Jak poprawić stabilność przetwornicy Step-Down 3-5V, 4A na MC34063?

Witam. Zaprojektowałem i wykonałem prostą przetwornicę typu buck lub jak kto woli, step-down. Przetwornica oparta o MC34063. Założenia projektowe to:

-napięcie wejściowe 12V
-napięcie wyjściowe 3-5 V
-prąd wyjściowy max ~2-3 A


Najpierw część symulowana:

Schemat w LTspice:



Przebiegi



Prąd na bazie tranzystora NPN






Część rzeczywista


Zdjęcia przetwornicy




Układ wyszedł mi całkiem dobrze. Umożliwia regulację od 2,9 V do 6,7 V. Zastosowałem kilka rezystorów 0.36R, w celu ograniczenia prądu kolektora (R wypadkowe ~0.05R). wszystko jest w porządku... ale pojawił się problem, którego nie potrafię wyjaśnić i w jest on głównym powodem dla którego założyłem ten temat. Po kolei.
Przetwornicę wykonałem z dodatkowym tranzystorem NPN w TO-220, do tego dołożyłem solidny radiator. Tranzystor użyty przeze mnie to MJE13009. Tranzystor dobrałem w sumie jaki miałem pod ręką, który mógłby wytrzymać to wszystko i żeby był duży - TO-220. Nie bardzo wiem jak dobierać tranzystor do tego typu zastosowań. Skonsultowałem się z doświadczonym elektronikiem, praktykiem, jaki dobrać tranzystor. Ogólnie wiedziałem, że najlepiej NPN, lub MOSFET (ale absolutnie nie wiem jaki i czym się kierować). PNP miałby cięższe sterowanie (i coś jeszcze?). Patrzyłem na ofertę ONSEMI, i kategorie "audio", "high frequency", lub "high voltage", nie przypadły mi do gustu. Ewentualnie "general purpouse". Znajomy praktyk-elektronik pierw zapytał "jaka będzie częstotliwość pracy tego układu?", odpowiedziałem, że "około 100 kHz", na to dostałem odpowiedź, "jaki tranzystor (NPN) byś tu nie wsadził... będzie działać, do dzieła!". Na początku chciałem użyć "solidnego" Tungsrama 2N3055, ale był zbyt masywny i po prostu zdecydowałem się na coś mniejszego. Wybrałem (wysokonapięciowy) NPN z wylutu z jakiegoś starego zasilacza ATX. Przetwornica działa... ale....




Opis problemu:
Przy "sensownym" obciążeniu, czyli 2-3 A, sygnał rzeczywisty na bazie wygląda całkiem ładnie:


(napięcie wyjściowe 5,02 V, na obciążenie podpinam rezystory pięciowatowe kolejno 22R, 10R, 4.7R 2.2R i ich kombinacje równoległe)

Gdy zaczynam zmniejszać obciążenie (rezystory 5W), to dzieje się dziwna rzecz, baza zaczyna oscylować ??


obciążenie w okolicy 1.5A




obciążenie <1 A




<500mA, tutaj już "totalna patologia", że tak się wyrażę...






Bardzo prosiłbym o jakieś inżynierskie przemyślenia, konstruktywną krytykę i wszelkie przydatne informacje "co zmienić". Może wybrałem zbyt prosty, lub zbyt niedostosowany układ przetwornicy (MC34063).


Na koniec dodam, że cały układ działa dość dobrze, zadowalająco, jego sprawność przy 1.5 A @ 5V wynosi nawet 72 %. Przy dużym obciążeniu (4-4.5 A), sprawność spada do ok. 55%. Maksymalny prąd, jakim udało mi się obciążyć układ, bez dużego spadku (maksymalnie 0.01V) to 4.83 A. Ogólnie wydaje mi się, że jak na moją pierwszą przetwornicę, nie jest źle...

Bardzo gorąco zapraszam do dyskusji, chciałbym aby ktoś okiem i napisał co mu się rzuca w oczy. Mam nadzieję, że o niczym nie zapomniałem.


@@@EDIT:
zmieniłem kolejność przebiegi/schemat/ bład usunięty.

