Pytania dot. przetwornicy STEP-DOWN

Witam, mam kilka pytań dotyczących budowy przetwornicy STEP-DOWN, gdyż chciałbym zbudować taką do zasilania diody Luxeon III (3W) z ogniw Li-Ion (ok. 6..7.4V). Dioda pracuje przy ok. 3,7..4V @ 700mA Zaznajomiłem się z materiałami dostępnymi w sieci, używałem specjalnych kalkulatorów itd. i doszedłem do następującego wniosku:

Im wyższa częstotliwość, tym lepiej (gdyż zmniejszają się wymagania co do cewki), ale zarazem gorzej (wzrastają straty na tranzystorze MOSFET).

I teraz moje pytania:
1. Jak dobrać częstotliwość tak, by straty na tranzystorze MOSFET były jak najmniejsze, a zarazem cewka nie była wielkości cegły, a tętnienia nie przekroczyły 10..20% ? (nie chcę uszkodzić diody)
2. Jaki wybrać tranzystor ? (chodzi mi o łatwo dostępne w Polsce)

znalazłem takie:
http://www.semiconductors.com.pl/web/pliki/irlu024n.pdf
http://www.semiconductors.com.pl/web/pliki/RFP50N05L.pdf
http://www.semiconductors.com.pl/web/pliki/stp40nf03L.pdf
ale wszystkie mają dość długie czasy włączania i wyłączania.

3. Czy lepiej jest dobrać tranzystor pracujący na niższym napięciu oraz niższym progu bramki i sterować go z 3.3 V czy wybrać taki na wyższe napięcia i dołożyć przed bramką tranzystor bipolarny sterowany napięciem wejściowym ? Albo może taki na małe napięcie+tranzystor bipolarny ?
4. Czy jest sens bawienia się w przetwornicę synchroniczną ? (zastąpienie diody kolejnym MOSFETem)
5. Jak zrobić układ PWM pracujący na odpowiednio wysokiej częstotliwości i o rozdzielczości przynajmniej 6..7-bitowej ? (niestety układ PWM wbudowany w ATMEGa odpada ze względu na max częstotliwość ok. 31 kHz)

Chciałbym całość sterować mikroprocesorem (monitoring napięcia i natężenia pracy), by dopasowywać dynamicznie parametry pracy do napięcia wejściowego (napięcie na akumulatorach spada przy rozładowywaniu), temperatury diody (można wyznaczyć na podstawie prądu i napięcia) i preferencji użytkownika (przyciemnianie diody, gdy nie potrzebuję pełnej mocy).

Wiem, że zadałem dość dużo pytań, ale niestety sam nie potrafię znaleźć na nie odpowiedzi, a niestety nie mogę tego stwierdzić doświadczalnie (jestem aktualnie w Warszawie w akademiku i nie wziąłem ze sobą oscyloskopu i paru innych sprzętów), a zarazem sprawa jest dość pilna, gdyż ok. 30 czerwca wracam do domciu (a w moim mieście ciężko o jakieś bardziej wymyślne części).

Pozdrawiam i dziękuję za wszelkie wskazówki

Do tego zastosowania doskonale się nadają LM2675M-ADJ. Bez cudowania z mikroprocesorami, alpejskich kombinacji z uzyskiwaniem napięć do sterowania MOSFETem itd.
Zrobiłem na tych układach kilkadziesiąt przetwornic do Luxeonów. Zasilały od starych Luxeon 1.3W z 4 ogniw NiMH po 3 sztuki LuxeonV (łącznie 15W) z 24-40V.
LM2675M-ADJ na Alledrogo pojawia się dość często w cenie zazwyczaj w okolicach 7 PLN/szt.
Dławik - ja stosuję "szpulkowy" 100 uH 8.5x11 mm, sprzedawany na Alledrogo jako dławik 100 uH 0.4A do Willema po chyba 1.50 PLN/szt. - jego rzeczywisty prąd nasycenia, to ok. 1.9A

A na jakiej częstotliwości pracują Twoje przetwornice ?

edit:

Cofam pytanie... dopiero zauważyłem, że to gotowa przetwornica...

edit2:

W Datasheet do tego cuda widzę, że:

Wide input voltage range: 8V to 40V

i chyba dlatego odrzuciłem go z początku, bo zastanawiałem się nad nim...
No, ale dobra... jak tym teraz sterować z poziomu procka ?

edit3:

Ok... sam sobie odpowiadam... Trzeba dać na pin feedback napięcie o wartości Vout-Vref. Chyba, że się mylę...

