Deixe que ele me diga:
"Você é um burro velho, você não viveu assim, eu vou viver diferente."
Eu entendo, mas deixe ele dizer! Mas ele está em silêncio.
Recentemente, um de meus jovens colegas (MMK) me pediu para ver os mal-entendidos acontecendo em seu desenvolvimento. O produto era um conversor elevador 5V para 5V, cujo objetivo principal era compensar a queda de tensão no cabo para conectar um drive de DVD externo à interface USB. O conversor foi construído com base no microcircuito MAX669 no modo "autossustentável", o circuito corresponde ao recomendado e, no entanto, o dispositivo não funcionou - a tensão de saída era de 4 V, ou seja, a fonte de alimentação era de 5 V menos a queda nos fios, menos a queda direta no diodo.
Nós olhamos o oscilograma na porta do transistor, vemos 90% preenchendo ali com uma amplitude de sinal de 4 V, mas o transistor não abre. Deve ser esclarecido aqui que a MMK usou transistores domésticos do tipo 2PE208A. Os próprios transistores não são ruins, os parâmetros são bastante decentes, mas a tensão de abertura é, de acordo com as especificações, de 2,5 V a 4 V, então o transistor tem o direito de não abrir a 4 V na porta - mea maxima culpa.
O primeiro grito de Yaroslavna (nYa): como eu disse acima, os parâmetros do transistor são bastante decentes, mas (é claro) há uma pequena desvantagem (pelo menos na documentação) - se os parâmetros estáticos forem especificados no volume necessário, então os parâmetros dinâmicos (com exceção da capacidade generalizada obturador) são indicados um pouco mais do que nada. Além disso, o próprio tempo de retardo para ligar e desligar está na documentação e o transistor específico se comportou muito bem em termos de velocidade (quando aumentamos a tensão de entrada para que ele começasse a abrir e o circuito começasse a funcionar), mas esses parâmetros são fornecidos nas especificações na seção “dados de referência ", Além disso, eles são referidos como" valores típicos ", ou seja, é impossível confiar neles ao projetar um dispositivo," a partir da palavra completamente ", o que limita drasticamente o alcance possível dos componentes acima.O motivo de tal decisão por parte dos desenvolvedores de transistores permaneceu um mistério para mim, se algum deles leu este post, explique nos comentários.
Ok, trocamos os transistores por importados (a substituição da importação falhou) do tipo IRF7103 (eles estavam disponíveis) com uma tensão de abertura de 1,0 V a 3,0 V, o circuito começa a funcionar, mas um tanto estranho - a porta ainda está 90% preenchida, o transistor funciona, mas a saída voltagem 3,5V, enquanto de 5V quase 2A é consumido. Desligamos o drive, o quadro não muda, o consumo fica concentrado no nosso produto. Vemos que o microcircuito TUSB9261, que é responsável por converter a interface USB em IDE, esquenta, começamos a olhar os oscilogramas nas suas pernas, partindo (claro) do gerador de relógio e ... o consumo externo diminui milagrosamente para 0,2A. Repetimos a ligação, novamente vemos um defeito, soldamos os capacitores nas duas extremidades do ressonador de quartzo e a placa começa a ligar normalmente - mea culpa.
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Ligamos a placa novamente - a tensão de saída é estabilizada em 5V, conectamos o inversor e ligamos novamente - a tensão de saída torna-se igual aos 5V necessários, mas depois de um tempo cai para 3,5V, então é restaurada e o ciclo se repete. Em vez da alimentação USB, conectamos a saída de uma fonte de alimentação de laboratório estabilizada (LIPS) e observamos um salto acentuado no consumo de corrente no momento da partida do motor de acionamento de 0,3A para 1,2A. Sim, claro, a corrente de alimentação garantida da interface não pode ser superior a 0,5 A, você precisa de um segundo cabo para dobrar a corrente, bem, essa é uma prática comum, mea maxima culpa. Parece que tudo está claro e funciona, decidimos realizar uma série de experimentos para determinar os parâmetros dinâmicos da fonte do dispositivo em desenvolvimento usando LIPS e uma carga garantida na forma de um resistor de 4 Ohm.