Ta oscylacja to tryb DCM - występuje przy małych obciążeniach ponieważ prąd w dławiku spada do zera. Jest to coś zupełnie normalnego.

MC34063 jest archaicznym układem, jedyną jego zaletą na chwilę obecną jest śmiesznie niska cena.
Nie chwaląc się, mam w dorobku przetwornice mające 91% sprawności przy Uwy=5V i Iwy=10A. Kwestia odpowiedniego kontrolera.

Podałeś sprawność 72% przy 1,5A i 5V to znaczy że układ traci 2,9W, większą część z tego traci tranzystor, dlatego że ten potrójny układ Darlingtona będzie miał napiecie nasycenia 2,1V (1,64W@1,5A).

Co do wyboru tranzystora, tranzystory wysokonapieciowe mają bardzo kiepskie parametry i nalezy je stosować tylko gdy jest taka koneczność, ale w twoim układzie ani niska beta, ani duże napiecie nasycenia nie będą krytyczne (układ Darlingtona pierwszy parametr poprawia, drugi psuje tak bardzo, że nawet najgorszy tranzystor nie jest w stanie tego zmienić)

Jaką zastosowałewś diodę? jaki dławik?

Straty klucza można by zmniejszyć stosując PNP, ale nie w ukłądzie Darlingtona tylko z prądem bazy płynącym przez rezystor i tranzystory w układzie do masy, albo lepiej zrobić klucz z P-MOSFET-em.
PMOS
NMOS
PNP

Zupełnie został pominięty fakt, że budowa przetwornicy 20W i prądzie 4A na MC34063 to jest średnio trafiony pomysł - to jest kontroler PFM, i do tego niezbyt szybki. Wielkie kondensatory i wielkie dławiki to podstawa, aby ten układ miał rację bytu.

Cytat:

Ta oscylacja to tryb DCM - występuje przy małych obciążeniach ponieważ prąd w dławiku spada do zera. Jest to coś zupełnie normalnego.

Normalne to jest na pewno, tylko że skrajnie niepożądane - sprawdź analizatorem ile zakłóceń generuje to dzwonienie. Buck pracujący w DCM wymaga sensownego wygaszania.

Z wykresów symulacji wynika, że (delta)Il masz na poziomie 1A przy 1.5A obciążenia. Sprawdź jak się zmienia prąd dławika dla nominalnego obciążenia...

Jak dla mnie, PFM ma tylko sens w przetwornicach małej mocy. 20W to nie jest 'mała moc'.

Dodano po 11 [minuty]:

jarek_lnx napisał:

albo lepiej zrobić klucz z P-MOSFET-em.

Zgodzę się, ale z tym scalakiem to nie będzie działać - wyjście z kontrolera nie jest push-pull. Żeby to z mosfetem działało, trzeba by pokombinować. Na pierwszy strzał jest potrzebna inwersja tego, co wyłazi z kontrolera. Potem para komplementarna na 2 tranzystorach, i dopiero to na bramkę mosfeta. I nie ma drogi obok; chyba że zrezygnujesz z push-pull'a i tranzystor zamykać rezystorem; tylko wtedy czas jego zamykania może być daleki od optymalnego a więc i sprawność będzie daleka od optymalnej.

To jest kombinowanie pod górkę z archaicznym kontrolerem. Sprawność poniżej 90% dla takiego buck'a jest technicznym wypaczeniem, i chyba lepiej dla wszystkich wyjdzie zmiana kontrolera, niż walka z adaptacją MC34063 do sterowania mosfetami ;]

MC34063 to nawet nie jest PFM to jest układ ze stałą częstotliwością i stałym wypełnieniem, sterowany regulatorem histerezowym, ja sam unikam tego układu, ale jak ktoś inny zbudował zaproponowałem jak poprawić sprawność.

Cytat:

Zgodzę się, ale z tym scalakiem to nie będzie działać - wyjście z kontrolera nie jest push-pull. Zeby to z mosfetem dzialalo, trzeba by pokombinować. Na pierwszy strzał jest potrzebna inwersja tego, co wyłazi z kontrolera. Potem para komplementarna na 2 tranzystorach, i dopiero to na bramke mosfeta.

