Que me diga:
"Eres un burro viejo, no viviste así, yo viviré diferente".
¡Entiendo, pero déjelo decir! Pero calla.
Recientemente, uno de mis jóvenes colegas (MMK) me pidió que viera los malentendidos que ocurren en su desarrollo. El producto era un convertidor elevador de 5V a 5V, cuyo propósito principal era compensar la caída de voltaje en el cable para conectar una unidad de DVD externa a la interfaz USB. El convertidor se construyó sobre la base del microcircuito MAX669 en el modo "autosuficiente", el circuito corresponde al recomendado y, sin embargo, el dispositivo no funcionó: el voltaje de salida fue de 4 V, es decir, la fuente de alimentación fue de 5 V menos la caída en los cables, menos la caída hacia adelante en el diodo.
Miramos el oscilograma en la puerta del transistor, vemos un 90% de llenado allí con una amplitud de señal de 4V, pero el transistor no se abre. Cabe aclarar aquí que MMK usó transistores domésticos del tipo 2PE208A. Los transistores en sí mismos no están mal, los parámetros son bastante decentes, pero el voltaje de apertura es, según las especificaciones, de 2.5V a 4V, por lo que el transistor tiene derecho a no abrirse a 4V en la puerta: mea maxima culpa.
El primer grito de Yaroslavna (nYa): como dije anteriormente, los parámetros del transistor son bastante decentes, pero (por supuesto) hay un pequeño inconveniente (al menos en la documentación): si los parámetros estáticos se especifican en el volumen requerido, entonces los parámetros dinámicos (con la excepción de la capacidad generalizada obturador) se indican un poco más que nada. Además, el tiempo de retardo de encendido y apagado en sí está en la documentación y el transistor específico se comportó bastante bien en términos de velocidad (cuando aumentamos el voltaje de entrada para que comenzara a abrirse y el circuito comenzara a funcionar), pero estos parámetros se dan en las especificaciones en la sección “datos de referencia Además, se denominan "valores típicos", es decir, es imposible confiar en ellos al diseñar un dispositivo, "a partir de la palabra completamente", lo que limita drásticamente el posible alcance de los componentes anteriores.El motivo de tal decisión por parte de los desarrolladores de transistores me sigue siendo un misterio, si alguno de ellos leyó esta publicación, explíquelo en los comentarios.
De acuerdo, cambiamos los transistores a importados (la sustitución de importación falló) del tipo IRF7103 (estaban a mano) con un voltaje de apertura de 1.0V a 3.0V, el circuito comienza a funcionar, pero algo extraño: la puerta todavía está llena al 90%, el transistor funciona, pero la salida voltaje 3.5V, mientras que desde 5V se consume casi 2A. Apagamos el drive, el panorama no cambia, el consumo se concentra en nuestro producto. Vemos que el microcircuito TUSB9261, que se encarga de convertir la interfaz USB a IDE, se calienta, empezamos a mirar los oscilogramas en sus patas, partiendo (por supuesto) desde el generador de reloj y ... el consumo externo milagrosamente disminuye a 0.2A. Repetimos el encendido, nuevamente vemos un defecto, soldamos los capacitores en ambos extremos del resonador de cuarzo y la placa comienza a encenderse normalmente - mea culpa.
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Volvemos a encender la placa: el voltaje de salida se estabiliza en 5 V, conectamos el variador y volvemos a encenderlo; el voltaje de salida se vuelve igual a los 5 V requeridos, pero después de un tiempo cae a 3,5 V, luego se restaura y el ciclo se repite. En lugar de alimentación USB, conectamos la salida de una fuente de alimentación de laboratorio estabilizada (LIPS) y observamos un salto brusco en el consumo de corriente en el momento de arrancar el motor de accionamiento de 0,3 A a 1,2 A. Sí, por supuesto, la corriente de suministro garantizada de la interfaz no puede ser superior a 0.5A, necesita un segundo cable para duplicar la corriente, bueno, esta es una práctica común, mea maxima culpa. Parece que todo está claro y funcionando, decidimos realizar una serie de experimentos para determinar los parámetros dinámicos de la fuente del dispositivo en desarrollo utilizando LIPS y una carga garantizada en forma de una resistencia de 4 Ohm.