Fornecemos tensão do LÁBI à entrada do dispositivo não colando bananas, mas ligando a tensão de saída da fonte com o dispositivo conectado. De um modo geral, este método de verificação não pode ser recomendado para LÁBIOS arbitrários, alguns deles, por exemplo, Yerevan (não me lembro a marca, agora, claro, eles não podem mais ser encontrados) no momento de ligar deu um overshoot com um surto de até 40V, mas neste LÁBI estamos confiantes de que podemos pagar por isso.
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E, de forma bastante inesperada, descobrimos que o dispositivo não entra no modo operacional, mas tudo acaba ficando no mesmo estado incompreensível, e o LÁBIOS estabiliza a corrente fornecida em 2,2 A, baixando a tensão para 3,2 V. Ao mesmo tempo, observamos 3,5 V na saída, apesar do fato de que o ciclo de trabalho ainda é o mesmo 90% e o transistor comuta de forma estável. Acontece que o fator de aumento de tensão é 3,5 / 3,2 = 1,1, que é claramente menor do que o esperado 1 / (1-0,9) = 10 e a eficiência da fonte é (3,5 * 3,5 / 4) / (3,2 * 2,2) = 43% e isso é francamente um pouco ... Há uma clara manifestação de magia negra (a energia não leva a lugar nenhum) e violação das leis da eletrônica. Visto que, à primeira vista, não há razão para dizer mea culpa, e ainda mais mea maxima culpa, investiguemos o problema em detalhes e comecemos com a teoria.
O diagrama do estágio de potência do conversor boost é mostrado na figura a seguir, a
teoria de seu funcionamento foi discutida em vários materiais (eu pessoalmente gosto muito do curso de Robert Erickson, de onde a imagem foi tirada), usamos os resultados sem saída (todos podem encontrá-lo na fonte mencionada ou obtê-lo por conta própria - fortemente Eu recomendo o segundo método). E o principal resultado é que o conversor é capaz de aumentar a tensão ao infinito (de acordo com a fórmula 1 / (1-d)) apenas "em um vácuo esférico" e somente se seu funcionamento não sofrer interferência de "coágulos de vácuo", mas em reais circuito com componentes reais, há um fator de aumento de tensão limite
Kmax ~ 1/2 * sqrt (R / (Rl + Rds)) e é obtido em um valor de
ciclo de trabalho d = 1-sgrt ((Rl + Rds) / R).
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Para o caso em consideração, Rl = 0,17 Ohm e R = 4 Ohm, temos Km = 2,4 e o correspondente d = 0,8. Parece que isso é suficiente para aumentar a tensão para 5V com uma tensão de entrada a partir de 4, mas de 1,8V, quando o regulador do microcircuito controlador MAX669 começa a funcionar, nem tudo está tão bom, mas não precisamos dessas tensões de entrada baixas. Mas não levamos em consideração outra fonte de perdas (ou melhor, duas, a segunda é a resistência do diodo, mas é de pouca importância neste caso) do coeficiente de transmissão, ou seja, a queda através do transistor aberto.
Que bobagem, você dirá depois do MMK, o transistor selecionado tem Rds da ordem de décimos de ohm (especificamente 18mOhm) e não pode ter um efeito significativo no funcionamento do circuito, mas você estará errado. Infelizmente, muitos fabricantes de transistores fornecem esse valor quando a tensão no gate em relação à fonte (tensão de controle) é significativamente maior do que a tensão de abertura. Na documentação técnica específica (TD), vemos a tensão porta / fonte máxima (tensão de abertura) 2,5V (em meu outro post mostrei porque devemos tomar o valor máximo deste parâmetro, e não o mínimo e, além disso, não o típico ... Satan), e uma resistência de 18 mOhm é dada a uma tensão de controle de 10V.
