Buckomvandlare, 1..20V/40A

Berätta om dina pågående projekt.
Användarvisningsbild
AndersG
EF Sponsor
Inlägg: 6157
Blev medlem: 25 februari 2008, 17:10:58
Ort: Mariehamn
Kontakt:

Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av AndersG »

OK. Skall bli en omvandlare som tar ned spänningen från en ganska maffig 24V 1200W nätdel. Skall användas för att stresstesta bil/båtelprylar.

Bygger den diskret för att kunna utnyttja prylar som finns på lager, typ de stora fettarna.
Schema.jpg
Schema. Kommentera gärna. en 555a genererar klocka på 160kHz, en andra 555a genererar en synkad ramp. Klockan sätter RS-vippan och då rampspänningen passerar referensspänningen så resettar komparatorn vippan. Referensspänningen genereras som differensen mellan den interna referensen om 5,1V (skall kanske ha ngt bättre än en zenerdiod i framtiden) och utspänningen, spänningsdelad.

Utströmmen mäts med en LTC6101 och visas tillsammans med spänningen på ett separat instrument (ej i schemat). Utsignalen från LTC6101 är en likspänning proportionell mot strömmen. En andra komparator jämför dena mot en ställbar referens så att man kan ställa in överströmsskydd. Denna sista bit är ej implementerad ännu.
Buck1.JPG
Labbruskan. Konstlasten th byggde jag eg för audiobruk.
Buck2.JPG
Detalj av samma labbruska, strömproben som mäter strömen genom schottkydioden syns tydligt. Strömtransformatorn som sitter på kabeln används inte. Spolen syns nere i hörnet, den är lindad med vanlig 2,5 kvadrat på en toroid från en slaktad datornätdel.
waveforms.jpg
Vågformer. Klockan överst, i mitten rampen och nederst styrsignalen till fettarna.
Du har inte behörighet att öppna de filer som bifogats till detta inlägg.
Användarvisningsbild
kimmen
Inlägg: 2034
Blev medlem: 25 augusti 2007, 16:53:51
Ort: Stockholm (Kista)

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av kimmen »

Kul bygge! Och att du valt att bygga en pulsbreddsmodulator med 555:or, CMOS-grindar, opamp och komparator i stället för en färdig PWM-krets! 8)

Är det okej i ditt bygge att det blir en undre gräns för duty cycle? Med tanke på att det verkar vara en fördröjning mellan att rampen börjar stiga och slutet av resetpulsen blir det väl också så att duty cycle gör ett ganska stort hopp när inspänningen till komparatorn precis hamnar över baslinjen hos rampvågformen. Jag kan tänka mig att det vore lämpligare med en övre gräns med tanke på bootstrapen för drivning av övre mosfeten.

Kolla dock plusmatningen till strömsensorn i schemat, det ser inte riktigt korrekt ut. :P Något som kan vara värt att fundera över är om du behöver strömbegränsning i backriktningen och överspänningsskydd för ingången eftersom du har synkron likriktning. Har man t.ex. en stor motor ansluten eller mycket kapacitans och snabbt sänker börvärdet för utspänning kan strömmen som flyter tillbaka bli mycket hög och/eller inspänningen till omvandlaren stiga kraftigt eftersom omvandlaren kan överföra effekt i båda riktningarna.


Här i helgen satte jag ihop en testkoppling för spolar kopplad som buck och använde då en TL494 för att generera en fyrkantsvåg med duty-cycle styrbar via en potentiometer (ingen återkoppling) från 0% upp till c:a 90% med de komponentvärden jag har. Det är ju en gammal IC-krets, men faktiskt riktigt användbar. Den, eller någon annan tillverkares ekvivalent, används i nästan alla PC-nätdelar med halvbryggekoppling. :)

I övrigt använder jag en STW50NB20 som switch, MUR820 som diod, 2 st 100V 1 mF elektrolyter i parallell på ingången och 1 likadan som utgångskondensator. Jag har provkört med 60V in och 30V 300W ut vid både 100 kHz och 50 kHz med en potcorespole med 3.5 cm diameter slaktad från någon DC/DC-omvandlare någon gång.

Gatedrivningen görs genom att använda ena utgångstransistorn i TL494 för att slå på MOSFETen och ett pulldownmotstånd. En PNP-transistor hjälper pulldownmotståndet att slå av MOSFET:en. Omvandlaren är kopplad "uppochned" mot vad som är vanligt med ingångens och utgångens pluspoler gemensamma i stället för minuspolerna så att jag skulle kunna driva gaten lätt. (jag hade inget krav på gemensam minuspol och behöver ingen återkoppling)
Användarvisningsbild
4kTRB
Inlägg: 13253
Blev medlem: 16 augusti 2009, 19:04:48

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av 4kTRB »

