Zasilacz stabilizowany z regulacją napięcia i prądu - szukam schematu

Do urządzenia, które buduję (Source Meter Instrument) chciałbym dodać funkcję w pełni cyfrowej regulacji napięcia i prądu wyjściowego, ponieważ pozwoli to programować proces pomiarowy.
Specyfikacja:
Napięcie wyjściowe minimalne od 0,00 V. Od biedy może być 0,50 V.
Napięcie wyjściowe maksymalne do 6,00 V. Może być więcej, np. 9,00 V.
Prąd wyjściowy maksymalnie 500 mA. Może być więcej.
Praca w trybie CV i CC. Tryb CP zrobię programowo.
Poziom tętnień napięcia na wyjściu nie przekraczający 50 mV przy prądzie maksymalnym i nie przekraczający 20 mV przy prądzie 100mA.
Dopuszczam konstrukcję DC/DC + LDO.
Stabilne działanie do 20 kHz. Więcej też może być.

Przeszukałem ofertę Texas Instruments, Analog Devices, Monolitic Power Systems i za każdym razem coś jest nie tak. Albo zakres napięć zaczyna się od 0,6 V, 0,8 V, 1,23 V, albo zakres napięć wyjściowych kończy się na 2,50 V lub 3,63 V, albo brak możliwości sterowania cyfrowego, albo układ już nie jest dostępny.
Jestem skłonny zbudować cały blok na elementach dyskretnych, ale do tego przydałby się jakiś sensowny i sprawdzony schemat. Nie chcę spędzić przy tym kolejnego roku szukając optymalnych wartości elementów dla uzyskania pełnego zakresu regulacji i stabilności. Niestety, mam mało doświadczenia z blokiem kompensatora w pętli sprzężenia zwrotnego.
Docelowo, będą 4 takie kanały połączone z układami pomiaru napięcia i prądu, przełączanymi pojemnościami na wyjściu i układem kalibracji torów pomiarowych. Całość będzie programowana, aby na przykład symulować wybrane źródło zasilania (ogniwo) i zbierać dane z pomiarów długoterminowych, np. 3-12 miesięcy.

Co do tej pory sprawdziłem:
Kilkadziesiąt układów z serii TPS652xx i TPS654xx. Analog ma układy dla procesorów, np. 0,8 V/25 A, co zupełnie mi nie pasuje. Dobry był MP28167-A, ale jest niedostępny. Jest też opcja, aby zastosować gotowy zasilacz RD6006P, ale ta kobyła jest dla mnie za duża. W ostateczności może go trochę wykastruję, przerobię moduł sterowania i wyświetlania i użyję, ale może nie będzie to konieczne.

Czy znacie jakieś gotowe rozwiązania, które nadają się do mojego układu?
Może być sterowanie przez DAC (mam 3 na pokładzie w MCU), mogę dodać osobne, mogę dodać potencjometry elektroniczne, ale szukam jakiegoś punktu zaczepienia. Ktoś kiedyś chyba już coś takiego zaprojektował?

Marek_Skalski napisał:

Stabilne działanie do 20 kHz. Więcej też może być.

Co przez to rozumiesz? Stabilne musi być dla dowolnej częstotliwości.
Jak szybko układ ma wyregulować, po zmianie prądu obciażenia albo nastawy?
Jak ma wyglądać impedancja dla różnych częstotliwości?
Albo po prostu co tym będziesz zasilał i jakie to ma wymagania odnośnie zasilania.

Marek_Skalski napisał:

Dopuszczam konstrukcję DC/DC + LDO.

Wymagania na parametry dynamiczne określą jak to trzeba zrobić

Budowałem różne stabilizatory CC/CV i zazwyczaj wygodnie jest to zabudować na dwóch wzmacniaczach operacyjnych ponieważ stabilizatory scalone są projektowane pod inne założenia i trzeba sięgać prawą ręką do lewego ucha. Nie widziałem fabrycznego zasilacza laboratoryjnego który był by zbudowany inaczej. Jeśli wymagania są niewielkie, to da się do scalonego stabilizatora impulsowego dołożyć sterowanie od 0V i stabilizację prądu. Czy rezystor-bocznik może być w obwodzie masy czy nie?
Jeśli tak to mógł byś skopiować chiński moduł DCDC z CC/CV dodając regulację od zera.

Zrobienie dobrego CC i dobrego CV to sprzeczne wymagania z powodu że dodanie kondensatora wyjściowego pogarsza pierwsze ale poprawia drugie, budując przyrząd laboratoryjny trzeba jeszcze brać pod uwagę jak pojemność i ESR kondensatorów w urządzeniu zasilanym, wpłynie na stabilność, to czasem może być trudne jeśli nie ma ograniczeń. Każdy LDO nakłada ograniczenia, stabilizatory nie-LDO są bardziej odporne na zmiany parametrów kondensatora wyjściowego. Podobnie przetwornice wymagają aby ESR i pojemność były w określonym zakresie, nie można podłączać do nich co się komu podoba.