Enquanto isso, é amplamente conhecido (embora, infelizmente, não tão amplamente quanto gostaríamos) que a resistência de um transistor de efeito de campo aberto (tanto quanto é apropriado falar sobre isso, uma vez que este indicador de um transistor real é claramente não linear) é inversamente proporcional à diferença entre a tensão de controle e a tensão abertura. Ou seja, com uma tensão de controle de 3,5 V, teremos uma resistência de chaveamento de (10-2,5) / (3,5-2,5) = 7,5 vezes mais do que o indicado no TD, 18 * 7,5 ~ 140 mΩ, o que é bastante comparável à resistência de um indutor.
Mas a 2,5 V da tensão de controle, e mais ainda a 2,5 a 0,4 = 2,1 V (temos um circuito de "auto-suporte"), o transistor geralmente tem todo o direito de não ligar, vamos lembrar disso no futuro.
Agora podemos refinar os parâmetros máximos atingíveis e obter
Kmax = 1/2 * sqrt (4 / (0,17 + 0,14) = 1/2 * sqrt (12,9) = 1,8 (alcançado em d = 0,72) e dois fatos terríveis tornam-se aparentes:
1 - sobre o aumento de tensão para a classificação exigida na entrada 2,5 V que você nem sonha;
2 - o fator de preenchimento é maior que 0,72 é inaceitável.
Se o problema associado ao primeiro fato for óbvio, a influência do segundo deve ser discutida com mais detalhes e faremos isso um pouco mais tarde. Mas primeiro, corrigiremos os erros cometidos - substitua a indutância por mais adequado com uma resistência de 60 mOhm e um transistor no CSD16342Q5A, no qual a resistência da chave pública é de 12 mOhm a uma tensão de controle de 2,5 V (tensão máxima de abertura de 1,1 V). Então, a esperada
Kmax = 1/2 * sqrt (4 / 0,06 + 0,012) = 3,7 e é obtido em d = 0,94, de forma que podemos contar com um funcionamento bastante estável do conversor, partindo da tensão de entrada (5 + 0,6) /3,7=1,5V.
Não exatamente pY, portanto, nenhum número: encontrar um transistor no site da TI com a resistência garantida necessária em um controle baixo não é tão fácil quanto poderia ser em um mundo ideal com locais ideais. Você pode classificar os transistores necessários pela abertura média, e então você terá que abrir o transistor um por um e olhar a documentação técnica correspondente. E em um site ideal, eu poderia pedir um parâmetro adicional "Minimum Rds at Ugs = 2.5V" e obter uma resposta imediata.
De fato, depois de substituir esses elementos, a fonte de aumento começa a funcionar normalmente e fornece 5 V / 1,2 A em uma tensão de entrada de 2,5 V a 5 V. Observe que a tensão de entrada operacional acabou sendo maior do que a calculada devido às peculiaridades do microcircuito de controle, que, na faixa de 1,8 a 2,5 V, opera com ciclo de trabalho fixo de 0,5 e só então passa a regular a tensão de saída. Observe também que não podemos garantir que o conversor funcionará abaixo dos valores calculados, independentemente do comportamento de uma determinada instância (s).
Você pergunta, como conseguimos obter 5 de 5, porque temos um conversor elevador - na verdade, temos 5,4-5,8 (dependendo da corrente de carga) e depois do diodo a tensão cai para os 5V necessários.
Agora está tudo bem e os problemas foram resolvidos - infelizmente, não completamente. Se tudo fosse exatamente assim, eu não escreveria um post com uma história apenas sobre meus erros (até agora, fora deles, não corrigimos nada). Voltamos aos componentes originais do circuito, porque eles nos garantiram trabalhar com uma tensão de entrada de 3 V, e com uma tensão de entrada de 3,2 V nos encontramos em nosso modo "favorito" - um ciclo de trabalho de 90%, uma tensão de saída de 3,5 V, uma corrente de entrada de 2,2 A. Sim, com componentes "mais corretos", este fenômeno não foi observado, mas então quais são os limites da "correção" dos componentes. Responderemos consistentemente às principais questões.
"Quem é o culpado".
