Ładowarka 2S 18650 – regulacja prądu 1 A, MOSFET P nie ogranicza poprawnie

Cześć.

Chciałem stworzyć układ, który naładuje akumulatory 18650 połączone w trybie 2S prądem 1 A do pełna.
Wymyśliłem taki układ, ale nie mogę uzyskać dokładnie prądu 1 A.
Prosiłbym o ocenę stworzonego układu, czy zrobiłem to dobrze, bo napięcie referencyjne jest w porządku, spadek na rezystorze pomiarowym także sugeruje, że MOSFET powinien się bardziej przymknąć, aby obniżyć prąd ładowania.
Siedzę już nad tym drugi dzień i nie wiem dlaczego MOSFET typu PNP nie chce poprawnie regulować prądu.
Wiem, że to regulacja liniowa i że duże straty w postaci ciepła będą na tranzystorze MOSFET (ok. 3 W), ale chciałem zacząć od czegoś prostego. Jak widać, przerosło mnie nawet to zadanie.
Po zaniku zasilania VIN te stabilizatory 7805 powinny być zasilane z akumulatorów 18650.

dragolice16 napisał:

mosfet typu PNP

MOSFET typu P, ale to szczegół.
Wskaż w swoim układzie obwód, który twoim zdaniem ustala prąd 1 A.

Dziękuję za odpowiedź.
Rezystor pomiarowy to 220mΩ, przy prądzie 1A powinien być na nim spadek napięcia 220mV. To napięcie jest porównywane przez U1A z napięciem referencyjnym, jeśli jest wyższe tranzystor NPN powinien przestać przewodzić co powoduje ściąganie bramki do plusa zasilania. Gdy różnica napięć jest niewielka między bramką a źródłem mosfet przestaje przewodzić. Coś źle założyłem?

Czy te wartości na miernikach się zmieniają podczas symulacji?
Na bazie Q3 jest mniej niż 140 mV, VIN to 8,4 V a mimo tego na bramce Q1 jest 7,6 V, to nie ma sensu.

Q3 ma na bazie <0,2V więc powinien być zatkany, a mimo na R3 jest spadek napięcia, który załączą Q1, sprawdź co w tym obwodzie jest nie tak, masz symulator, każdy parametr możesz sprawdzić


Ten układ nie będzie stabilny, będzie oscylował, bo masz za duże przesunięcia fazy w pętli sprzężenia zwrotnego. Może dlatego wskazania mierników napięcia stałego wyglądają nielogicznie. Jeśli na bazie pojawi się na chwilę 0,7V a później przez dłuższy czas będzie zero, to miernik może pokazać 0,14V Sprawdź przebiegi.

Przerysowałem schemat w nowym pliku i działa, zrobiłem pomiar oscyloskopem:



Teraz nie wiem, czy ten układ jest na tyle stabilny, aby go użyć, czy coś warto poprawić?

Pomiar dla DC:



Różnice mikroskopijne.

Zachęcam do gotowej scalonej ładowarki. Poza ograniczaniem prądu i napięcia ma jeszcze kilka funkcji, których nie ma Twój układ. Przypilnuje ona mocno rozładowaną baterię i będzie ładować niższym prądem by nie uszkodzić akumulatorów. Naładuje baterię do 100%, a Twoja ładowarka tylko do ok. 90%. Różnią się detekcją końca ładowania. Może mieć wejście do podłączenia termistora umieszczonego w baterii, żeby się ona nie zapaliła. No i będzie miała fikuśną sygnalizację na 2 diodach świecących kiedy ładuje, kiedy skończyła, kiedy jest jakaś awaria.

Stabilność sprawdza się wprowadzając zaburzenie, np nagłą zmianę Vref_l i oglądając przebiegi w czasie zmiany. W układzie są cztery wzmacniacze w pętli (U1A/B,Q1,Q3) więc bez kompensacji układ będzie niestabilny albo na progu niestabilności. Ja bym radził U1A skonfigurować jako integrator a do Q3 dodać rezystor od strony emitera, żeby zmniejszyć wzmocnienie i poszerzyć pasmo.

Oczywiście są prostsze sposoby, są gotowe scalaki ładowarek. Nawet jak się robi DIY to można uprościć bo dokładna musi być tylko stabilizacja/pomiar napięcia. Zakładałeś prąd 1A ale jak będzie 0,8A czy 1,2A to też nie będzie źle.

LEDówki napisał:

Twoja ładowarka tylko do ok. 90%.

