Regulator przełączania buck oparty na ATtiny84a - proszę o krytykę!

Oto próba zaprojektowania regulatora buck na podstawie ATtiny84a jako kontrolera PWM. Powinien przejść z akumulatora 4S LiPo (12,8 - 16,8 wolta) do rozsądnie regulowanego wyjścia 12 V, używanego do napędzania serwosilników, które akceptują wejścia 10-14 V. 4S LiPo jest nieco za wysoki, a 3S LiPo jest nieco za niski, zwłaszcza, że ​​chcę nominalny moment 12V. Konstrukcja ma na celu dostarczenie najgorszego przypadku 40 amperów (zgaszenie większości silników).

Nie mogę kupić żadnego z nich, ponieważ gdy tylko opuszczę zakres 10-15A, wszystkie przetworniki DC DC są przeznaczone do użytku przemysłowego i mają ciężkie obudowy, są naprawdę drogie, wymagają zasilania 24 V lub innych takich niezgodności z moimi obecnymi wymaganiami.

Chodzi o to, aby użyć wbudowanego komparatora analogowego w AVR do wykrywania powyżej / poniżej napięcia docelowego i generowania impulsu o określonym czasie trwania po wykryciu zaniżenia.

Zbudowałbym to na płytce ściennej z drutami o przekroju 20 przylutowanymi wzdłuż przewodów komponentów dla ścieżek dużej mocy.

Wiem o utrzymywaniu „węzła przełączającego” i ścieżki sprzężenia zwrotnego możliwie jak najkrótszej, gdy próbuję zrobić układ. Zmielę też wszystkie ślady, które nie są używane, aby stworzyć płaszczyznę naziemną biednego człowieka.

Próbowałem wybrać dławik, w którym prąd nasycenia odpowiada mojemu maksymalnemu prądowi wyjściowemu, i cewkę indukcyjną, w której prąd nasycenia jest wyższy niż moja maksymalna moc wyjściowa.

Częstotliwość narożna 94 uF i 3,3 uH wynosi około 9 kHz i wyobrażam sobie, że AVR będzie działał znacznie szybciej. Myślę, że puls 5 us za każdym razem, gdy zostanie wykryte zbyt niskie napięcie, a potem po prostu wrócę, aby poszukać ponownie niskiego napięcia. Daje to maksymalną częstotliwość (przy prawie 100% cyklu pracy) 200 kHz.

A oto schemat: https://watte.net/switch-converter.png

Oprócz obaw poruszonych w komentarzach (nieprawidłowa polaryzacja P-FET, brak diody catch / MOSFET), mam pewne obawy na pierwszy rzut oka:

• Mikrokontroler nie będzie w stanie bardzo mocno napędzać bramki Q1 (zwykle piny GPIO mogą uzyskać tylko kilka miliamperów), więc twoje włączanie i wyłączanie będzie bardzo wolne. To ograniczy, jak dobrze będzie się zachowywał twój przełącznik wysokiego napięcia.

• Nie masz rezystora typu bramka-źródło w Q1, więc jesteś zależny wyłącznie od GPIO utrzymującego lub wyłączającego MOSFET. Jeśli pin GPIO przejdzie w wysoką impedancję, MOSFET może się włączyć, jeśli brama odbierze ładunek z otoczenia.

• Jeśli twój rezystor bramkowy P 70R jest trwale włączony (jeśli Q1 jest nasycony), zacznie się palić

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

  co jest szaloną wysoką mocą, ponieważ D będzie wysokie (wejście jest zbliżone do wyjścia). Również 225mA, które przepłyną, zostanie również spalone w Q1, co nie jest zdrowe, ponieważ jest to stosunkowo małe urządzenie.

  (Potrzebujesz $V_{GS}$ około 4V, aby pobierać ~ 400mA do Q1, i potrzebujesz $V_{GS}$ -7,5 V dla 40 A w Q4).

  • Twoja czysto rezystancyjna sieć zwrotna to zły pomysł. Naprawdę potrzebujesz kompensacji i / lub filtrowania. Twój komparator będzie hiperszybki i może reagować na szum przełączania, podbicie, tętnienie itp. - Ponieważ wydaje się, że nie używasz wzmacniacza błędów z kompensacją do sterowania wzmocnieniem i fazą, będziesz potrzebować trochę ograniczenia przez R5 (i trochę szczęścia).

  • W twoim zespole napędowym nie ma żadnego monitorowania prądu ani zabezpieczenia nadprądowego.

  • W twoim zespole napędowym nie masz żadnej ochrony przed przepięciem.

  • W twoim zespole napędowym nie masz żadnej ochrony przed przegrzaniem.

  • Nie masz wejściowego zabezpieczenia przed odwrotną polaryzacją i bezpiecznika wejściowego w swoim zespole napędowym. Wielkie nie, nie, szczególnie gdy źródło jest oparte na baterii (duża zdolność pozyskiwania zwarć).

Jest to prostszy projekt, jeśli korzystasz z gotowego analogowego synchronicznego kontrolera buck. Nie rozumiem, dlaczego chcesz do tego użyć ATtiny.

To powiedziawszy, nie jest to żaden prosty projekt. Twój schemat jest w dużej mierze niekompletny i brakuje w nim podstawowej ochrony bezpieczeństwa, jakiej potrzebuje każdy zasilacz (zwłaszcza taki, który działa przy dużych poziomach mocy, jak twój).