Mais uma vez, vamos dar uma olhada no gráfico da mudança na tensão de saída dependendo do ciclo de trabalho (ciclo de trabalho) e encontrar duas seções nele - uma para cima e outra para baixo (nosso caso é 0,05). Se desenharmos uma linha reta correspondente à tensão de saída necessária em uma tensão de entrada fixa, veremos dois pontos de interseção com este gráfico (talvez um ou nenhum, mas francamente não são modos de operação) nos quais o fator de conversão necessário é alcançável. No entanto, apenas o ponto localizado à esquerda do máximo (com um ciclo de trabalho mais baixo) está trabalhando nas seguintes bases:
1) a lei de regulação embutida no microcircuito implica uma dependência direta (quanto mais, mais) do parâmetro regulado (tensão de saída) do parâmetro de regulação (ciclo de trabalho), e na parte descendente da curva a dependência é inversa, o que seria metade do problema se não fosse pela seguinte circunstância ;
2) se traçarmos a eficiência da fonte de reforço dependendo do ciclo de trabalho, veremos que seu valor diminui à medida que o ciclo de trabalho aumenta em toda a faixa de determinação, a princípio suavemente, de modo que no ponto de conversão máxima a eficiência é de 50%, e então é simplesmente catastrófico até a zero. É bastante óbvio que se a mesma tensão de saída pode ser obtida com uma eficiência de 80% ou 20%, então a segunda opção não deve ter perspectivas de implementação prática.
Este efeito é explicado por um aumento na queda nas resistências parasitas do choke e do transistor, e a queda cresce claramente de forma não linear, porque a corrente através desses componentes está associada com a corrente de saída, que aumenta com o aumento da tensão de saída através do fator de conversão - ciclo de serviço. Já indiquei os métodos de luta acima - reduzir as resistências parasitas, mas agora não estamos falando sobre isso.
Portanto, nos certificamos de não aumentar o fator de preenchimento acima de um valor específico determinado pelos parâmetros de carga e pelos parâmetros reais dos componentes do circuito. No entanto, o IC pode fornecer um sinal de controle com um ciclo de trabalho de até 90% se for considerado necessário. E justamente em relação a essa característica, dada a capacidade do microcircuito de funcionar, a partir de uma tensão de 2,5 V, nos deparamos com um processo bastante desagradável denominado "estalido".
"Como isso acontece".
Cenário de falha:
1. Ligue o LIPS quando o conversor estiver conectado a uma carga, a tensão em sua saída começa a subir lentamente, até a tensão 1.8 nada acontece.
2. Com uma tensão de entrada de 1,8 a 2,5, o microcircuito gera um sinal de controle com um ciclo de trabalho de 50%, o transistor pode começar a operar (ou não, como teria a sorte), a tensão de saída aumenta, embora seu valor seja desconhecido.
3. Após atingir a tensão de 2,5, o microcircuito passa a controlar o conversor, tentando atingir a tensão de saída de 5 + 0,6V, para a qual é necessário ter um aumento de tensão de 5,6 / 2,5 = 2,24 vezes, o que obviamente ultrapassa o limite por nós estabelecido. Portanto, o ciclo de trabalho atinge um valor máximo de 0,9, a tensão de saída torna-se 2,5 * 4 * 0,1 / (4 * 0,1 * 0,1 + 0,17 + 0,14) = 2,8 V, enquanto a eficiência é inferior a 20%.
4. A tensão de entrada sobe ainda mais, junto com ela a tensão de saída e a corrente de saída (e com ela a corrente de entrada), em algum ponto a corrente de entrada (nove vezes maior do que a saída, aliás) excede o limite de proteção e o LIPS entra modo de estabilização atual. Chegamos assim ao nosso "ponto de trabalho", no qual estaremos por um tempo infinitamente longo.
PNP: E este é o melhor cenário, porque se não tivermos proteção de corrente nos LÁBIOS, então, após a tensão de entrada atingir 5,6 / 1,12 = 5V, o microcircuito verá que a tensão se tornou mais do que a necessária, começará a diminuir o ciclo de trabalho e voltará para o lado esquerdo da curva de ajuste, tendo passado anteriormente por um pico de 5 * 1,8 = 9V com consequências imprevisíveis para os componentes fornecidos.