Czasami to zaleta. Mniejszy ładunek w akumulatorze, da większą trwałość (liczbę cykli)

Ja zrobiłem taką ładowarkę do 4 aku Li-Po 3,7 V

Aku 4x500 mAh, ładowanie prądem 100 mA.
(aku jest we wzmacniaczu słuchawkowym)
Dwa dni temu dorobiłem wskaźnik naładowania na TL 431.

Zasilam z zasilacza smartfona + przetwornica.
(mogę zasilać także z powerbank)

dragolice16 napisał:

Teraz nie wiem, czy ten układ jest na tyle stabilny, aby go użyć, czy coś warto poprawić?

Wystarczy spojrzeć na obwód z Q3 i Q1 żeby potwierdzić, że nie będzie stabilny.

Dziękuję za odpowiedzi. Z czasów szkolnych pamiętam o czymś takim jak stabilność układu (zapas fazy, zapas wzmocnienia).
Muszę wrócić do notatek, temat na tyle mnie zaciekawił, że chciałbym doprowadzić ten układ do końca.
Ma to tylko podtrzymać zasilanie urządzenia mikroprocesorowego przez jakiś czas. Pod jednym stabilizatorem będzie STM32 F7637ZI, a pod drugim ESP32, reszta to układy do transmisji RS485.
W odpowiedziach pojawiły się ciekawe zagadnienia, o które mogę się zaczepić i poszukać głębiej.

jarek_lnx napisał:

W układzie są cztery wzmacniacze w pętli (U1A/B,Q1,Q3) więc bez kompensacji układ będzie niestabilny albo na progu niestabilności. Ja bym radził U1A skonfigurować jako integrator a do Q3 dodać rezystor od strony emitera, żeby zmniejszyć wzmocnienie i poszerzyć pasmo.

Najbardziej mnie zaciekawił ten fragment. Czy można to jaśniej opisać? Pewnie wymaga to wykonania obliczeń. Bieguny zera transmitancje, projektowanie kompensatorów, jeszcze nie miałem okazji zderzyć się z tym w praktyce.

Co do gotowych ładowarek poleca ktoś jakieś konkretne układy? Będę projektował płytkę PCB i chciałbym uniknąć lutowania gotowych mniejszych na kabelki - może faktycznie to będzie lepsze rozwiązanie.

dragolice16 napisał:

Najbardziej mnie zaciekawił ten fragment. Czy można to jaśniej opisać? Pewnie wymaga to wykonania obliczeń. Bieguny zera transmitancje, projektowanie kompensatorów, jeszcze nie miałem okazji zderzyć się z tym w praktyce.

Zarówno wzmacniacz operacyjny jak i wzmacniacz tranzystorowy WE i WS ma charakterystykę członu inercyjnego czyli tego typu:

Choć częstotliwości biegunów i wzmocnienia będą różne (na chwilę obecną nie znam wszystkich) to po prostu na oko widać że nie ma szans żeby w punkcie przejścia przez 0dB było mniej niż 180° skoro mamy aż cztery układy z których każdy daje co najmniej 90° przy wysokich częstotliwościach i wzmocnienie też jest bardzo duże
Trzeba to przerobić do układu z dominującym biegunem.

Dodano po 10 [godziny] 18 [minuty]:

Tak to wygląda:

Najniżej biegun ma wzmacniacz (któremu musiałem dorzucić jakąś kompensację bo był tak niestabilny że symulacja się wieszała) i stopień z tranzystorem NPN, razem dają przesuniecie fazy 180° (margines fazy 0°) Wzmacniacz różnicowy i MOSFET mają szerokie pasmo, poniżej 100kHz ich przesunięcie fazy nie jest istotne

Po zmianach


Jakby ktoś chciał szybszego regulatora (do innego zastosowania) to zawsze można wprowadzić zero w charakterystyce wzmacniacza błędu i uzyskać 0dB na 110kHz z marginesem fazy 50°


Tylko przy takiej optymalizacji są większe szanse że niedokładne modele symulacyjne spowodują rozbieżności między symulacją i rzeczywistym układem. Rzeczywisty układ to nie symulacja zawsze trzeba zweryfikować

P.S. R4 symuluje Rw akumulatora, narysowany w innym miejscu nieco upraszcza zapis, E1 to bufor. PMV65 - wiadomo, nie nadaje się, IRF7210 to też nie jest właściwy tranzystor, choć dał by się użyć, wziąłem go celowo, jako trudny przypadek, bo ma duży ładunek bramki.