Podałem link do sensownie wyglądającego schematu, wewnętrzny klucz ma wyprowadzony emiter i kolektor, wiec nie potrzeba inwertera wystarczy inaczej podłączyć, para komplementarna potrzebna, ale jest "droga obok" można zrobić driver push-pull dokładając tylko jeden tranzystor.

nsvinc napisał:

Zupełnie został pominięty fakt, że budowa przetwornicy 20W i prądzie 4A na MC34063 to jest średnio trafiony pomysł - to jest kontroler PFM, i do tego niezbyt szybki. Wielkie kondensatory i wielkie dławiki to podstawa, aby ten układ miał rację bytu.

Poprostujakub napisał:

MC34063 jest archaicznym układem, jedyną jego zaletą na chwilę obecną jest śmiesznie niska cena.
Nie chwaląc się, mam w dorobku przetwornice mające 91% sprawności przy Uwy=5V i Iwy=10A. Kwestia odpowiedniego kontrolera.

Zwracałem uwagę.
Tym bardziej, że na Allegro można dostać niedrogo układy synchroniczne ze zintegrowanymi kluczami, których sam z powodzeniem używam.

Dziękuję, Panowie za dyskusję. Na razie absolutnie nie mam czasu się tym zająć, za dwa-trzy tygodnie wrócę do pracy nad tym projektem.

Jako, że to był jeden z moich pierwszych, poważniejszych projektów, a MC34063 znalazłem jako polecany układ dla początkujących, na razie to wystarcza.

Jaki układ polecacie, by zbliżyć się do ~90 % przy dużych prądach i małych napięciach? Z tego, co widzę, układy dwu- i więcej -fazowe, mają wyższą wydajność. Jakich producentów układów rozważyć?

z braku czasu nie ustosunkuję się na razie do reszty poruszonych kwestii.

Masz dwa wyjścia: albo układ zintegrowany, z MOSFETami w środku, albo kontroler i MOSFETy dokładasz. Tu masz jeszcze podział na przetwornice synchroniczne, gdzie za diodę robi tranzystor i niesynchroniczne, gdzie dioda przewodzi prąd po wyłączeniu klucza. Jeśli myślisz o 90%, to w grę wchodzą praktyczne wyłącznie synchroniczne.
Co do układu, możesz poszukać natchnienia na kartach graficznych i starszych płytach głównych.

Tak jak napisał Jakub, szukałem natchnienia na starszych kartach graficznych i wylutowałem sobie układ SMD RT9232 z radeona X1650, mam dwie sztuki tego układu. wszystko zmontowałem tak samo, jak było na karcie lecz dałem inną cewkę i mocniejsze mosfety, a układ ustawiłem, wg. datasheetu na nieco ponad 200 kHz.

Wszystko wg. schematu:


//edit: żeby nie wprowadzać zamieszania przyznam się, że:
zwarłem piny 13 z 14, dlatego, że tak było oryginalnie na PCB karty.
Zamiast diodki 1N4148 jest jakiś nieidentyfikowalny przeze mnie trójnóżkowy układ, podejrzewam, iż jest to para diod schottky'ego, był on w takiej samej konfiguracji na radeonie.
Kondensatory w większości pochodzą ze sklepu i są odpowiednie wartości w odpowiednich miejscach.
Ominąłem kondensatory filtrujące CE4-C10 i cale wejście łącznie z cewką L1 i C5, C6, CE1, CE2.
Zrobiłem także namiastkę rozdzielenia mas w postaci podłączenia piinu 11 bezpośrednio do drenu Mosfeta "LOW". Moje mosfety to AOD472 firmy Alpha & Omega Semiconductor. Kolejna uwaga: "zhakowany" układ na czerwonych kynarach to wspomniany RT9232, mierzyłem wielokrotnie czy na pewno między pinami nie ma zwarć, czy piny THT są połączone z pinami układu, wszystko powinno działać (według mnie) .
Zagadkowy odłączony kabelek w polu lutowniczym w położeniu T 08, to jest filtr (ze schematu R7 i C7) który był zwarty do PHASE i GND - (GND, czyli do pola o współrzędnych A18) z tym filtrem i bez niego - nie ma różnicy - całość nie działa.
//



Wyszło coś takiego, tym razem lwia część w SMD:




Wszystko pięknie, lecz całość nie działa Próbowałem zmieniać układ na drugi RT9232, wszystko rozpisałem sobie i nie mam żadnego błędu w konstrukcji, nie ma zwarć, MOSFETy sprawne, próbowałem różnych cewek (mierzone na całkiem sensownym mostku RLC) (1uH, 2uH, 30 uH). Nie mierzyłem nic na oscyloskopie, ale po podłączeniu jednego mosfeta (tego podłączonego drenem pod VCC) na jego wyjściu bez obciążenia mam jakieś 5V przy 12V zasilania. Próbowałem lutować na source mosfeta jakiś niewielki kondensator typu 10 uF i nie ładował się powyżej ~5V, a po podłączeniu maleńkiego obciążenia typu 200R - napięcie spada do praktycznie zera (np. 0.03V). Wylutowane mosfety w celu sprawdzenia - oba nadal działają.


Mam dość tego układu RT9232, proszę, niech ktoś mi poleci jakiś ŁATWO DOSTĘPNY układ najlepiej 2 fazowy (czyli 4 mosfety). Moje marzenie to obciążalność do 20 A lub wyżej, przy niewielkim napięciu np. max 3V. Oczywiście przy takich prądach zdecyduję się na projekt własnego PCB, nie będę robił na uniwersalnych PCB

To tyle ode mnie, proszę bardzo o uwagi i opinie


Na koniec kilka pytań:
-jak nazywa się oficjalnie ten układ, że zamiast diodki przed cewką jest tranzystor (najczęściej mosfet) do GND?
-jaką częstotliwość przełączania wytrzymają mosfety? (wiem tyle że "mosfety gorzej radzą sobie przy w.cz. od bipolarnych", ale nie wiem "ile to jest" )

Skoro wsadziles sam górny tranzystor to jak ten układ ma w ogóle działać? Na schemacie oba tranzystory są N, zeby otworzyć górny tranzystor jest obwód bootstrap, który nie będzie działał bez dolnego tranzystora! Nie dziwię się, że nic nie działa...

W synchronicznym buck'u z bootrstrapem dla górnego tranzystora, dolny musi istnieć, i musi działać.

Cytat:

Nie mierzyłem nic na oscyloskopie

Moze najwyzszy czas jednak zmierzyć? Przebiegi na bramkach? Napięcie na pinie PHASE?
Napięcie na pinie FB i COMP względem napięcia na pinie PHASE?...

Cytat:

Mam dość tego układu RT9232

Niejeden doswiadczony konstruktor tutaj ma dość początkujących, ktorzy walczą z nie dzialajacymi przetwornicami kilkaset kHz nie pokazując zadnego oscylogramu ;]

Cytat:

jak nazywa się oficjalnie ten układ, że zamiast diodki przed cewką jest tranzystor (najczęściej mosfet) do GND

Przed? No to na pewno nie zadna popularna topologia...

Cytat:

jaką częstotliwość przełączania wytrzymają mosfety?

Na FETach z GaAs buduje się generatory w.cz. rzędu gigaherców. Da się. Ale nikt nie robi przetwornic w.cz. A przetwornice na mosfecie i ~10MHz da się zbudować, ale trzeba umieć...

nsvinc napisał:

Ale nikt nie robi przetwornic w.cz.

Intel we współczesnych procesorach robi takie przetwornice bezpośrednio w strukturze, łącznie z dławikami, działają z częstotliwościami >100MHz.

Po pierwsze - przetwornic na płytkach uniwersalnych się NIE-RO-BI.
Czytałeś co producent napisał na końcu noty? "Layout is very important in high frequency switching converter design. If designed improperly, the PCB could radiate excessive noise and contribute to the converter instability. First, place the PWM power stage components.
Mount all the power components and connections in the top layer with wide copper areas."

Po drugie - nie wyrzucaj elementów ze schematu jeżeli nie wiesz na pewno do czego one służą. Te kondensatory, szczególnie wejściowe, MUSZĄ tam być. Nie wszystkie, ale nie będę się tu rozwodził.

Zrób to porządnie, to zacznie działać.

Dziękuję za odpowiedzi. Jutro postaram się zrobić screeny z oscyloskopu.