Suministramos voltaje desde los LIPS a la entrada del dispositivo no pegando plátanos, sino encendiendo el voltaje de salida de la fuente con el dispositivo conectado. En general, este método de verificación no se puede recomendar para LIPS arbitrarios, algunos de ellos, por ejemplo, los Erevan (ya no recuerdo la marca, ahora claro que ya no se encuentran) al momento de encender dieron un rebasamiento con un pico de hasta 40V, pero en este LIPS tenemos confianza para poder pagarlo.
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Y, de manera bastante inesperada, encontramos que el dispositivo no entra en modo operativo, pero todo resulta estar en el mismo estado incomprensible, y el LIPS estabiliza la corriente suministrada en 2.2A, bajando el voltaje a 3.2V. Al mismo tiempo, observamos 3,5 V en la salida, a pesar de que el ciclo de trabajo sigue siendo el mismo 90% y el transistor cambia de forma estable. Resulta que el factor de aumento de voltaje es 3.5 / 3.2 = 1.1, que es claramente menor que el esperado 1 / (1-0.9) = 10 y la eficiencia de la fuente es (3.5 * 3.5 / 4) / (3.2 * 2.2) = 43% y esto es francamente un poco ... Hay una clara manifestación de magia negra (la energía no llega a ninguna parte) y violación de las leyes de la electrónica. Dado que, a primera vista, no hay razón para decir mea culpa, y más aún mea maxima culpa, investiguemos el problema en detalle y comencemos con la teoría.
El diagrama de la etapa de potencia del convertidor elevador se muestra en la siguiente figura, la
teoría de su funcionamiento se ha discutido en numerosos materiales (personalmente me gusta mucho el curso de Robert Erickson, de donde se toma la imagen), usamos los resultados sin salida (todos pueden encontrarlo en la fuente mencionada o obtenerlo por su cuenta - fuertemente Recomiendo el segundo método). Y el resultado principal es que el convertidor es capaz de aumentar el voltaje hasta el infinito (según la fórmula 1 / (1-d)) solo “en un vacío esférico” y solo si su trabajo no se ve interferido por “coágulos de vacío”, sino en real circuito con componentes reales hay un factor de aumento de voltaje límite
Kmax ~ 1/2 * sqrt (R / (Rl + Rds)) y se logra con un valor de
ciclo de trabajo d = 1-sgrt ((Rl + Rds) / R).
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Para el caso en consideración, Rl = 0.17 Ohm y R = 4 Ohm, tenemos Km = 2.4 y el correspondiente d = 0.8. Parece que esto es suficiente para aumentar el voltaje a 5V con un voltaje de entrada comenzando desde 4, pero desde 1.8V, cuando el regulador en el microcircuito controlador MAX669 comienza a funcionar, no todo es tan bueno, pero no necesitamos voltajes de entrada tan bajos. Pero no tomamos en cuenta otra fuente de pérdidas (o más bien, dos, la segunda es la resistencia del diodo, pero tiene poca importancia en este caso) del coeficiente de transmisión, es decir, la caída a través del transistor abierto.
Qué tontería, dices después del MMK, el transistor seleccionado tiene Rds del orden de décimas de ohmio (específicamente 18mOhm) y no puede afectar significativamente el funcionamiento del circuito, pero te equivocarás. Desafortunadamente, muchos fabricantes de transistores dan esta cifra cuando el voltaje en la puerta en relación con la fuente (voltaje de control) es significativamente más alto que el voltaje de apertura. En documentación técnica específica (TD), vemos el voltaje máximo de puerta / fuente (voltaje de apertura) 2.5V (en mi otro post mostré por qué debemos tomar el valor máximo de este parámetro, y no el mínimo y, además, no el típico ... Satan), y se da una resistencia de 18 mOhm a un voltaje de control de 10V.
