ATtiny84a पर आधारित बक स्विचिंग रेगुलेटर - समालोचना करें!

यहाँ PWM नियंत्रक के रूप में ATtiny84a के आधार पर एक हिरन नियामक को डिजाइन करने का प्रयास किया गया है। इसे 4S LiPo बैटरी (12.8 - 16.8 वोल्ट) से एक यथोचित विनियमित 12V आउटपुट में जाना चाहिए, इसका उपयोग सर्वो मोटर्स को चलाने के लिए किया जाता है जो 10-14V इनपुट स्वीकार करते हैं। 4S LiPo थोड़ा बहुत अधिक है, और 3S LiPo थोड़ा बहुत कम है, खासकर जब मैं रेटेड 12V टॉर्क चाहता हूं। इस डिजाइन का उद्देश्य 40 एमपीएस को सबसे खराब स्थिति में पहुंचाना है।

मैं इनमें से एक नहीं खरीद सकता, क्योंकि जैसे ही मैं 10-15A रेंज छोड़ता हूं, सभी डीसी डीसी कन्वर्टर्स को औद्योगिक उपयोग के लिए डिज़ाइन किया गया है और भारी मामले हैं, वास्तव में महंगे हैं, 24V इनपुट की आवश्यकता है, या ऐसे अन्य गलत मिलान मेरी वर्तमान आवश्यकताओं के साथ।

लक्ष्य वोल्टेज से अधिक / नीचे का पता लगाने के लिए AVR में अंतर्निहित एनालॉग तुलनित्र का उपयोग करना है, और नीचे का पता चलने पर एक निश्चित अवधि की पल्स उत्पन्न करना है।

मैं इसे 20 गेज के तारों के साथ ब्रेडबोर्ड पर बनाऊंगा, जो उच्च शक्ति वाले रास्तों के घटक की ओर जाता है।

मैं "स्विचिंग नोड" और प्रतिक्रिया पथ को यथासंभव कम रखने के बारे में जानता हूं, जब लेआउट करने की कोशिश कर रहा हो। मैं सभी ब्रेडबोर्ड के निशान भी लगाऊंगा, जिनका उपयोग नहीं किया जाता है, एक गरीब आदमी के जमीन के तल के लिए।

मैंने एक चोक चुनने की कोशिश की है जहां संतृप्ति वर्तमान मेरे अधिकतम आउटपुट वर्तमान से मेल खाता है, और एक हिरन प्रारंभ करनेवाला है जहां संतृप्ति वर्तमान अधिकतम उत्पादन से अधिक है।

94 यूएफ और 3.3 यूएच की कोने की आवृत्ति लगभग 9 kHz है, और मुझे लगता है कि AVR इससे कहीं अधिक तेजी से चलेगा। मैं सोच रहा हूँ कि हर बार एक 5 अंडर पल्स वोल्टेज के बारे में पता चलता है, और फिर दोबारा अंडर-वोल्टेज की तलाश में वापस जाता हूँ। यह 200 kHz की अधिकतम आवृत्ति (100% शुल्क चक्र के करीब) देता है।

और यहाँ योजनाबद्ध है: ATTiny84a पर आधारित बक कन्वर्टर को स्विच करना https://watte.net/switch-converter.png

schematics switch-mode-power-supply buck

— जॉन वाटे
स्रोत

PFET उल्टा है, और आपका डायोड कहाँ है ???

— डेव ट्वीड

सर्किट पूरा होने का डायोड एक ही जगह पर है मेरा IC de-युग्मन डायोड: अभी तक वहाँ नहीं है क्योंकि मैं उन्हें जोड़ना भूल गया था :-)

— जॉन Watte

और, हाँ, पी-भ्रूण उल्टा है, जैसा कि आपने कृपया नोट किया है। लेकिन, अगर मैं उन चीजों को ठीक करता हूं, और यह सर्किट 40A पर "बस काम करता है", तो मुझे आश्चर्य होगा - मुझे कुछ भूल गया है। इसके अलावा, मैंने कैपेसिटर (ईएसआर के लिए) को अभी तक निर्दिष्ट नहीं किया है। ऊपर से शुरू करना: क्या निश्चित समय पर, अलग-अलग समय के दृष्टिकोण से काम ठीक होगा? क्या प्रेरक वास्तव में बहुत बड़े हैं? क्या दूसरा एलसी फिल्टर मेरे लिए कुछ भी करेगा, या क्या यह बेकार है?