Witam
Jak ma to działać z akumulatorów to koniecznie przetwornica synchroniczna. LM2650 działa od 4,5V do 18V 3A max i sprawność 95%, ale to dopiero początek drogi. Sterowanie z procesora wymaga dorobienie własnego wzmacniacza błędu który musi działąć już od 4,5V być szybki (przetwornica chodzi do 300kHz) i jeszcze jest sprawa z pomiarem prądu. Przetwornica zasilająca diodę LED musi chodzić jako żródło prądowe. Pomiar prądu na rezystorze na masie wymaga odpowiedniego OP. Sprawa jest do zrealizowania ale wymaga lepszych elementów (droższych).

Ja bym głównie chciał mieć możliwość bezpośrednio wpływania na poziom wypełnienia generatora PWM wbudowanego w przetwornicę, czego niestety obydwie LMki mi nie umożliwiają... Właśnie dlatego myślałem nad zbudowaniem własnej od podstaw... Generalnie to musi być sterowane mikroprocesorem, bo chcę wpływać na jasność świecenia diody, więc rozwiązanie ze stałym napięciem pracy mi nie odpowiada...

No, ale nic... kupię sobie parę różnych MOSFETów, cewek, opornik 5W o oporze odpowiadającym mniej więcej Luxeonowi i będę się bawił patrząc na oscyloskop... Może coś z tego wyjdzie... Tylko jak zmontować PWM dający mi odpowiednią częstotliwość i rozdzielczość (200..300 kHz, ok. 7..8 bitów) ?

Odpowiem hurtem:

1. Minimalne napięcie zasilania LM2675 - patrz na wykresy na stronie 7 - są bardzo pouczające

2. Sterowanie procesorem - wiele rozwiązań. Ale na pewno nie przez bezpośrednie podawanie na FB jakiegokolwiek napięcia. Możesz sterować różnicowo - podając napięcie przez rezystor.
Ale jest jeszcze inna możliwość - wykorzystanie wejścia On/!Off i sterowanie PWM z częstotliwością rzędu 100 Hz. Ale to wymaga zastosowania stosunkowo niewielkiej pojemności na wyjściu przetwornicy (całkowicie dopuszczalne).

3. Przetwornica synchroniczna? Jesli tylko układ jest dostępny i tani - oczywiście.
Sprawność przetwornicy na LM2675, uwzględniająca wszystkie straty, w tym straty na rezystorze kontroli prądu - 78%. W 22% strat mieści się ok. 10% straty na rezystorze kontroli prądu, czyli można szacować sprawność samej przetwornicy na poziomie 88% - to nie jest zły wynik.

4. Kontrola prądu:

a) rezystor od strony masy - co najmniej 3 rozwiązania:
- przesunięcie poziomu napięcia z wykorzystaniem referencyjnego źródła napięcia o dużej (pojęcie względne) stabilności (dioda Zenera, TL431, LM4041-1.2);
- przesunięcie poziomu z wykorzystaniem jako źródła napięcia spadku napięcia na przewodzącej diodzie krzemowej lub wręcz napięcia na samej diodzie LED;
- wzmacniacz operacyjny, wzmacniający spadek napięcia na rezystorze kontroli prądu;

b) rezystor od strony '+' wyjścia - co najmniej 2 rozwiązania:
- proste lustro prądowe na 2 tranzystorach PNP małej mocy i 3 rezystorach;
- wzmacniacz różnicowy.

5. "Symulowanie" przetwornicy procesorem - wyjątkowo niewdzięczny pomysł...