Marek_Skalski napisał:

Czy znacie jakieś gotowe rozwiązania, które nadają się do mojego układu?

To jest profesjonalne zastosowanie, nie jest to urządzenie budowane przez amatorów, dlatego raczej nie znajdziesz w internecie, takie rzeczy się projektuje pod konkretne wymagania.

Zakres stabilnych częstotliwości określam jako zdolność układu do utrzymania założonego napięcia na wyjściu przy cyklicznych zmianach obciążenia. Przykładem jak to określić jest dokumentacja LM26400 (strona 8): https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm26400y.pdf
Układ zbyt powolny działa z opóźnieniem, powodując zapady napięcia. Układ szybki, to większy margines wzmocnienia, ale w skrajnych przypadkach ryzyko oscylacji, kiedy mamy obciążenie wybitnie pojemnościowe. Z tego powodu w moim układzie mam dołączane bloki pojemności, aby kompensować w jakimś zakresie takie zachowania. Ale może się mylę i źle to interpretuję?
Urządzenie ma służyć do zasilania układów IoT o znikomym poborze energii; zasilanych bateryjnie. W stanie aktywności prąd obciążenia może sięgać 200-300 mA. W stanie uśpienia to pojedyncze mikroampery. Zadaniem układu pomiarowego jest pomoc w optymalizacji kodu, poprzez pomiar realnego zużycia energii, ale bez zapadów napięcia kiedy układ przechodzi do trybu aktywnego. Inny obszar zastosowania urządzenia to pomiar parametrów elementów elektronicznych, np. automatyczne zdejmowanie charakterystyk elementów. Jeżeli to się uda, to kolejnym etapem będzie opisanie elementów równaniami, aby można było użyć takiego modelu w programach do symulacji, np. xxSpice lub TINA.

Pomiar prądu jest na górze (hi-side), ponieważ poziom masy jest z założenia wspólny dla każdego z 4 torów pomiarowych. Sygnał z układu pomiaru prądu jest zawsze dostępny, a opóźnienie czasowe jest rzędu 3 us dla całego zakresu pomiarowego (przy wyłączonym bloku pojemności wyjściowych). To działa.

Ja ten projekt realizuję jako amator. Wstępnie przyjąłem, że wystarczy wziąć jakiś buck lub buck-boost ze sterowaniem po I2C aby uzyskać wstępną regulację z sensowną sprawnością. Na jego wyjście doczepić stabilizator liniowy i nie musi być to LDO. Do pętli sprzężenia zwrotnego wyliczonej w oparciu o istniejące zera i bieguny dodać sygnał z DAC, a na końcu jeszcze ogranicznik prądu i będzie działać, ale niestety zakresy regulacji dostępnych układów są zasadniczo różne od tego co potrzebuję, a wprowadzenie napięcia z DAC powoduje pogorszenie charakterystyki stabilizacji. W tym obszarze jestem słaby i dlatego szukam jakiegoś sprawdzonego schematu stabilizatora napięcia zdolnego pracować z różnymi napięciami wyjściowymi, które można zadawać cyfrowo. W przeciwnym wypadku, pewnie długo będę szukał optymalnych wartości, albo układ będzie się rozrastał bardziej i bardziej, i nadal nie będzie działał. Napięcie wejściowe mogę dopasować w szerokim zakresie (od 4,20 V do 30 V).

Marek_Skalski napisał:

Zakres stabilnych częstotliwości określam jako zdolność układu do utrzymania założonego napięcia na wyjściu przy cyklicznych zmianach obciążenia. Przykładem jak to określić jest dokumentacja LM26400 (strona 8):

Czyli chodzi ci częstotliwość przy której wzmocnienie pętli spada do 0dB? Inaczej mówiąc zakres częstotliwości w którym regulator ma szanse cokolwiek regulować.

Marek_Skalski napisał:

Do pętli sprzężenia zwrotnego wyliczonej w oparciu o istniejące zera i bieguny dodać sygnał z DAC, a na końcu jeszcze ogranicznik prądu i będzie działać, ale niestety zakresy regulacji dostępnych układów są zasadniczo różne od tego co potrzebuję, a wprowadzenie napięcia z DAC powoduje pogorszenie charakterystyki stabilizacji. W tym obszarze jestem słaby i dlatego szukam jakiegoś sprawdzonego schematu stabilizatora napięcia zdolnego pracować z różnymi napięciami wyjściowymi, które można zadawać cyfrowo.

Ja zawsze robiłem regulację z DAC dodając do dzielnika trzeci rezystor, pasywnie więc nie zmienia parametrów dynamicznych pętli, regulować od zera można.