— जॉन वाट

और एवीआर के लिए एनालॉग तुलनित्र के लिए इनपुट वोल्टेज बहुत अधिक है। जो अगला सवाल सामने लाता है: क्या यहां वोल्टेज प्रतिक्रिया के लिए एक अवरोधक सीढ़ी का उपयोग करना उचित है? अन्य चीजें गायब हैं: ओवरक्रैकिंग सेंसिंग / प्रोटेक्शन, ओवरवर्टेंस सेंसिंग / प्रोटेक्शन, रिवर्स पॉवर प्रोटेक्शन, शॉर्ट सर्किट डिटेक्शन / प्रोटेक्शन। लेकिन एक समय में एक बात। शायद मुझे इस सवाल को 8 सवालों में तोड़ देना चाहिए ;-)

— जॉन वाट

श्रृंखला PFET का स्विच-ऑफ बहुत बुरा नहीं होगा?

— राउटर वैन Ooijen

जवाबों:

टिप्पणियों में लाई गई चिंताओं (गलत पी-एफईटी ध्रुवीयता, नो कैच डायोड / एमओएसएफईटी) को जोड़ने के लिए, मेरे पास कुछ त्वरित-त्वरित चिंताएं हैं:

माइक्रोकंट्रोलर Q1 के गेट को बहुत मुश्किल से ड्राइव करने में सक्षम नहीं होगा (आमतौर पर GPIO पिन केवल कुछ मिलीमीटर को स्रोत कर सकते हैं) इसलिए आपका टर्न-ऑन और टर्न-ऑफ बहुत धीमा होगा। यह सीमित करेगा कि आपका उच्च-पक्ष स्विच कितना अच्छा व्यवहार करेगा।
आपके पास Q1 पर गेट-टू-सोर्स रोकनेवाला नहीं है, इसलिए आप केवल MOSFET को चालू या बंद रखने वाले GPIO पर निर्भर हैं। यदि GPIO पिन उच्च प्रतिबाधा जाता है, तो MOSFET स्वयं को चालू कर सकता है यदि गेट पर्यावरण से चार्ज लेता है।
यदि आपका 70R पी-चैनल गेट रोकनेवाला ठोस रूप से है (यदि Q1 संतृप्त है), तो यह जलने वाला है

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

डी उच्च शक्ति है जो डी उच्च होने जा रहा है (इनपुट आउटपुट के करीब है)। इसके अलावा, 225mA या कि प्रवाह होगा Q1 में भी जला दिया जाएगा, जो स्वस्थ नहीं है क्योंकि यह अपेक्षाकृत छोटा उपकरण है।

(आप की जरूरत है $V_{GS}$ Q1 के माध्यम से ~ 400mA आकर्षित करने के लिए लगभग 4V, और आपको ज़रूरत है $V_{GS}$ -7.5 V के लिए Q4 में 40A)।
- आपका विशुद्ध रूप से प्रतिरोधक प्रतिक्रिया नेटवर्क एक बुरा विचार है। आपको वास्तव में कुछ मुआवजे और / या फ़िल्टरिंग की आवश्यकता है। आपका तुलनित्र हाइपर-फास्ट होगा और शोर, पिकअप, रिपल आदि को स्विच करने पर प्रतिक्रिया दे सकता है - चूंकि आप लाभ और चरण को नियंत्रित करने के लिए मुआवजे के साथ त्रुटि एम्पलीफायर का उपयोग नहीं करते हैं, आपको कुछ टोपी की आवश्यकता होगी आर 5 के पार (और कुछ किस्मत)।
- आपके पास अपनी पावर ट्रेन में कोई वर्तमान निगरानी या अधिक-वर्तमान सुरक्षा नहीं है।
- आपकी पावर ट्रेन में किसी भी तरह का ओवर वोल्टेज संरक्षण नहीं है।
- आपके पास अपनी पावर ट्रेन में कोई भी अधिक तापमान सुरक्षा नहीं है।
- आपके पास इनपुट रिवर्स-पोलरिटी प्रोटेक्शन और आपके पावर ट्रेन में इनपुट फ्यूज नहीं है। बड़ा नहीं-नहीं, खासकर जब स्रोत बैटरी-आधारित है (बड़ी शॉर्ट-सर्किट सोर्सिंग क्षमता)।

