем более, что в схеме достаточно много резистивных делителей, плюс тлка сама по себе далеко не микроамперный потребитель. Я включал это дело до того, как запаял ключи, чтоб проверить, работает ли контроллер в принципе. Было около 20 мА. Так что всё это перекачивание тока туда-сюда отъедает чуть более 10 мА в общей сложности. 

[ummagumma]

2 часа назад, Obergan Alexey сказал:

Да стандартные

jpl?

 

2 часа назад, Obergan Alexey сказал:

заморочиться с диодом, чтоб закорачивал в случае переполюсовки

я про выход... там диодом не отделаешся ведь? не?

[Obergan Alexey]

2 minutes ago, ummagumma said:

jpl?

JLCPCB

А что касается диода, то почему не отделаешься ? Можно последовательно воткнуть

[BAFI]

а что вообще происходит с панелью при малом свете ? падает напряжение ?

[Obergan Alexey]

@BAFI, лучше эту тему обсуждать тут, дабы не кроспостить, т.к. та ветка была мертва, и я поэтому написал про преобразователь сюда. А изначальная ветка снова ожила

[BAFI]

понятно) ну это вроде тоже как преобразователь ? вдруг я 220 захочу протянуть через него ))

[ummagumma]

да мне очень по душе их платки... а насчет диода последовательного... так эта старая песня... сначала сгорит нижний ключик, потом верхний, потом диод, потом драйвер,  потом дороженьки надо што по оригинальнее придумать навроде хитрого акумного разъема, например...

Скрытый текст

 

 

[Obergan Alexey]

Да оказывается, Старичок ещё 10 лет назад создавал подобный преобразователь. У него есть тема на радиокоте. Там он конкретно заморочился с зарядкой аккумулятора. Вот там вся защита реализована. Я же в своей разработке основной упор делал на преобразователь.

3 minutes ago, BAFI said:

вдруг я 220 захочу протянуть через него

Сгорит  По схеме максимум 50 вольт. Ну а в прототипе конденсатор вообще на 35

[BAFI]

да шучу я 

[Starichok]

16 часов назад, Obergan Alexey сказал:

Старичок ещё 10 лет назад создавал подобный преобразователь.

ну не 10 лет, меньше. тема была создана 7 сентября 2013 года.

[zato4nik]

23 часа назад, Obergan Alexey сказал:

отъедает чуть более

Попробовал симулировать с простой моделью с одним драйвером и без ОС. Режим разрывного тока точно не для этого синхробака. Если с диодом всё просто- вых. напряжение пропорционально длительности импульса, то у синхробака при заходе дросселя в прерывистый режим выход резко проваливается, ОС попытается исправить, но это не смотрел пока. А так для сравнения при одинаковой длительности импульса вых. мощность различается в 2 раза и КПД 92% с шотткой против 88,5% с полевиком, это при некотором разрывном токе, с идеальными дросселями.

[Starichok]

в синхронном не может быть разрывного тока.

смотри другую тему, на которую выше дана ссылка. и даже даны осциллки из симулятора.

и я это в той теме описал словами, даже без привлечения симулятора.

[Obergan Alexey]

8 minutes ago, zato4nik said:

Режим разрывного тока точно не для этого синхробака.

А как в синхробаке вообще получается прерывистый ток ? Если только брать крайне малую выходную ёмкость. Но зачем тогда ?

10 minutes ago, zato4nik said:

Если с диодом всё просто- вых. напряжение пропорционально длительности импульса

Вы ничего не путаете ? Как раз с диодом выходное напряжение очень сильно зависит от нагрузки. И при одном и том же значении, ширина импульса может гулять в довольно-таки широких пределах. А вот в синхробаке всё замечательно. Выходное напряжение с нагрузкой меняется очень незначительно

Spoiler

нагрузка 2000 ом:

и та же схема, но нагрузка 2 ома

А вот ток через дроссель, при сопротивлении нагрузки в 2 килоом

Где тут разрыв ?

[zato4nik]

В синхронном разрывного нет, но есть перекачка с выхода, на картинке из симуляции это область отрицательного тока катушки. В схеме с диодом отрицательного тока катушки нет.

[Obergan Alexey]

Собственно, а в чём проблема с перекачкой ? Да есть некоторые потери из-за ненулевого активного сопротивления ключей, катушки, дорожек и т.п. Но я приблизительные цифры привёл. Приблизительные, потому что у меня разрашение лабораторника 10мА.

Я тут другую проблему нашёл, почему связка TL494 + IR2111 не есть хорошее решение. Если по какой-то причине резко прекратится генерация импульсов, то нижний ключ останется открытым и через него будет разряжаться на землю через катушку, выходная ёмкость. Если ёмкость внушительная, то может бахнуть нижний ключ. Думаю над решением

[zato4nik]

Надо было 2104 использовать, там есть SD куда можно прицепить ||RC и через диод подавать импульс. 

[Starichok]

во-первых, ток через дроссель мгновенно до огромного значения не возрастет.

во-вторых, по мере разряда емкости скорость изменения тока будет уменьшаться - имеем колебательный контур из выходного конденсатора и дросселя - и ток превратится в затухающую синусоиду свободных колебаний.

и максимальное значение тока определится равенством энергии конденсатора и энергии в дросселе при нулевом напряжении на конденсаторе. а это будет не офигенное значение тока.

ну, например, емкость 1000 мкФ и индуктивность 30 мкГн - вполне реальные значения.

и пусть напряжение на конденсаторе 14 Вольт.

энергия конденсатора = U^2 * C / 2 = 14 * 14 * 1000 / 2 = 98000 мкДж.

энергия дросселя = I^2 * L / 2.

решаем систему уравнений.

получаем ток 81,24 Ампера.

м-да, великовато.

но можем взять индуктивность больше, например, 100 мкГн. тогда амплитуда тока будет уже 44,5 Ампера.

но это представляет некоторую опасность только при мгновенной пропажи освещенности панели. а ток я посчитал для мгновенной пропажи освещенности.

вечером освещенность не падает мгновенно до нуля. и контроллер по мере падения освещенности будет увеличивать ширину импульса, а не уменьшать до полной остановки ШИМ.

и по мере падения освещенности будет падать и напряжение на конденсаторе, то есть, будет падать и запасенная им энергия.

и если, например, контроллер остановится при 7 Вольтах на конденсаторе, то для 30 мкГн амплитуда тока будет уже 40,62 Ампера. а с учетом потерь в контуре - явно меньше.

так что, опасного тока для мосфета там не получится уж точно никогда.

да и мосфеты брать не на 5-10 Ампер, а например, IRF3205 на 75 Ампер.

короче, надуманная опасность, и избежать ее правильным выбором компонентов, как два пальца ...

[zato4nik]

Сердечник дросселя может и насытиться, индуктивность останется мизерная и ток возрастёт. Перегреется полевик или нет в этом случае трудно сказать.

[Obergan Alexey]

Ну тут всё равно есть чего опасаться. Солнце резко не погаснет, но вот в процессе регулировки можно выставить напряжение на СБ выше, чем может дать в данный момент панель. И тогда в момент подстройки генерация резко прекратится. Плюс дроссель неидеален, уйдёт в насыщение, и ток резко подскочит.

Вот кстати аналогичную схему сделал для синхронной повышайки. Тут если генерация прекратится, то  charge pump не позволит верхнему ключу быть всё время открытым, и худшее, что может произойти, это часть заряда из выходного конденсатора перейдёт во входной.

Spoiler

 

Изменено 11 января, 2021 пользователем Obergan Alexey