Tutaj jest ciekawe rozwiązanie ale z dość 'egzotycznym' LT3081:
Analog Devices CN-0508
https://www.analog.com/en/design-center/refer...circuits-from-the-lab/cn0508.html#rd-overview
https://wiki.analog.com/resources/eval/user-guides/circuits-from-the-lab/cn0508

@jarek_lnx Ja też tak robię w prostych układach, ale to rozwiązanie ma 2 zasadnicze wady:
- Napięcie wyjściowe nie zejdzie poniżej napięcia referencyjnego bez stosowania napięć ujemnych na VDAC.
- Przy dużym zakresie zmienności napięć, regulator jest niemal ślepy na krańcach na zmiany napięcia wyjściowego, ponieważ napięcie sterujące dominuje. Jest też moment, kiedy VDAC = VOUT i przez R1 praktycznie płynie tylko prąd szumów, więc nie ma mowy o stabilnej pracy wyjścia.

Wydaje mi się, że lepszą opcją będzie użycie tranzystora szeregowego (PNP lub NPN), który będzie sterowany ze źródła prądowego. Część prądu będzie zabierał układ stabilizacji napięcia (OpAmp porównujący napięcie wyjściowe z napięciem zadanym), a drugą część prądu będzie zabierał układ stabilizacji prądu (OpAmp porównujący prąd wyjściowy z prądem zadanym). Reszta prądu ze źródła będzie służyła do sterowania tranzystora wyjściowego. Takie rozwiązanie powinno pozwolić na utrzymanie sensownego zakresu regulacji i stabilności. Będzie to rozwiązanie zbliżone do EEZ BB3.

@Mkrasuski Dziękuję! To jest układ, który posłużył za wzór w kilku projektach, a przynajmniej widzę pewne podobieństwa do tego co jest w RD6006P i w EEZ_BB3 (też są problemy z dostępnością). Wcześniejsza wersja już wcale nie jest dostępna: EEZ_H24005.

Zasadniczym problemem dzisiaj jest bardzo ograniczona dostępność układów. Nawet jak już wybrałem coś dostępnego, zaprojektowałem blok na PCB i teraz chcę kupić części, to widzę terminy dostaw na sierpień 2023. Układy wyszły. Nie ma znaczenia czy to Analog, Texas czy inny producent. Skłaniam się już do budowy DC/DC w oparciu o MCU i tranzystory. Wzmacniacze operacyjne jeszcze są w miarę dostępne, ale tutaj sporo kompromisów trzeba zaakceptować.
Jak nic lepszego nie wymyślę, to kupię RD6006P i przerobię/dorobię panel sterujący. Przynajmniej jest i działa. Czasy sprzyjają bardziej rozwijaniu oprogramowania, a nie sprzętu. A ja akurat teraz mam czas na projektowanie.

Marek_Skalski napisał:

- Napięcie wyjściowe nie zejdzie poniżej napięcia referencyjnego bez stosowania napięć ujemnych na VDAC.

To nieprawda bo napięcie wyjściowe jest tym niższe im wyższe VDAC.

Marek_Skalski napisał:

- Przy dużym zakresie zmienności napięć, regulator jest niemal ślepy na krańcach na zmiany napięcia wyjściowego, ponieważ napięcie sterujące dominuje. Jest też moment, kiedy VDAC = VOUT i przez R1 praktycznie płynie tylko prąd szumów, więc nie ma mowy o stabilnej pracy wyjścia.

Układ dzielnika jest liniowy, więc nie może mieć miejsca to o czym piszesz, prąd szumów jeśli płynie to w całym zakresie, no i pytanie a jakim źródle szumów mówisz? Cieplnym, rezystora? Szumach prądowych rezystora? Szumach wyjścia DAC? I jakim poziomie szumów mówisz?
Tak to działa:

Marek_Skalski napisał:

Wydaje mi się, że lepszą opcją będzie użycie tranzystora szeregowego (PNP lub NPN), który będzie sterowany ze źródła prądowego. Część prądu będzie zabierał układ stabilizacji napięcia (OpAmp porównujący napięcie wyjściowe z napięciem zadanym), a drugą część prądu będzie zabierał układ stabilizacji prądu (OpAmp porównujący prąd wyjściowy z prądem zadanym).

Tranzystor jako wtórnik, zasilanie bazy przez źródło i od bazy diody do wyjść wzmacniaczy wzmacniacz który daje niższe napięcie steruje stopniem wyjściowym.

Liniowy regulator można zrobić szybszy od impulsowego, więc robił bym liniowy, a impulsowy dodatkowo jeśli ograniczenie strat mocy jest potrzebne, dla siebie do testów dał bym radiator.

Ile tego chcesz sztuk zbudować? Mam wrażenie, że powtarzasz rzeczy dostępne na rynku a dla 1 sztuki to się bardzo rzadko opłaca. Chyba, że dochodzi walor edukacyjny.

Skoro RD6006P za duży, ale ci pasuje, to może WZ5005E? Jakiegoś jego kolegę używam jako "mały zasilacz laboratoryjny poboczny"

Wydaje mi się, że układ na 2 wzmacniaczach operacyjnych jest jedynym sensownym pomysłem. Dla niskich napięć wyjściowych ujemne napięcie zasilania jest też nie do uniknięcia. Ogólnie: bardzo klasyczna konstrukcja.