Quel est le problème avec ce simple SMPS?

J'ai lu récemment sur l'électronique de puissance et comme un défi (et aussi un exercice d'apprentissage), j'ai conçu ma première alimentation à découpage - un convertisseur abaisseur dans ce cas.

Il est destiné à fournir 3,5-4,0 V (décidé par une source de référence de diode) et jusqu'à 3 A afin d' alimenter certaines LED d'alimentation avec n'importe quelle source CC, allant d'un chargeur USB 5 V à une batterie PP3 9 V. Je veux un approvisionnement efficace, car le chauffage et la durée de vie de la batterie seront un vrai problème (sinon je serais paresseux et utiliserais une diode 7805 +).

REMARQUE: j'ai déjà remarqué que j'avais la logique de commutation dans le mauvais sens, je dois permuter les connexions dans le comparateur ou utiliser !Qpour piloter les MOSFET.

Mon choix de MOSFET au lieu de BJT était dû aux pertes de puissance dans un BJT et aux problèmes thermiques qui en découlaient. Cette décision d'utiliser des MOSFET sur des BJT / IGBT en raison d'une meilleure efficacité est-elle le bon appel?

Plutôt que d'utiliser une puce PWM comme le suggèrent de nombreux forums d'amateurs, j'ai décidé d'utiliser une combinaison comparateur / horloge / verrou pour basculer rapidement entre "charger" et "décharger". Y a-t-il un inconvénient particulier à cette approche? Le verrou CMOS (une bascule D-flip) copie les données vers les sorties sur le front montant des impulsions du générateur d'horloge (un inverseur CMOS Schmitt + rétroaction).

Le choix des constantes de temps / fréquences de coin pour l'horloge et le passe-bas abaisseur (10-100 kHz et 10 Hz respectivement) est destiné à prendre en charge la petite approximation d'ondulation tout en permettant également au condensateur de sortie de se charger dans un laps de temps raisonnable à partir de la mise sous tension. Est-ce le bon ensemble de considérations pour décider des valeurs de ces composants?

De plus, comment pourrais-je calculer la valeur de l'inductance? Je suppose que cela dépend du courant de sortie typique et de la valeur du condensateur passe-bas, mais je n'arrive pas à comprendre comment.

[Éditer:]

Dans le passé, j'ai utilisé la paire MOSFET montrée (en plus du logiciel PWM) pour créer des ponts en H pour la commande de moteur bidirectionnelle à vitesse variable - et aussi longtemps que je gardais la période PWM beaucoup plus longue que le temps de commutation MOSFET , le gaspillage d'énergie dû au court-circuit pendant la commutation était négligeable. Dans ce cas cependant, je vais remplacer le N-mosfet par une diode Schottky car je n'ai jamais utilisé de diode Schottky auparavant et je veux voir comment ils se comportent.

J'utilise un simple onduleur + combo RC pour fournir le signal d'horloge car je n'ai pas besoin d'une fréquence particulièrement cohérente ou précise tant qu'elle est considérablement plus élevée que la fréquence d'angle haute du buck-boost.

[modifier II:]

• Je l'ai construit sur une planche à pain et à ma grande surprise, il a fonctionné immédiatement sans aucun problème, et avec une efficacité d'environ 92% (par rapport aux 94% que j'avais calculés à partir des pertes de commutation / composants).

• Notez que j'ai omis la résistance dans l'étage de sortie, par paresse - je ne me souviens pas non plus pourquoi je l'ai placée là en premier lieu.

• J'ai omis la diode inverse parallèle au P-MOSFET et j'ai également utilisé une diode Schottky 1N5817 (note: note 1A) à la place du N-MOSFET. Il ne chauffe pas assez pour que mes doigts le remarquent. J'ai cependant commandé une diode de qualité supérieure pour l'assemblage de l'unité finale, qui fonctionnera à pleine charge.

• J'ai accidentellement fait sauter le comparateur LM393 lors des tests, mais un LM358AN a pris sa place tout de suite sans aucun problème.

• Comme je ne trouve aucun logiciel de conception de circuit + de mise en page / routage décent qui fonctionnera sur Arch Linux x64 (ou même d'installer, dans le cas d'un logiciel Linux natif), je l'ai manuellement mis en page de sorte qu'il ne fonctionnera probablement pas au moment où il est soudé ... Mais cela ne fait qu'ajouter au "fun" je suppose!