Mientras tanto, es ampliamente conocido (aunque, desafortunadamente, no tan ampliamente como nos gustaría) que la resistencia de un transistor de efecto de campo abierto (en la medida en que sea apropiado hablar de él, ya que este indicador de un transistor real es claramente no lineal) es inversamente proporcional a la diferencia entre el voltaje de control y el voltaje. apertura. Es decir, con un voltaje de control de 3.5V, tendremos una resistencia clave de (10-2.5) / (3.5-2.5) = 7.5 veces más que la indicada en el TD, 18 * 7.5 ~ 140 mΩ, que es bastante comparable a la resistencia de un inductor.
Pero a un voltaje de control de 2.5V, y más aún a 2.5-0.4 = 2.1V (tenemos un circuito de "autosuficiencia"), el transistor generalmente tiene todo el derecho de no encenderse, recordemos esto para el futuro.
Ahora podemos refinar los parámetros máximos alcanzables y obtener
Kmax = 1/2 * sqrt (4 / (0.17 + 0.14) = 1/2 * sqrt (12.9) = 1.8 (logrado en d = 0.72) y dos hechos terribles se vuelven obvios:
1 - sobre el aumento de voltaje a la clasificación requerida en la entrada 2.5V con el que ni siquiera puedes soñar;
2 - el factor de llenado es más de 0.72 es inaceptable.Si
el problema asociado con el primer hecho es obvio, entonces la influencia del segundo debe discutirse con más detalle y lo haremos un poco más tarde. Pero primero, corregiremos los errores cometidos - reemplace la inductancia con más adecuado con una resistencia de 60 mOhm y un transistor en CSD16342Q5A, en el que la resistencia de la clave pública es de 12 mOhm a una tensión de control de 2,5 V (tensión de apertura máxima de 1,1 V).
Kmax = 1/2 * sqrt (4 / 0.06 + 0.012) = 3.7 y se logra en d = 0.94, por lo que podemos contar con un funcionamiento completamente estable del convertidor, partiendo de la tensión de entrada (5 + 0.6) /3.7=1.5V.
No del todo pY, así que no hay número: encontrar un transistor en el sitio web de TI con la resistencia garantizada requerida con un control bajo no es tan fácil como podría serlo en un mundo ideal con sitios ideales. Puede ordenar los transistores requeridos por la apertura promedio, y luego tendrá que abrir el transistor uno por uno y mirar la documentación técnica correspondiente. Y en un sitio ideal, podría solicitar un parámetro adicional "Rds mínimo en Ugs = 2.5V" y obtener una respuesta de inmediato.
De hecho, después de reemplazar estos elementos, la fuente elevadora comienza a funcionar normalmente y proporciona 5V / 1.2A a un voltaje de entrada de 2.5V a 5V. Tenga en cuenta que la tensión de entrada operativa resultó ser más alta que la calculada debido a las peculiaridades del microcircuito de control, que, en el rango de 1.8 a 2.5V, opera con un ciclo de trabajo fijo de 0.5 y solo entonces comienza a regular la tensión de salida. Tenga en cuenta también que no podemos garantizar que el convertidor funcionará por debajo de los valores calculados, independientemente del comportamiento de una instancia en particular.
Usted pregunta, ¿cómo logramos obtener 5 de 5, porque tenemos un convertidor elevador? De hecho, obtenemos 5.4-5.8 (dependiendo de la corriente de carga) y después del diodo, el voltaje cae a los 5V requeridos.
Ahora todo está bien y los problemas se han resuelto, desafortunadamente, no del todo. Si todo fuera exactamente así, no escribiría un post con una historia solo sobre mis errores (hasta ahora, aparte de ellos, no hemos arreglado nada). Volvemos a los componentes originales del circuito, porque nos garantizaron trabajar con un voltaje de entrada de 3V, y con un voltaje de entrada de 3.2V nos encontramos en nuestro modo "favorito": un ciclo de trabajo del 90%, un voltaje de salida de 3.5V, una corriente de entrada de 2.2A. Sí, con componentes "más correctos", este fenómeno no se observó, pero entonces cuáles son los límites de la "corrección" de los componentes. Responderemos constantemente a las principales preguntas.
"Quién es culpable".