यह एक सरल परियोजना है यदि आप एक ऑफ-द-शेल्फ एनालॉग सिंक्रोनस बक कंट्रोलर का उपयोग करते हैं। मुझे समझ में नहीं आ रहा है कि आप इसके लिए ATtiny का उपयोग क्यों करना चाहते हैं।

यह कहा जा रहा है, यह किसी भी खिंचाव से एक सरल परियोजना नहीं है। आपका योजनाबद्ध काफी हद तक अधूरा है और बुनियादी सुरक्षा संरक्षण का अभाव है जो किसी भी बिजली की आपूर्ति (विशेष रूप से आपके जैसे उच्च शक्ति के स्तर पर चलने वाले) की आवश्यकता होगी।

अपनी आवश्यकताओं के बारे में सोचें, सभी नुकसानों की गणना करें , कुछ सुरक्षा में डिजाइन करें और फिर से वापस आएं। 2।

— एडम लॉरेंस
स्रोत

मैं आपको अपनी प्रशंसक सूची में शामिल करूंगा। सर कृपया आप इस पर भी नज़र डाल सकते हैं। ऐसा लगता है कि आपको एसएमपीएस डिजाइन करने का कुछ अनुभव है। Electronics.stackexchange.com/questions/51325/… और यहाँ भी ओपी उस चिप TL494 का उपयोग कर सकता है, क्योंकि यह दो त्रुटि एम्पलीफायर प्रदान करता है जो इस मामले के लिए आदर्श है।

— स्टैंडर्ड सैंडुन

मैं एक त्रुटि amp को नियंत्रित करने के लाभ को समझता हूं ... लेकिन चरण? किस चरण पर नियंत्रण की आवश्यकता होगी?

— akohlsmith

चरण मार्जिन स्थिरता विश्लेषण का सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा है। यदि आपके पास 180 डिग्री चरण परिवर्तन के साथ नकारात्मक प्रतिक्रिया है, तो आपकी नकारात्मक प्रतिक्रिया सकारात्मक प्रतिक्रिया बन जाती है और आपकी बिजली की आपूर्ति एक थरथरानवाला बन जाती है।

— एडम लॉरेंस

टिप्पणियों के लिए धन्यवाद! मैंने पहले ही ऊपर टिप्पणी में गायब के रूप में सुरक्षा टुकड़ों को नोट किया। चरण संवेदनशीलता महत्वपूर्ण है, और मुझे वास्तव में यकीन नहीं है कि एवीआर एनालॉग तुलनित्र इसके लिए तैयार है। यह "त्रुटि एम्पलीफायर" के रूप में काम करता है और मुझे नहीं पता कि उस का बैंडविड्थ लाभ क्या है। 480W को विनियमित करने के लिए 3W जलाना इतना बुरा नहीं है। यह चालक आईसी की तुलना में घटकों को बचाता है। और अगर मैं ड्राइवर जाता हूं, तो मैं सभी तरह से जा सकता हूं और स्विच के लिए एक उच्च-पक्ष एन-चैनल का उपयोग कर सकता हूं।

— जॉन वाट

यदि कोई अन्य व्यक्ति इस प्रश्न को देखता है, तो मैं आपको कुछ समय बचा सकता हूं: मैंने बक स्विचिंग पावर सप्लाई डिज़ाइन के बारे में अधिक सीखा है क्योंकि मैंने इसे पोस्ट किया है - आंशिक रूप से इस महान जवाब के कारण, और आंशिक रूप से चीजों की कोशिश करके, असफलता को मापने और दोहराते हुए। मैंने सीखा है कि चार्ज पंपों के लिए समर्पित कंट्रोल सर्किट और समर्पित MOSFET ड्राइवरों और सिंक्रोनस रेक्टिफिकेशन और हाई-साइड एन-चैनल स्विच का उपयोग करना बेहतर है। इन सर्किटों के मौजूद होने का एक कारण है, और यह है! इसके अलावा, यहां तक कि टांका लगाने वाले अतिरिक्त तारों के साथ FR4 ब्रेडबोर्ड विशेष रूप से महान नहीं है; एक उचित 2 ऑउंस पीसीबी बेहतर है।

— जॉन विट

आप के लिए एक बक नियामक डिजाइन कर रहे हैं:

उच्च क्षमता वाली LiPo बैटरी से 12.8 से 16.8 वोल्ट का विन।
12 वी @ 40 एम्प्स का वोट।
नियंत्रण तकनीक समय पर निरंतर होती है, और समय के साथ परिवर्तनशील होती है।

मदमंगुरुमन द्वारा अच्छे उत्तर के बाद भी, अतिरिक्त चीजें हैं जिन्हें नोट किया जाना चाहिए। इस डिजाइन के साथ मुख्य कठिनाई उच्च वर्तमान प्रक्रिया होगी। मैं मुख्य रूप से पावर प्रोसेसिंग घटकों, पावर मॉड्यूलेटर और फ़िल्टरिंग पर ध्यान दूंगा।

पावर एफईटी पी चैनल है। IRF4905: Rdson=0.02@25C, 0.034@150C; CISS = 3500pF। चालन हानि बहुत अधिक होगी। विन = 16.8 वी के लिए, वीओ = 12 वी, आईओटी = 40 ए, पीकोंड = $\text{D } \text{Iout}^2 \text{Rds}$ = (-7) (1600) (0.034) = 38 डब्ल्यू। TO220 पैकेज के थर्मल प्रतिरोध पर विचार करने और जंक्शन को डूबने के मामले के बाद, 2C / W के साथ एक हीट सिंक को 25C के परिवेश अस्थायी के साथ 150C जंक्शन को पूरा करने की आवश्यकता होगी। उच्च वर्तमान स्थितियों के लिए एन चैनल एफईटी का उपयोग करना बेहतर है। एक अन्यथा समकक्ष एन चैनल एफईटी में पी चैनल एफईटी के रूप में 1/3 द रेंडर होगा।
गेट ड्राइव। इस डिजाइन में पर्याप्त गेट ड्राइव नहीं है। खासतौर पर टर्न ऑफ के लिए। 70 ओम के साथ 3500pF के Ciss के साथ FET को बंद करने के साथ, कम से कम 500nSec का समय होगा। इसका मतलब होगा FET में भारी स्विचिंग लॉस, FET में कम से कम 15W अतिरिक्त नुकसान। इस डिज़ाइन में बहुत बेहतर गेट ड्राइव है। चूंकि गेट ड्राइव को वैसे भी सुधारने की आवश्यकता है; यह एक एन चैनल स्विचिंग FET में बदलने के लिए बहुत फायदेमंद होगा, और गेट ड्राइव IC (जैसे IR2104 या LM5104 या कुछ इस तरह) के साथ एक मिलान तुल्यकालिक रेक्टिफायर का उपयोग करें।
हिस्टेरेटिक कंट्रोल। समय पर निरंतर, चर बंद समय नियंत्रण के साथ कोई समस्या नहीं है। हिस्टेरेटिक नियंत्रण (यदि आप सावधान हैं) अच्छी तरह से काम कर सकते हैं, और उत्कृष्ट क्षणिक प्रतिक्रिया है। लेकिन, यहाँ समस्या यूसी में तुलनित्र का उपयोग कर रही है। जोड़ा हिस्टैरिसीस प्रदान करने के लिए तुलनित्र तक पहुंच की आवश्यकता होती है। तो, हिस्टैरिसीस के साथ एक तुलनित्र, और 500nec से कम प्रतिक्रिया समय के साथ जोड़ा जाना चाहिए। आप लगभग 100 मीटर की हिस्टैरिसीस जोड़ना चाहेंगे।
आउटपुट फ़िल्टर। अच्छा प्रारंभ करनेवाला, L1। 40A प्लस तरंग वर्तमान में यह संतृप्ति के कगार पर होगा। बेहतर होगा कि आप करंट का अधिक हिस्सा लें, लेकिन यह कोई बड़ी चिंता नहीं है। ऐसा लगता है कि आउटपुट कैपेसिटर C1 और C2 सिरेमिक हैं, जो एक अच्छा विकल्प है, एक रिपल वोल्टेज ~ 100mV के लिए 20 mOhms से कम का कुल ESR होना चाहिए। यह दिलचस्प है, कि अधिकतम लोड (~ 0.3 ओम) पर लोड प्रतिरोध आउटपुट फिल्टर (~ 0.2 ओम) की विशेषता प्रतिबाधा के बहुत करीब है। यह भाग्यशाली है, क्योंकि इसका मतलब है कि फिल्टर अच्छी तरह से नम है, इस बारे में बाद में अधिक। यदि आप केवल इस आपूर्ति के साथ मोटर चला रहे हैं तो दूसरे चरण के फिल्टर (L2, C3) की कोई आवश्यकता नहीं होनी चाहिए।