"O que fazer".
Como não temos certeza sobre a operação correta (mais precisamente, estamos certos sobre a errada) operação de nosso circuito em tensões de alimentação baixas (menos de 3 V), devemos tomar medidas para evitar que o circuito entre no lado direito da curva com tensões de entrada baixas, indicaremos as possíveis maneiras de fazer isso:
0) “Nós sorrimos e acenamos” - fingimos que nada de terrível está acontecendo e que a comida sempre será fornecida em um “salto” e não haverá falhas - bem, em geral, você entende porque parques aquáticos desabam, foguetes explodem, aviões vão descontroladamente para mergulho, e os carros aceleram incontrolavelmente.
0 *) "O problema não é nosso fim" - exigimos explicitamente na documentação técnica uma fonte de alimentação "saliente" e a ausência de queda de tensão abaixo da tensão de operação. O método é claramente melhor que o anterior, não escondemos o problema debaixo do tapete, mas o identificamos claramente. Outra coisa é que ninguém colocará um “purificador” de energia especialmente para nós (não tenho certeza se este requisito será atendido de forma alguma) e não será fácil para nós provar que os requisitos para conectar nosso produto não foram atendidos. No entanto, existe uma oportunidade fundamental para se eximir da responsabilidade pelos incidentes ocorridos, embora isso não vá facilitar para as vítimas.
1) “Se tem que pagar, um cavalheiro sempre paga com um sorriso” - selecionamos os componentes do circuito com grande margem, garantindo o funcionamento em baixas tensões. O método é compreensível e fomos com ele, ao mesmo tempo aumentamos um pouco a eficiência no modo operacional, mas "você tem que pagar por tudo neste mundo" e teremos que aumentar os parâmetros dimensionais de massa e / ou o custo do nosso produto.
PNP: Neste caso, é imperativo levar em consideração que as restrições ainda permanecem, apenas seus limites foram movidos. Para a substituição considerada com uma resistência de indutância de 60 mΩ, um transistor de 12 mΩ e a necessidade de operação normal em uma tensão de entrada de 2,5, obtemos Kmax> = 5,2 / 2,5 = 2,24, então a resistência de carga limite R> = 4 * Kmax * Kmax * (Rl + Rds) = 1,44 Ohm, ou seja, a corrente consumida do conversor não deve ultrapassar 3,5A em todos os modos, inclusive no momento do acionamento. É claro que é melhor não se aproximar do limite perigoso e fazer uma proteção uma vez e meia ou até dupla para parâmetros críticos, mas isto é ao seu gosto.
2) “Você não pode controlar o vento, mas pode controlar bastante a vela” - bloqueia o erro, ou seja, exclui a possibilidade de alimentar tensões de entrada baixas na entrada do conversor. Não podemos garantir o comportamento de uma fonte externa, mas podemos controlar nossos próprios circuitos de entrada. O método é bom, mas requer correção de circuito, então não agora.
2 *) proíbem a operação do circuito em baixas tensões de entrada - a direção parece mais promissora que a anterior, uma vez que nenhum elemento de potência é necessário e principalmente dada a presença de uma entrada de permissão no microcircuito. Mas não agora, como o método anterior.
PNP: você pode implementar o bloqueio de trabalho de diferentes maneiras: aqui está um divisor resistivo e o uso de um diodo zener / zener de três derivações e um transistor bipolar com a formação de uma tensão de abertura nas formas acima e um comparador real e assim por diante ... milhares deles.
A única coisa que é inaceitável é o circuito RC, visto que este circuito não resolve nossa tarefa principal (lembro que esta é a proibição do funcionamento do circuito até que um determinado valor da tensão de entrada seja atingido), mas algum outro (a formação de um determinado intervalo de tempo após atingir uma determinada tensão que não coincide com a controlada) e remete-nos para a opção 0 *. Ao mesmo tempo, tal cadeia pode ser útil após o circuito de comparação do tipo acima para eliminar o salto próximo ao ponto de comutação.