Una vez más, echemos un vistazo de cerca al gráfico del cambio de voltaje de salida según el ciclo de trabajo (ciclo de trabajo) y busquemos dos secciones en él: una ascendente y una descendente (nuestro caso es 0.05). Si dibujamos una línea recta correspondiente al voltaje de salida requerido a un voltaje de entrada fijo, entonces veremos dos puntos de intersección con este gráfico (quizás uno o ninguno en absoluto, pero estos francamente no son modos de operación) en los cuales el factor de conversión requerido es alcanzable. Sin embargo, solo el punto ubicado a la izquierda del máximo (con un ciclo de trabajo menor) está funcionando en las siguientes bases:
1) la ley de regulación incrustada en el microcircuito implica una dependencia directa (cuanto más, más) el parámetro regulado (tensión de salida) del parámetro regulador (ciclo de trabajo), y en la parte descendente de la curva la dependencia es inversa, lo que sería la mitad del problema si no fuera por la siguiente circunstancia ;
2) si graficamos la eficiencia de la fuente de impulso dependiendo del ciclo de trabajo, veremos que su valor disminuye a medida que el ciclo de trabajo aumenta en todo el rango de determinación, al principio sin problemas, de modo que en el punto de conversión máxima la eficiencia es del 50%, y luego es simplemente catastrófico hasta a cero. Es bastante obvio que si se puede obtener el mismo voltaje de salida con una eficiencia del 80% o 20%, entonces la segunda opción no debería tener perspectivas de implementación práctica.
Este efecto se explica por un aumento en la caída de las resistencias parásitas del estrangulador y el transistor, y la caída crece claramente de manera no lineal, porque la corriente a través de estos componentes está asociada con la corriente de salida, que aumenta al aumentar el voltaje de salida a través del factor de conversión - ciclo de trabajo. Ya he indicado los métodos de lucha anteriores: reducir las resistencias parasitarias, pero ahora no estamos hablando de eso.
Por lo tanto, nos aseguramos de que el factor de llenado no se incremente por encima de un valor específico determinado por los parámetros de carga y los parámetros reales de los componentes del circuito. Sin embargo, el IC puede proporcionar una señal de control con un ciclo de trabajo de hasta el 90% si se considera necesario. Y precisamente en relación con esta característica, dada la capacidad del microcircuito para funcionar, a partir de un voltaje de 2.5V, nos enfrentamos a un proceso muy desagradable llamado "chasquido".
"Como sucedió esto".
Escenario de falla:
1. Encienda los LIPS cuando el convertidor está conectado con una carga, el voltaje en su salida comienza a subir lentamente, hasta el voltaje 1.8 no pasa nada.
2. Con un voltaje de entrada de 1.8 a 2.5, el microcircuito genera una señal de control con un ciclo de trabajo del 50%, el transistor puede comenzar a operar (o puede que no, por suerte), el voltaje de salida aumenta, aunque su valor no se conoce.
3. Luego de alcanzar el voltaje de 2.5, el microcircuito comienza a controlar el convertidor, tratando de alcanzar el voltaje de salida de 5 + 0.6V, para lo cual se requiere tener un aumento de voltaje de 5.6 / 2.5 = 2.24 veces, que obviamente excede el límite establecido por nosotros. Por lo tanto, el ciclo de trabajo alcanza un valor máximo de 0.9, el voltaje de salida se convierte en 2.5 * 4 * 0.1 / (4 * 0.1 * 0.1 + 0.17 + 0.14) = 2.8V, mientras que la eficiencia es menor al 20%.
4. El voltaje de entrada aumenta aún más, junto con el voltaje de salida y la corriente de salida (y con él la corriente de entrada), en algún punto la corriente de entrada (nueve veces la salida, por cierto) excede el límite de protección y el LIPS entra en modo de estabilización actual. Así que hemos llegado a nuestro "punto de trabajo", en el que estaremos por un tiempo infinitamente largo.
PNP: Y este es el mejor escenario, porque si no tenemos protección de corriente en los LIPS, luego de que el voltaje de entrada alcance 5.6 / 1.12 = 5V, el microcircuito verá que el voltaje se ha vuelto mayor al requerido, comenzará a disminuir el ciclo de trabajo y regresará al lado izquierdo de la curva de ajuste, habiendo pasado previamente por un pico de 5 * 1.8 = 9V con consecuencias impredecibles para los componentes suministrados.