• Valeurs des composants utilisés: Clock gen {1kR, 100nF}; Sortie Buck {330uH, 47uF}; Condensateur d'entrée [non illustré] {47uF}; P-MOSFET {STP80PF55}; N-MOSFET {diode Schottky à la place, 1N5817 - à remplacer par> = version 3A}; CI {40106 NXP, 4013 NXP, LM358AN}

Oui, il y a des problèmes de stabilité et un bref moment où les deux FET sont activés, mais la beauté de l'utilisation d'un FET sur la partie déroulante du circuit (c'est-à-dire un convertisseur abaisseur synchrone) au lieu d'une diode schottky est la suivante: -

1. Quel que soit le rapport cyclique de votre PWM, la tension de sortie reste constante en tant que fraction de la tension d'entrée - vous utilisez en fait les L et C sur la sortie comme filtre passe-bas pour une entrée d'onde carrée.
2. Quelle que soit la charge que vous avez connectée, à condition que les FET soient à faible résistance, dans la mesure où vous n'avez pas besoin de modifier le rapport d'espace de marquage PWM.
3. Il sera plus efficace sur des charges plus lourdes qu'un régulateur abaisseur non synchrone, mais l'inconvénient est que sur des charges légères, il sera moins efficace car vous avez besoin de courant pour piloter le FET du canal N en raison de la capacité de la porte.

Je préconiserais également la construction d'un générateur de dents de scie à minuterie 555 comme base de votre système. Quelque chose comme ça: -

Je l'introduisais ensuite dans un comparateur rapide, puis j'utilisais la sortie du comparateur pour piloter les deux FET. Les deux transistors FET peuvent être "séparés par le temps" avec un petit retard RC sur la sortie du comparateur - la sortie non retardée et la sortie retardée alimenteraient une porte ET pour l'un des entraînements de porte et la même chose pour l'autre entraînement de porte mais en utilisant une porte NOR. Prévoyez peut-être un délai de 50ns.

Ce que vous obtenez est un convertisseur abaisseur synchrone à moitié décent qui a juste besoin d'une entrée sur l'autre entrée de comparateur pour obtenir les changements de cycle de service requis. OK jusqu'à présent? Ensuite, vous pouvez appliquer une boucle de commande simple qui abaisse la 2e entrée du comparateur à mesure que la tension d'entrée augmente. Faites fonctionner cela, puis appliquez une autre petite boucle de contrôle qui régule réellement le PWM avec un courant de charge modifie un peu et cela fonctionnerait probablement et sans rétroaction négative impliquée.

Ensuite, comme touche finale, et avec soin et subtilité, appliquez une boucle de contrôle globale pour maintenir la sortie mieux stabilisée mais rappelez-vous, avec un sync buck, vous pouvez à peu près obtenir des performances stables à moitié décentes sans boucles de contrôle qui utilisent une rétroaction négative - si vous veulent suivre cette approche, je peux le recommander.

Cependant, pour moi, je ferais simplement appel à la technologie linéaire et j'obtiendrais l'appareil qui fait déjà le travail.

Le problème principal avec ce schéma est qu'il y aura un moment pendant la commutation où les deux MOSFETS conduiront le courant et ensuite court-circuiteront la source d'alimentation. En règle générale, ce moment est court et ne brûlera pas les MOSFET, mais l'efficacité sera affectée et il y aura de fortes surtensions dans la source d'alimentation.

Remplacez le MOSFET inférieur par la diode Schottky en sens inverse.

Oui, l'utilisation d'un MOSFET peut augmenter l'efficacité, mais le schéma a besoin d'un pilote spécial pour rendre le temps mort entre la commutation des transistors.

J'utilise pour calculer les smps sur http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/smps_e.html

J'ai déjà conçu des convertisseurs flyback et buck pour l'éclairage LED en utilisant ce site Web, et c'était à chaque fois la meilleure solution. Vous y trouverez la dimension pour la bobine dont vous avez besoin (noyau et enroulement).

Je pense qu'une meilleure approche pour générer le signal PWM consiste à créer une boucle de contrôle appropriée. Il n'est pas clair pour moi que votre circuit se stabilisera réellement où vous le souhaitez.

Ce que vous devez faire est de construire un simple contrôleur P ou PI. Prenez votre tension de sortie et votre tension de référence et passez-les dans un amplificateur différentiel pour obtenir une tension d'erreur. Ensuite, exécutez-le via un potentiomètre pour pouvoir régler le gain. Si vous voulez le rendre plus précis, faites-le passer par un autre pot, un intégrateur, puis placez les deux dans un amplificateur sommateur. Cela vous donnera une sortie proportionnelle à l'erreur et à l'intégrale de l'erreur, avec des gains réglables. Ensuite, vous exécutez cela sur une entrée d'un comparateur. L'autre entrée du comparateur serait une onde triangulaire d'un oscillateur de relaxation. La sortie du comparateur piloterait les MOSFETS, peut-être avec un pilote MOSFET et peut-être une logique supplémentaire pour empêcher la traversée. Vous'