@komatssu - W Intel Galileo są conajmniej dwie przetwornice, które działają z częstotliwością 1 MHz, a w przetwornicę 100 MHz jestem skłonny jak najbardziej uwierzyć.

nsvinc napisał:

Skoro wsadziles sam górny tranzystor to jak ten układ ma w ogóle działać?

Ze zdjęcia widać wyraźnie, ze dolny też jest w układzie. "Sam górny" służył tylko do sprawdzenia, co się stanie - chciałem zaznaczyć, że próbowałem wszystkiego, co przyszło do głowy.

Cytat:

Nie mierzyłem nic na oscyloskopie

J.w. - jutro możliwe, że pomierzę wszystko.

Cytat:

jak nazywa się oficjalnie ten układ, że zamiast diodki przed cewką jest tranzystor (najczęściej mosfet) do GND

Cytat:

Przed? No to na pewno nie zadna popularna topologia...

Zastąpiona dioda mosfetem - taki układ ze sterowaniem w przeciwfazie obu mosfetów to bardzo popularne połaczenie - szczególnie w kartach graficznych, płytach głównych się z tym spotykam na codzień. Wierzę, że to ma jakąś nazwę - nie wiem w jakim kierunku szukać.



Zjechałem z częstotliwością do poniżej 150 kHz - nadal nic.

Cytat:

Na FETach z GaAs buduje się generatory w.cz. rzędu gigaherców. Da się. Ale nikt nie robi przetwornic w.cz. A przetwornice na mosfecie i ~10MHz da się zbudować, ale trzeba umieć...

Ok, dużo się rozjaśniło, dzięki




Ponawiam pytanie:
Czy możecie mi polecić jakiś prosty, łatwo dostępny układ scalony przetwornicy, na którym mógłbym wykonać kolejny projekt? Nie potrzebuję bajerów typu soft start lub chip enable. Chodzi mi o coś, co działa, z czym nie ma wielu problemów - jak MC34063. Chciałbym jednak móc osiągnąć 10-15 A przy tych 2.5-3V.

To o co pytasz nazywa się synchroniczny buck, z angielska synchronous buck converter.
Nie da się prosto osiągnąć 10A nie stosując się do podstawowych prawideł sztuki impulsowej. Nic Ci po najprostszym nawet scalaku, skoro nie będziesz umiał go poprawnie zaimplementować. W nocie każdego jednego układu przetwornicy znajduje się tekst z rodzaju "Layout is a critical portion of good power supply design".

Wszystkie nóżki pomierzone. Jedyna rzecz to cały czas jedynka na bramce niskiego mosfeta. Wygląda, jakby układ był cały czas w pozycji reset. Na phase nie ma nic, na wyjściu też zero, na FB automatycznie też zero.
Myślę, że to kwestia spalonego układu lub błąd konstrukcyjny wynikający z połączenia kynarowego z płytką uniwersalną.

Po mojemu punkt 3.1.16. regulaminu...

ludek111 napisał:

Dziękuję za odpowiedzi. Jutro postaram się zrobić screeny z oscyloskopu.

Cytat:

Nie mierzyłem nic na oscyloskopie

J.w. - jutro możliwe, że pomierzę wszystko.

@U.P. po mojemu - nie przeczytałeś dokładnie moich postów i jak zwykle odnoszę wrażenie, że elektroda jest bardzo niemiła dla young-players...
To moja druga przetwornica w życiu, kolega nsvinc napisał, że najwyższy czas zmierzyć na oscyloskopie, więc zraportowałem, jak wygląda sprawa.

Dzięki za odpowiedzi

To nie ma prawa działać z przyczyn podanych wyżej. Nic tam nie zmierzysz.



Do takiego układu powinieneś dążyć.

Jeszcze raz dziękuję za odpowiedzi. Temat do zamknięcia, niedługo wezmę się za porządne zaprojektowanie układu z odpowienimi wytycznymi projektowania PCB. Teraz bawię się KiCAD'em, uważam, że jest najprostszy, ale dopiero zaczynam. Jeżeli będę miał wątpliwości, założę nowy temat w odpowiednim dziale.

Mam nadzieję, że komuś przydadzą się informację z tego threadu.