6. Symulowanie diody LED rezystorem - całkowity absurd. Typowe napięcie przewodzenia dla dbiałej diody LuxeonIII przy prądzie 0.7A to ok. 3.45V. Rezystor musiałby mieć wartość 3.45/0.7 = ok. 4.9 oma. Przy takim obciążeniu rezystancyjnym wiele małych przetwornic powie pass na starcie. Zdecydowanie lepiej byłoby połączyć szeregowo 5 diod prostowniczych - na przykład 1N4001. Napięcie przewodzenia podobne, rezystancja dynamiczna trochę za mała (można poprawić szeregowym rezystorem), ale znośna, charakterystyka przewodzenia - w miarę zbliżona.

Hmm... no ten wykres faktycznie musiałem pominąć przy przeglądaniu

PWM na On/Off chyba nie zda egzaminu ze względu na dość długi start tej przetwornicy (i spadek wydajności tym spowodowany). Z tym sterowaniem różnicowym prosiłbym o jakieś szczegóły, bo nie bardzo mam pomysł jak to zrealizować... Niestety studia elektroniczne dopiero zacząłem

Pomiar prądu mam zamiar zrealizować za pomocą wbudowanego w ATMEGA przetwornika ADC i rezystora 0,1 Ohm od strony masy (przy 0.7 A spadek wyniesie ok. 0.07V, co jest niewielką stratą), ewentualnie wprowadzając do procka tablicę oporów przy odpowiednich napięciach.

Pomysł robienia przetwornicy bezpośrednio na procesorze wydawał mi się możliwy do momentu, gdy zobaczyłem, że mam za małą częstotliwość PWM... Ale gdyby zrobić jakiś zewnętrzny generator, to wydaje mi się bardzo możliwe... Jedyny problem to odpowiedni MOSFET, bo o ile są takie fajne MOSFETy o szybkich czasach przełączania, odpowiednich napięciach i prądach itd., ale co z tego, jak 99% z nich jest niedostępne w Polsce ? Dlatego pytałem o jakieś sugestie co do tego...

A pomysł symulowania diody diodami wydaje mi się niezły

Nie mogę pojąć upartego pakowania procesora tam, gdzie nie jest on potrzebny a może zaszkodzić. Przypadkowe "pójście w maliny" procesora może poskutkować włączeniem na stałe klucza i przepuszczeniem przez diodę LED kilku A.

Kontrolę prądu z zupełnie wystarczającą stabilnością (lepszą niż 1 mA/K przy 0.7A) zapewnia najprymitywniejszy układ z pomiarem prądu od strony masy i przesunięciem napięcia w oparciu o spadek napięcia na tej samej diodzie LED. Regulację prądu od zera do max realizuje się łatwo dodając do układu potencjometr.

Co do symulowania za pomocą diod - ma to jedną wadę - 5-krotnie wyższy współczynnik temperaturowy.

Witam
Jak tak bardzo uparłeś się robić przetwornicę na procesorze to ATiny15 ma PWM powyżej 100kHz

Uparłem się na procesor, bo nie chcę sterowania za pomocą potencjometru. To nie ma być ustawione na stałe, tylko sterowane przez przeze mnie przyciskami. Generalnie rzecz biorąc montuję "inteligentne" oświetlenie rowerowe i trochę bez sensu by było machać potencjometrem w czasie jazdy I nie mówcie mi, że mam dziwne pomysły, bo ja o tym doskonale wiem Ja po prostu lubię eksperymentować, a zadałem te pytania głównie po to, by zasięgnąć rady ludzi, którzy wiedzą trochę więcej ode mnie i się z nimi nie zgodzić i zrobić po swojemu

Jak mi się spali LED, to trudno... będę miał nauczkę, że takie rzeczy robi się inaczej... Zresztą nie wiem czemu miałby się spalić, gdyż PWM jest niezależny od jądra procka i jak się procek zawiesi z powodu błędu programu, to PWM będzie dalej chodził z poprzednim ustawieniem. Pomiar prądu też będzie chodził niezależnie na przerwaniach - jeśli zawiesi się program, to przerwanie i tak zostanie wykonane. A przed zakłóceniami z dławika zabezpieczę całość kondensatorami.