"Qué hacer".
Dado que no estamos seguros del funcionamiento correcto (más precisamente, estamos seguros del funcionamiento incorrecto) de nuestro circuito con voltajes de suministro bajos (menos de 3 V), debemos tomar medidas para evitar que el circuito entre en el lado derecho de la curva con voltajes de entrada bajos, indicaremos posibles formas de hacerlo:
0) “Sonreímos y saludamos” - pretendemos que no está pasando nada terrible y que la comida siempre se suministrará en un “salto” y no habrá fallas - bueno, en general, entiendes por qué los parques acuáticos colapsan, los cohetes explotan, los aviones van incontrolablemente bucear, y los coches aceleran incontrolablemente.
0 *) "El problema no es nuestro final" - Exigimos explícitamente en la documentación técnica una fuente de alimentación de "salto" y la ausencia de caídas de tensión por debajo de la tensión de funcionamiento. El método es claramente mejor que el anterior, no ocultamos el problema debajo de la alfombra, pero lo identificamos claramente. Otra cosa es que nadie pondrá un “purificador” de energía especialmente para nosotros (no estoy seguro de que se preste atención a este requisito) y no será fácil para nosotros demostrar que no se cumplen los requisitos para conectar nuestro producto. Sin embargo, existe una oportunidad fundamental para liberarse de la responsabilidad de los hechos ocurridos, aunque esto no facilitará las cosas a las víctimas.
1) “Si tiene que pagar, un caballero siempre paga con una sonrisa” - seleccionamos componentes del circuito con un gran margen, asegurando el funcionamiento a baja tensión. El método es claro y lo seguimos, al mismo tiempo subimos un poco la eficiencia en el modo de funcionamiento, pero “hay que pagar por todo en este mundo” y tendremos que aumentar los parámetros de masa-dimensión y / o el costo de nuestro producto.
PNP: Al mismo tiempo, es necesario tener en cuenta que las restricciones aún permanecen, solo sus límites se han movido. Para el reemplazo considerado con una resistencia de inductancia de 60 mΩ, un transistor de 12 mΩ y la necesidad de operación normal a un voltaje de entrada de 2.5, obtenemos Kmax> = 5.2 / 2.5 = 2.24, luego la resistencia de carga límite R> = 4 * Kmax * Kmax * (Rl + Rds) = 1.44 Ohm, es decir, la corriente consumida del convertidor no debe superar los 3,5 A en todos los modos, incluso en el momento del encendido. Está claro que es mejor no acercarse al límite peligroso y hacer una protección y media o incluso doble para parámetros críticos, pero esto es de su agrado.
2) “No se puede controlar el viento, pero se puede controlar la vela” - bloquee el error, es decir, excluya la posibilidad de suministrar tensiones de entrada bajas a la entrada del convertidor. No podemos garantizar el comportamiento de una fuente externa, pero podemos controlar nuestros propios circuitos de entrada. El método es bueno, pero requiere corrección de circuito, así que no ahora.
2 *) prohíbe el funcionamiento del circuito con voltajes de entrada bajos: la dirección parece más prometedora que la anterior, ya que no se requieren elementos de potencia y especialmente dada la presencia de una entrada de permiso en el microcircuito. Pero ahora no, como el método anterior.
PNP: puede implementar el bloqueo del trabajo de diferentes maneras: aquí hay un divisor resistivo y el uso de un diodo zener / zener de tres derivaciones y un transistor bipolar con la formación de un voltaje de apertura en las formas anteriores y un comparador real y así sucesivamente ... miles de ellos.
Lo único que es inaceptable es el circuito RC, ya que este circuito no resuelve nuestra tarea principal (les recuerdo que esta es la prohibición del funcionamiento del circuito hasta que se alcance un cierto valor de la tensión de entrada), sino alguna otra (la formación de un intervalo de tiempo dado después de alcanzar una determinada tensión que no coincide con la controlada) y nos remite a la opción 0 *. Al mismo tiempo, dicha cadena puede ser útil después del circuito de comparación del tipo anterior, para eliminar el rebote cerca del punto de conmutación.