Nad tym postem postaram się posiedzieć dłuższy czas ponieważ zahacza o tematykę, którą znałem pobieżnie, a jednak fajnie byłoby to wykorzystać w praktyce.
Czyli symulator ma wgrane modele i nie trzeba tego liczyć i wygodnie jest obserwować zmiany na wykresach po zastosowaniu kompensatora.

Czyli granica stabilności układu jest w miejscu gdy 1+G(s)=0. Oblicza się K i pulsację, a zapas fazy to odległość do -180 stopni w x=0db. Odświeżam pamięć, dziękuję za poświęcony czas na pokazanie przykładów!

Swoją drogą ciekawe jakby wyglądała G(s) w tym przypadku ;p, mnoży się wszystkie człony?

W rzeczywistym układzie najczęściej sprawdza się odpowiedź skokową, bo tak jest najprościej sprawdzić na oscyloskopie. Z wykresów Bodego łatwiej wywnioskować co się w układzie dzieje. Zawartość informacji w teorii ta sama, można nawet przeliczyć jedno na drugie.

Z powodu że zmian transkonduktancji z prądem margines fazy też będzie zależał od prądu, co widać ja przykładzie jak wolno znikają drgania przy większym nastawionym prądzie

dragolice16 napisał:

Swoją drogą ciekawe jakby wyglądała G(s) w tym przypadku ;p, mnoży się wszystkie człony?

Są szeregowo, więc tak, a na wykresach logarytmicznych się dodaje.

jarek_lnx napisał:

Z powodu że zmian transkonduktancji z prądem margines fazy też będzie zależał od prądu, co widać ja przykładzie jak wolno znikają drgania przy większym nastawionym prądzie

Dziękuję za odpowiedź, jestem w trakcie obliczeń i analizowania układu, przejdę do oceny stabilności w kolejnych krokach.
Szczerze mówiąc trochę wrócił mi bakcyl na te wszystkie transmitancje, odpowiedzi skokowe, impulsowe, wykresy Bodego, Nyquista.
Póki co sporządzam notatki, mogę je tu udostępniać, może ktoś skorzysta, albo poprawi gdy wykryje błąd

jarek_lnx napisał:

Z powodu że zmian transkonduktancji z prądem margines fazy też będzie zależał od prądu, co widać ja przykładzie jak wolno znikają drgania przy większym nastawionym prądzie

Dzięki za informację, będę pamiętał projektując kolejne układy

Trochę poczytałem
Czyli biegun dominujący to taki biegun, który jest najbliżej osi jomega i jest bardziej znaczący dla układu. Uzyskuje się go przez zwiększenie stałej czasowej RC.
Czyli przesunięcie jego częstotliwości granicznej (-3dB) na mniejszą wartość - dodanie kondensatora do wzmacniacza.
Zmieniając rezystor 2k2 na 220r stała czasowa drugiego członu zmalała 10 krotnie i ten biegun został przesunięty jeszcze bardziej w lewo co uczyniło go mniej znaczącym.

Projektując układy należy także liczyć całą pętlę czy wystarczy policzyć stałe czasowe dla poszczególnych stopni?
Jak rozumiem warto mieć rozsądny zapas fazy, ale jak w 0db będzie np. 170 stopni to będzie ok?

dragolice16 napisał:

Projektując układy należy także liczyć całą pętlę czy wystarczy policzyć stałe czasowe dla poszczególnych stopni?

Jakby to liczyć na papierze to i tak trzeba by policzyć każdą stałą czasową, później wyliczyć jakie przesunięcie fazy w punkcie przecięcia 0dB da każdy biegun.

Cytat:

Jak rozumiem warto mieć rozsądny zapas fazy, ale jak w 0db będzie np. 170 stopni to będzie ok?

45° to jest rozsądny zapas fazy(zaleca się nie robić mniej), 10° nie jest, parametry wzmacniaczy zależą od prądów/napięć i te 10 może zmaleje jeszcze bardziej.

Poza tym wolno gasnąca oscylacyjna odpowiedź impulsowa nie jest dobra, bo jakieś zakłócenia mogą układ pobudzać do ciągłych oscylacji*, mogą być też problemy kiedy regulator zasilany jest z zasilacza (który też ma regulator) i zaczną wpływać na siebie wzajemnie.


*miałem taki przypadek że zasilacz laboratoryjny, fabryczny, ale chińczyk, obciążony prototypowym układem impulsowym dawał tym wyższe napięcie im większy prąd pobierałem, obciążenie wzbudzało drgania w regulatorze, który bez tego był stabilny, ale miał mały margines fazy.