PNP: Se você decidir usar um circuito RC, não se esqueça de fornecer um circuito de descarga de capacitor desviando um resistor ou um capacitor com um diodo, caso contrário, as falhas de energia nos prepararão muitas "descobertas maravilhosas" com um fundo emocional negativo.
Bem, aí vem (meus leitores regulares já estavam nervosos, completamente em vão, aconteceu) o extenso quinto ponto: não se pode dizer que os desenvolvedores do microcircuito não sabiam da possibilidade de tal comportamento de fontes baseadas nele, como evidenciado pela seguinte frase da documentação técnica
“Outro (indesejável ) as características da operação bootstrapped são ... capacidade reduzida de iniciar com alta corrente de carga em baixas tensões de entrada ", o que eu tendo a traduzir como
"Um aspecto indesejável da operação autossustentável ... é a capacidade reduzida de iniciar com altas correntes de carga em baixas tensões de entrada."
Na minha opinião, tal aviso é completamente insuficiente e é necessário um link para a nota de aplicação, na qual o conteúdo deste post deve ser uma pequena parte.
Por exemplo, na seção "Selecionando a indutância", os requisitos para esta resistência não são mencionados. É claro que esses requisitos devem ser conhecidos pelo engenheiro, mas então os requisitos para a indutância mínima não devem ser menos conhecidos por ele, e estes últimos são apresentados com precisão neste documento.
Bem, e como uma cereja no topo - a documentação tem uma seção "escolhendo um transistor", que fala sobre a necessidade de levar em conta a necessidade de trabalhar em baixas tensões, enquanto no mesmo documento eles dão um circuito conversor de boost típico para uma saída 12V / 0,5A (ou 5V / 1A, apenas nosso caso), indique a faixa de tensão de entrada de 1,8-5 V no diagrama e esqueça completamente que:
1) até 2,5 V , o microcircuito opera com um ciclo de trabalho não regulado de 0,5, de modo que a tensão de saída não será superior a 5 V, o que é um pouco diferente de 12 V (e nem mesmo igual a 5V);
PNP: Geralmente fico um tanto surpreso com o posicionamento do microcircuito (ao longo do texto do documento, a partir do título), como pronto para funcionar, a partir de 1,8 V, o que é totalmente falso, a tensão mínima de operação de 2,5 V seria mais correta.
2) o transistor usado do tipo FDS6680 tem todo o direito de não abrir até que uma tensão de controle de 3 V seja recebida, e dada a presença de um diodo no circuito "autossuportado", esta é uma tensão de entrada mínima de 3,5 V, que é claramente mais do que 1,8 V de entrada mínima especificada.
Pnp e ao mesmo tempo o sexto pYa: a princípio pensei que era só um engano (sim, isso acontece com todos, não só eu e MMK), mas uma pequena circunstância me fez mudar de ideia. Esta circunstância encontra-se no parágrafo 5 da seção “escolha do transistor”, a saber:
«5) Minimum threshold voltage (VTH(MIN))». , , , . , . , , .
A propósito, o segundo transistor IRF7401 recomendado para uso em sua documentação técnica fornece exatamente a tensão limite mínima (0,7 V) e nada mais, o que é um tanto alarmante. Não posso excluir a opção quando o limite máximo (bem, típico, não me importo de ser indicado na documentação, só me importo de ser usado no cálculo do circuito) coincide com o mínimo, mas gostaria de ver esta informação especificada na documentação explícita de certa forma, uma vez que uma abordagem diferente nos leva ao "terreno instável de suposições e suposições", e não pode de forma alguma ser uma base confiável para um trabalho honesto de engenharia.
Se os autores da documentação criticada no post (ou seus simpatizantes) tiverem algo a dizer
Bem, a exposição da magia negra ocorreu, como sempre, encontramos uma explicação natural-científica para o comportamento observado do esquema (como disse um personagem notável: “Eu sou um materialista”) e não tivemos que passar para o lado negro. Espero que minhas anotações sejam úteis para alguém na prática ou, pelo menos, entretidas no processo de leitura.