Jeszcze się tylko zastanawiam nad wyborem tego MOSFETa... Spośród tych, które podałem, który byłby najlepszy do tego ? (przy 100 kHz). Chyba, że znacie jakiś inny, szybszy... No i czy go sterować bezpośrednio z procka, czy za pośrednictwem jakiegoś bipolarnego, żeby było wyższe napięcie ?

Jak skończę projekt, to dam znać, czy mi cokolwiek z tego wyszło i jaką toto osiągnie wydajność... O ile będzie w ogóle działało

pmichniewski wrote:

gdyż PWM jest niezależny od jądra procka i jak się procesor zawiesi z powodu błędu programu, to PWM będzie dalej chodził z poprzednim ustawieniem. Pomiar prądu też będzie chodził niezależnie na przerwaniach - jeśli zawiesi się program, to przerwanie i tak zostanie wykonane.

No niezupełnie - ponieważ w wyniku błędu mogą zostać nadpisane rejestry odpowiedzialne za przerwania i tryby PWM... Warto włączyć WatchDog'a...

Oczywiście, że Watchdog będzie włączony...

Wykorzystaj komparator - z odpowiednim dzielnikiem w prosty sposób porównasz ustawione napięcia... Pamiętaj tylko, że czas przełączania komparatora jest dość długi...

MOSFET-a przy takiej częstotliwości powinieneś sterować za pomocą driver'a o dosyć dużej wydajności prądowej - by przeładować w krótkim czasie pojemność wejściową bramki MOSFET-a. Może to być tranzystor bipolarny

Mam tu taki schemacik dość orginalny. Jest to źródło prądowe bez kondesatorów na wyjściu, przy większych kondesatorach filtrujących padały diody. Takim układem steruję diodą laserową więc LED też będzie działać . VCC jest napięciem wyższym od zasilania uP więc na T5 jest układ zabezpieczający procesor (+uP jest napięciem zasilającym procesor). Przy tych wartościach rezystorów we wzmacniaczu różnicowym mamy 5V/1A. Dławik DL2 jest dla zmniejszenia szumu i szpilek prądowych. T4 możesz wybrać dowolny na prąd min.3A z kanałem N w obudowie SO8 z TME. Do wyj. ADC można podłączyć komparator który przez przerzutnik będzie w razie przekroczenia Imax blokował PWM.

max_gg wrote:

Wykorzystaj komparator - z odpowiednim dzielnikiem w prosty sposób porównasz ustawione napięcia... Pamiętaj tylko, że czas przełączania komparatora jest dość długi...

Planuję użyć ADC w trybie różnicowym ze wzmocnieniem 20x. Ujemne wejście dam na masę, a dodatnie zaraz za rezystorem 0,1 Ohm. Myślę, że to wystarczy. Pomiarów będę dokonywał w trybie ciągłym z przerwaniami po każdym pomiarze, co powinno wystarczyć...

Ok tak będzie prościej. Dołączam nowy schemat, jeśli przetwornica ma chodzić z tego samego napięcia co proc. to T1 jest nie potrzebny ale wtedy potrzebny jest rezystor podciągający do VCC. Nie zapomnij o dokładnym filtrowaniu napięcia dla procesora (część ADC). Ten układ będzie dzałać pod warunkiem że VCC nie będzie się zmienać gwałtownie.
------------------------------
w poprzednim schemacie jest błąd. Rezystor między bazą a kolektorem T1 jest niepotrzebny. A samo wejście PWM podciągnąć rezystorem do +uP.

Ale czy tam napewno ma być PMOS ?

NMOS też może być ale bramka będzie musiała dostać wyższe napięcie od wejściowego a PMOS wystarczy jak bramkę będziesz przełączał między VCC a GND. Pierwszy schemat korzysta z NMOS ale jest bardziej skomplikowany.