PNP: Si decide utilizar un circuito RC, no olvide proporcionar un circuito de descarga de condensador derivando una resistencia o un condensador con un diodo, de lo contrario, los cortes de energía nos prepararán muchos "descubrimientos maravillosos" con un trasfondo emocional negativo.
Bueno, aquí viene (mis lectores habituales ya estaban nerviosos, completamente en vano, sucedió) el largo quinto punto: no se puede decir que los desarrolladores del microcircuito no conocían la posibilidad de tal comportamiento de fuentes basadas en él, como lo demuestra la siguiente oración de la documentación técnica
“Otro (indeseable ) las características de la operación bootstrap son ... capacidad reducida para arrancar con alta corriente de carga a bajos voltajes de entrada ", que tiendo a traducir como
"Un aspecto indeseable de la operación autosostenida ... es la capacidad reducida de arrancar con altas corrientes de carga a bajos voltajes de entrada".
En mi opinión, tal advertencia es completamente insuficiente y se requiere un enlace a la nota de aplicación, en la que el contenido de esta publicación debe ser una pequeña parte.
Por ejemplo, en la sección "Elección de una inductancia", los requisitos para esta resistencia no se mencionan en absoluto. Está claro que estos requisitos deben ser conocidos por el ingeniero, pero entonces los requisitos para la inductancia mínima no deben ser menos conocidos para él, y estos últimos se presentan con precisión en este documento.
Bueno, y como una cereza en la parte superior, la documentación tiene una sección "elegir un transistor", que dice sobre la necesidad de tener en cuenta la necesidad de trabajar en voltajes bajos, mientras que en el mismo documento dan un circuito convertidor boost típico para una salida de 12V / 0.5A (o 5V / 1A, solo nuestro caso), indique el rango de voltaje de entrada de 1.8-5V en el diagrama y olvide por completo que:
1) hasta 2.5V, el microcircuito opera con un ciclo de trabajo no regulado de 0.5, por lo que el voltaje de salida no será más de 5V, que es algo diferente de 12V (y ni siquiera igual a 5V);
PNP: En general me sorprende un poco el posicionamiento del microcircuito (a lo largo del texto del documento, comenzando por el título), como listo para trabajar, comenzando en 1.8V, lo cual es completamente falso, el voltaje mínimo de operación de 2.5V sería más correcto.
2) el transistor usado del tipo FDS6680 tiene todo el derecho de no abrirse hasta que se reciba un voltaje de control de 3V, y dada la presencia de un diodo en el circuito "autosuficiente", este es un voltaje de entrada mínimo de 3.5V, que es claramente superior a la entrada mínima especificada de 1.8V.
Pnp y al mismo tiempo el sexto pYa: al principio pensé que era solo un error (sí, esto le pasa a todos, no solo a mí y a MMK), pero una pequeña circunstancia me hizo cambiar de opinión. Esta circunstancia se encuentra en el párrafo 5 de la sección "Elección del transistor", a saber:
«5) Minimum threshold voltage (VTH(MIN))». , , , . , . , , .
Por cierto, el segundo transistor IRF7401 recomendado para su uso en su documentación técnica da exactamente el voltaje de umbral mínimo (0,7 V) y no más, lo cual es algo alarmante. No puedo excluir la opción cuando el umbral máximo (bueno, típico, no me importa que se indique en la documentación, solo me importa que se use en el cálculo del circuito) coincide con el mínimo, pero me gustaría ver esta información especificada en la documentación explícita en cierto modo, ya que un enfoque diferente nos lleva al "terreno inestable de conjeturas y suposiciones", y de ninguna manera puede ser una base confiable para un trabajo de ingeniería honesto.
Si los autores de la documentación criticada en el post (o sus simpatizantes) tienen algo que decir
Bueno, la exposición de la magia negra tuvo lugar, como siempre, encontramos una explicación científico-natural para el comportamiento observado del esquema (como dijo un personaje notable: "Soy un materialista") y no tuvimos que pasar al lado oscuro. Espero que mis notas resulten útiles para alguien en la práctica, o, al menos, entretenido en el proceso de lectura.