ATtiny84a'ya dayalı Buck anahtarlama regülatörü - lütfen eleştirin!

İşte PWM kontrolörü olarak ATtiny84a'ya dayanan bir kova regülatörü tasarlama girişimi. 4S LiPo pilden (12,8 - 16,8 volt inç), 10-14V girişleri kabul eden servo motorları çalıştırmak için kullanılan makul bir şekilde düzenlenmiş 12V çıkışına gitmelidir. 4S LiPo biraz fazla yüksek ve 3S LiPo, özellikle anma 12V torkunu istediğim için biraz çok düşük. Tasarım 40 amper en kötü kasayı sunacak şekilde tasarlanmıştır (motorların çoğunu durdurur.)

Bunlardan birini satın alamıyorum, çünkü 10-15A serisinden ayrılır ayrılmaz, tüm DC DC dönüştürücüler endüstriyel kullanım için tasarlanmıştır ve ağır kasalara sahiptir, gerçekten pahalıdır, 24V giriş gerektirir veya bu tür diğer eşleşmeler benim şimdiki gereksinimleri ile.

Fikir, hedef voltajın üst / altını tespit etmek ve alt tespit edildiğinde belirli bir süre boyunca bir darbe oluşturmak için AVR'deki dahili analog karşılaştırıcıyı kullanmaktır.

Bunu yüksek güçlü yollar için bileşen kabloları lehimlenmiş 20 ayar tel ile breadboard üzerine inşa ederdim.

Düzen yapmaya çalışırken "anahtarlama düğümü" ve geribildirim yolunu mümkün olduğunca kısa tutmayı biliyorum. Ayrıca, fakir bir adamın yer düzlemini yapmak için kullanılmayan tüm breadboard izlerini de topraklardım.

Doygunluk akımının maksimum çıkış akımımla eşleştiği bir boğma ve doygunluk akımının maksimum çıkışımdan daha yüksek olduğu bir kova indüktörü seçmeye çalıştım.

94 uF ve 3.3 uH köşe frekansı yaklaşık 9 kHz'dir ve AVR'nin bundan daha hızlı çalışacağını düşünüyorum. Düşük voltaj tespit edildiğinde 5 us'luk bir darbe düşünüyorum ve sonra tekrar düşük voltaj aramak için geri dönün. Bu 200 kHz maksimum frekans (% 100 çalışma döngüsüne yakın) verir.

İşte şematik: https://watte.net/switch-converter.png

Yorumlarda ortaya çıkan endişelere ek olarak (yanlış P-FET polaritesi, yakalama diyotu / MOSFET yok), bir bakışta bazı endişelerim var:

• Mikrodenetleyici Q1'in kapısını çok sert süremez (genellikle GPIO pinleri sadece birkaç miliamper kaynaklayabilir), bu nedenle açma ve kapama çok yavaş olacaktır. Bu, yüksek taraf anahtarınızın ne kadar iyi çalışacağını sınırlar.

• Q1'de kapıdan kaynağa bir direnciniz yok, bu yüzden sadece MOSFET'i açık veya kapalı tutan GPIO'ya bağımlısınız. GPIO pimi yüksek empedansa girerse, kapı ortamdan bir yük alırsa MOSFET kendini açabilir.

• 70R P-kanal geçit direnciniz sürekli yanıyorsa (Q1 doymuşsa) yanar

  $D \cdot \dfrac{(16V)^2}{70 \Omega} = D \cdot 3.65W$

  D yüksek olacağından çılgın yüksek güçtür (giriş çıkışa yakındır). Ayrıca, akacak olan 225mA ya da öylesine Q1'de de yakılacak, bu nispeten küçük bir cihaz olduğu için sağlıklı değil.

  (İhtiyacın var $V_{GS}$ ~ 400mA'dan Q1'e kadar çizmek için yaklaşık 4V $V_{GS}$ Q4'te 40A için -7.5V).

  • Tamamen dirençli geri bildirim ağınız kötü bir fikirdir. Gerçekten biraz tazminat ve / veya filtrelemeye ihtiyacınız var. Karşılaştırıcınız hiper-hızlı olacak ve anahtarlama gürültüsü, pikap, dalgalanma vb. R5 karşısında (ve biraz şans).

  • Güç aktarım sisteminizde mevcut izleme veya aşırı akım koruması yok.

  • Güç aktarma sisteminizde aşırı voltaj korumanız yok.

  • Güç aktarma sisteminizde aşırı sıcaklık korumanız yok.

  • Güç aktarma sisteminizde giriş ters polarite korumanız ve giriş sigortanız yok. Büyük hayır-hayır, özellikle kaynak pil tabanlı olduğunda (büyük kısa devre kaynak kapasitesi).

Hazır bir analog senkron kova kontrolörü kullanıyorsanız, bu daha basit bir projedir. Bunun için ATtiny'yi neden kullanmak isteyeceğinizi anlamıyorum.

Bununla birlikte, bu herhangi bir streç ile basit bir proje değil. Şemanız büyük ölçüde eksiktir ve herhangi bir güç kaynağının (özellikle sizinki gibi yüksek güç seviyelerinde çalışanlar) ihtiyaç duyacağı temel güvenlik korumasından yoksundur.

Gereksinimlerinizi düşünün, tüm kayıpları hesaplayın , bazı korumalarda tasarlayın ve rev ile geri dönün. 2.

Aşağıdakiler için bir Buck regülatörü tasarlıyorsunuz:

• Yüksek kapasiteli LiPo bataryadan 12,8 ila 16,8 Voltluk Vin.
• 12V @ 40 Amper Vout.
• Kontrol tekniği Sürekli açık ve değişken kapalı süredir.