कुछ कार्य बाकी हैं जिन्हें करने की आवश्यकता है:

वर्तमान सीमा, अपनी सुरक्षा के लिए एक होने की जरूरत है, अगर कुछ और नहीं। वर्तमान की मात्रा को नियंत्रित करने के साथ, आश्चर्य जल्दबाजी में आ सकता है। आप तब तक जीवित नहीं रहे जब तक कि पावर स्विच का शीर्ष नीचे से अलग न हो जाए और छत से चिपक कर उड़ न जाए। वैसे भी, कुछ प्रकार की वर्तमान सीमा, भले ही यह सिर्फ एक फ्यूज हो।
इनपुट फ़िल्टर यह बाकी प्रणाली के बारे में स्पष्ट नहीं है, लेकिन इस आपूर्ति का इनपुट भारी मात्रा में ईएमआई का स्रोत होगा। आम तौर पर यह एक बड़ी समस्या होगी।

इनपुट प्रतिबाधा भी यहाँ एक चिंता का विषय है। स्विचिंग नियामकों में नकारात्मक इनपुट प्रतिबाधा है, और अच्छे ऑसिलेटर (दुर्भाग्य से) बना सकते हैं। LiPo और वितरण नेटवर्क के स्रोत प्रतिबाधा को 1/2 से कम होना चाहिए, ताकि आपूर्ति में इनपुट बाधा उत्पन्न हो सके। मुझे लगता है कि उच्च क्षमता वाली LiPo बैटरी में लगभग 20 mOhms (हालांकि यह उम्र के साथ बढ़ता है) का प्रतिबाधा है। इस आपूर्ति के पूर्ण भार (40A) पर इनपुट प्रतिबाधा इसके साथ वर्तमान आउटपुट फ़िल्टर (L1 C1 और C2 के साथ) की न्यूनतम सीमा लगभग 100mOhms (9KHz पर) है, जो कि अच्छा लगता है अगर स्रोत वितरण नेटवर्क कम रखा जाता है। लेकिन, याद रखें कि आउटपुट फिल्टर भिगोना जो कि 40A लोड पर बहुत अच्छा लगता था, अच्छी तरह से अगर लोड 10A से कम हो जाता है तो भीगना इतना अच्छा नहीं है। इसका मतलब है कि 10A के लोड पर इनपुट प्रतिबाधा न्यूनतम बूँदें लगभग 50 mhhms (9KHz पर), जो स्रोत वितरण को वास्तव में तंग और समस्याग्रस्त बना देगा। क्या एक विरोधाभास है, इसके लिए चर आउटपुट फिल्टर भिगोना के कारण एक हल्के लोड की समस्या है।

— gsills
स्रोत

यह भी एक महान जवाब है, और इस क्षेत्र के बारे में अधिक जानने के लिए मुझे जिस तरह की प्रतिक्रिया की तलाश थी। जैसा कि मैंने अपनी टिप्पणियों में ध्यान दिया है, बहुत कुछ बचा हुआ था, जिसमें ओवरक्रंट और ओवरहीटिंग संरक्षण शामिल थे। स्विचिंग ट्रांजिस्टर में गर्मी का नुकसान वास्तव में बुरा लग रहा है, और मैं शायद एन-चैनल के साथ जाने के लिए अच्छा करूंगा - या, इससे भी बेहतर, समानांतर एन-चैनल - उपकरण। यह दिलचस्प है कि आपको IR2104 का उल्लेख करना चाहिए - मेरे पास वास्तव में बिन में एक युगल है। मैंने हमेशा इसे "एच ब्रिज ड्राइवर" के रूप में सोचा है लेकिन आप सही हैं - यह एक तुल्यकालिक रेक्टिफायर ड्राइवर भी है।

— जॉन वाट

Btw: IR2104 के साथ, क्या मुझे एक Schottky डायोड की आवश्यकता है, या क्या कोई फास्ट-रिकवरी डायोड काफी अच्छा है?

— जॉन वाट ने 5

बूटस्ट्रैप डायोड के लिए, एक तेजी से रिकवरी प्रकार ठीक होना चाहिए।

— gsills