Pomyśl o swoich wymaganiach, oblicz wszystkie straty, zaprojektuj niektóre zabezpieczenia i wróć z rev. 2)

Projektujesz regulator Buck dla:

• Vin od 12,8 do 16,8 V z akumulatora LiPo o dużej pojemności.
• Vout przy 12V @ 40 Amperów.
• Technika kontroli jest stała w czasie i zmienna w czasie wyłączenia.

Nawet po dobrej odpowiedzi Madmangurumana należy zwrócić uwagę na dodatkowe rzeczy. Główną trudnością związaną z tym projektem będzie przetwarzany wysoki prąd. Zwrócę uwagę głównie na komponenty przetwarzania mocy, modulator mocy i filtrowanie.

• Power FET to kanał P. IRF4905: Rdson=0.02@25C, 0,034@150C; Ciss = 3500pF. Straty przewodzenia będą bardzo wysokie. Dla Vin = 16,8 V, Vo = 12 V, Iout = 40 A, Pond =$\text{D } \text{Iout}^2 \text{Rds}$= (.7) (1600) (0,034) = 38 W. Po rozważeniu odporności termicznej pakietu TO220 i skrzynki na zlew, złącze będzie wymagało radiatora o 2C / W, aby osiągnąć złącze 150C przy temperaturze otoczenia 25C. O wiele lepiej jest używać tranzystorów FET z kanałem N w sytuacjach wysokiego prądu. W przeciwnym razie równoważny kanał N FET będzie miał 1/3 Rdson jako kanał P FET.

• Napęd bramy. W tym projekcie nie ma odpowiedniego napędu bramy. Zwłaszcza na wyłączenie. Przy 70 omach wyłączających FET z Ciss 3500pF, czas wyłączenia wyniesie co najmniej 500nSec. Będzie to oznaczać ogromną stratę przełączania w FET, prawdopodobnie co najmniej 15 W dodatkowej straty w FET. Ta konstrukcja musi mieć znacznie lepszy napęd bramy. Ponieważ napęd bramy i tak należy poprawić; bardzo korzystne byłoby przejście na FET z przełączaniem kanału N i użycie pasującego prostownika synchronicznego z układem scalonym napędu bramkowego (np. IR2104 lub LM5104 lub innym podobnym).

• Kontrola histeretyczna. Nie ma problemu ze stałą kontrolą czasu, zmienną regulacją czasu wyłączenia. Kontrola histeretyczna może (jeśli zachowasz ostrożność) działać dobrze i mieć doskonałą przejściową odpowiedź. Problem polega jednak na użyciu komparatora w uC. Musi być dostęp do komparatora, aby zapewnić dodatkową histerezę. Tak więc należy dodać komparator z histerezą i czasem reakcji poniżej 500 nSec. Chciałbyś dodać histerezę około 100mV.

• Filtr wyjściowy. Dobry induktor, L1. Przy prądzie tętnienia 40 A plus będzie na granicy nasycenia. Lepiej byłoby mieć wyższą część prądową, ale nie jest to poważny problem. Wygląda na to, że kondensatory wyjściowe C1 i C2 są ceramiczne, co jest dobrym wyborem, powinno mieć całkowitą ESR mniejszą niż 20 mOhm dla napięcia tętnienia ~ 100 mV. Interesujące jest to, że rezystancja obciążenia przy maksymalnym obciążeniu (~ 0,3 oma) jest bardzo zbliżona do impedancji charakterystycznej filtra wyjściowego (~ 0,2 oma). To szczęście, ponieważ oznacza to, że filtr jest dobrze tłumiony, więcej o tym później. Jeśli napędzasz tylko silniki z tym zasilaniem, nie powinno być potrzeby stosowania filtra drugiego stopnia (L2, C3).

Niektóre funkcje zostały pominięte:

• Obecny limit musi istnieć dla własnego bezpieczeństwa, jeśli nic innego. Przy ilości obsługiwanego prądu niespodzianki mogą się spieszyć. Nie żyłeś, dopóki górna część wyłącznika nie wybuchnie od dołu i nie odleci, by utknąć w suficie. W każdym razie jakiś rodzaj prądu, nawet jeśli to tylko bezpiecznik.

• Filtr wejściowy. Reszta systemu nie jest jasna, ale wkład tej podaży będzie źródłem ogromnych ilości EMI. Zwykle byłby to duży problem.

Problem stanowi również impedancja wejściowa. Przełączające regulatory mają ujemną impedancję wejściową i mogą tworzyć dobre oscylatory (niestety). Impedancja źródła LiPo i sieci dystrybucyjnej musi być mniejsza niż 1/2 impedancji wejściowej zasilania, aby zapobiec oscylacji. Myślę, że akumulatory LiPo o dużej pojemności mają impedancję około 20 mOhm (chociaż rośnie z wiekiem). Impedancja wejściowa przy pełnym obciążeniu (40A) tego zasilacza z jego prądowym filtrem wyjściowym (L1 z C1 i C2) ma minimum około 100mOhm (przy 9 kHz), co wygląda dobrze, jeśli impedancja sieci dystrybucji źródła jest utrzymywana na niskim poziomie. Pamiętaj jednak, że tłumienie filtra wyjściowego, które wyglądało tak dobrze przy obciążeniu 40A, cóż, jeśli obciążenie spada do 10A, tłumienie nie jest tak dobre. Oznacza to, że przy obciążeniu 10 A minimalna impedancja wejściowa spada do około 50 mOhm (przy 9 KHz), co sprawiłoby, że dystrybucja źródła byłaby naprawdę ścisła i problematyczna. Co za paradoks, ponieważ jest to problem niewielkiego obciążenia spowodowany przez zmienne tłumienie filtra wyjściowego.