Madmanguruman'ın iyi cevabından sonra bile, dikkat edilmesi gereken ek şeyler var. Bu tasarımın ana zorluğu, işlenmekte olan yüksek akım olacaktır. Esas olarak güç işleme bileşenlerine, güç modülatörüne ve filtrelemeye dikkat edeceğim.

• Power FET, P kanalıdır. IRF4905: Rdson=0.02@25C, 0.034@150C; Ciss = 3500pF. İletim kaybı çok yüksek olacaktır. Vin için = 16.8V, Vo = 12V, Iout = 40A, Pcond =$\text{D } \text{Iout}^2 \text{Rds}$= (0,7) (1600) (0,034) = 38W. TO220 paketinin ve davanın birleşme yuvasına termal direnci düşünüldükten sonra, 25C ortam sıcaklığı ile 150C birleşimini karşılamak için 2C / W'li bir soğutucu gereklidir. Yüksek akım durumları için N kanal FET'lerini kullanmak çok daha iyidir. Aksi takdirde eşdeğer bir N kanalı FET, P kanalı FET olarak Rdson'un 1 / 3'üne sahip olacaktır.

• Gate Drive. Bu tasarımda yeterli bir kapı tahriki yoktur. Özellikle kapatmak için. 70 Ohm ile 3500pF Ciss ile bir FET kapatıldığında, kapanma süresi en az 500nSec olacaktır. Bu, FET'te büyük anahtarlama kaybı, muhtemelen FET'te en az 15W ek kayıp anlamına gelecektir. Bu tasarım çok daha iyi bir kapı tahrikine sahip olmalıdır. Kapı sürücüsünün yine de geliştirilmesi gerektiğinden; bir N kanal anahtarlamalı FET'e geçmek ve bir geçit sürücü IC'si (IR2104 veya LM5104 veya benzeri gibi) ile uyumlu bir senkron doğrultucu kullanmak çok yararlı olacaktır.

• Histeretik Kontrol. Sürekli açık, değişken kapalı zaman kontrolü ile ilgili bir problem yoktur. Histeretik kontrol (dikkatli iseniz) iyi çalışabilir ve mükemmel geçici tepkiye sahip olabilir. Ancak, buradaki sorun uC'de karşılaştırıcıyı kullanmaktır. İlave histerezis sağlamak için karşılaştırıcıya erişimin olması gerekir. Bu nedenle, histerezisi olan ve yanıt süresi 500nSec'den az olan bir karşılaştırıcının eklenmesi gerekir. Yaklaşık 100mV'lik bir histerezis eklemek istersiniz.

• Çıkış filtresi. İyi indüktör, L1. 40A artı dalgalanma akımında doygunluğun eşiğinde olacaktır. Daha yüksek bir akım parçasına sahip olmak daha iyi olurdu, ancak büyük bir endişe değil. Çıkış kapasitörleri C1 ve C2 seramiktir, bu iyi bir seçimdir, ~ 100mV dalgalanma voltajı için 20 mOhms'dan daha az bir toplam ESR'ye sahip olmalıdır. Maksimum yükteki yük direncinin (~ 0.3 Ohm) çıkış filtresinin karakteristik empedansına (~ 0.2 Ohm) çok yakın olması ilginçtir. Bu şanslı, çünkü filtrenin iyi nemlendirildiği anlamına geliyor, daha sonra bu konuda. Sadece bu beslemeli motorlar kullanıyorsanız, ikinci kademe filtreye (L2, C3) gerek yoktur.

Dışarıda olması gereken bazı fonksiyonlar var:

• Akım sınırı, başka bir şey yoksa kendi güvenliğiniz için bir tane olması gerekir. Akım miktarı ele alındığında, sürprizler acele edebilir. Güç düğmesinin üst kısmı alttan patlayıcı bir şekilde ayrılana ve tavana yapışmak için uçana kadar yaşamadınız. Her neyse, bir tür akım limiti, sadece bir sigorta olsa bile.

• Giriş filtresi. Sistemin geri kalanı hakkında net değil, ancak bu tedarikin girişi büyük miktarda EMI kaynağı olacaktır. Normalde bu büyük bir sorun olurdu.

Giriş empedansı da burada bir endişe kaynağıdır. Anahtarlama regülatörleri negatif giriş empedansına sahiptir ve iyi osilatörler yapabilir (maalesef). LiPo ve dağıtım ağının kaynak empedansı, salınımı önlemek için kaynağın giriş empedansının 1 / 2'sinden az olmalıdır. Yüksek kapasiteli LiPo pillerin yaklaşık 20 mOhms empedansa sahip olduğunu düşünüyorum (bu, yaşla birlikte artıyor). Akım çıkış filtresiyle (C1 ve C2'li L1) bu kaynağın tam yükündeki (40A) giriş empedansı, kaynak dağıtım ağı empedansının düşük tutulması durumunda iyi görünen minimum yaklaşık 100mOhms (9KHz'de) değerine sahiptir. Ancak, 40A yükünde çok iyi görünen çıkış filtresi sönümlemesini unutmayın, eğer yük 10A sönümlemesine düşerse çok iyi değildir. Bu, 10A yükte giriş empedansı minimumunun yaklaşık 50 mOhms'a (9KHz'de) düştüğü, bu da kaynak dağılımını gerçekten sıkı ve problemli hale getirecektir. Değişken çıkış filtresi sönümlemesinden kaynaklanan hafif bir yük problemi olması ne büyük bir paradoks.