Den där toroiden du har i testkopplingen blir väl
ganska snart mättad med likström? Du kan väl
inte experimentera med så väldigt hög ström?
Användarvisningsbild
kimmen
Inlägg: 2034
Blev medlem: 25 augusti 2007, 16:53:51
Ort: Stockholm (Kista)

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av kimmen »

Det är en järnpulvertoroid och den har betydligt färre varv än den hade i PC-nätdelen den satt i så den klarar nog ganska mycket ström.
Användarvisningsbild
AndersG
EF Sponsor
Inlägg: 6157
Blev medlem: 25 februari 2008, 17:10:58
Ort: Mariehamn
Kontakt:

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av AndersG »

Den där toroiden du har i testkopplingen blir väl
ganska snart mättad med likström? Du kan väl
inte experimentera med så väldigt hög ström?
Mitt labagg klarar 30V/4A. Har testat med 24V/4A in och 10V/8A ut ca.
Kolla dock plusmatningen till strömsensorn i schemat, det ser inte riktigt korrekt ut.
Ähum.. nej.

TL494 ser ju ganska användbar ut.
Är det okej i ditt bygge att det blir en undre gräns för duty cycle?
Jo, jag hade tänkt ha 24V in och 2..20V ställbart ut.

Har vanliga bipolära 555or nu, men det är litet på gränsen vid 160kHz, så jag skall testa med CMOS-varianten. Skall leka litet mera med rampgeneratorn. Testade som hastigast att fimpa 555an helt och bara ha en fet och ladda ur kondingen, men det blev inte riktigt stabilt. Självsvängde vid vissa frekvenser, men som synes av bilderna har jag oddsen emot mig :)
Gatedrivningen görs genom att använda ena utgångstransistorn i TL494 för att slå på MOSFETen och ett pulldownmotstånd. En PNP-transistor hjälper pulldownmotståndet att slå av MOSFET:en. Omvandlaren är kopplad "uppochned"
Ett schema säger mer.... Nudge, wink, wink...
Användarvisningsbild
kimmen
Inlägg: 2034
Blev medlem: 25 augusti 2007, 16:53:51
Ort: Stockholm (Kista)

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av kimmen »

Typ något sånt här. TL494 har en pinne som gör att man kan välja om man vill ha push-pullutgång med varannan utgång aktiv eller att båda utgångarna aktiveras samtidigt och varje puls och denna har jag kopplat så att båda aktiveras samtidigt vid varje puls och kan då få 0 - c:a 95% duty cycle (men jag har inte mätt så noga). En liten luring är att man kanske skulle kunna tänka sig att det skulle gå att koppla TL494-transistorerna som wired-OR även om de pulsar varannan men det funkar inte för emitterpinnen kan även sänka lite ström när utgången är inaktiv.

Kör man en gate-driver-IC som du har räcker det väl med pulldownmotstånd kan jag tänka mig. Eller om du behöver aktivt låg utgång, emitter mot jord och pullup på kollektorn.

TL494 skall gå att köra i 160 kHz men ju snabbare man kör den desto mer sjunker den maximala duty cyclen vad jag förstår. Duger det inte finns ju snabbare PWM-kretsar. Här är en ganska bra beskrivning av TL494:

http://focus.ti.com/general/docs/lit/ge ... 1&track=no


Kraftkretsen och styrkretsen jag byggde är ihopkopplade med en ledning som är c:a 2 dm lång. I min koppling skulle det ju däremot bli lite krångligare med återkoppling och man får använda någon extern reglerlösning, men har man den mer normala kopplingen med gemensam minus på in- och utgång kan man ju använda en av de inbyggda operationsförstärkarna för reglering.
Du har inte behörighet att öppna de filer som bifogats till detta inlägg.
Användarvisningsbild
AndersG
EF Sponsor
Inlägg: 6157
Blev medlem: 25 februari 2008, 17:10:58
Ort: Mariehamn
Kontakt:

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av AndersG »

Genom att flytta jordningar och allmänt möblera om minskade ringningarna avsevärt. Dock är jordkabeln till labplattan en källa till störningar som syns tydligt som ringningar på rampen och PWMen.

Spolen är 3x1,5mm, beräknad resistans 1,2mOhm

Uppifrån ned: Id, Ramp , PWM.
buck3.jpg
ring.JPG
Du har inte behörighet att öppna de filer som bifogats till detta inlägg.
Användarvisningsbild
Honk
1 Anmärkning
Inlägg: 455
Blev medlem: 18 november 2010, 10:13:15

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av Honk »

kimmen skrev:Det är en järnpulvertoroid och den har betydligt färre varv än den hade i PC-nätdelen den satt i så den klarar nog ganska mycket ström.
Järnpulver har relativt låg verkningsgrad och detta resulterar i stora värmeförluster vid hög belstning.

Några betydligt bättre material är MPP, SMSS, eller HiFlux, varav MPP är bäst och HiFlux klarar mest ström.
http://www.micrometalsarnoldpowdercores ... 0Intro.pdf
http://www.micrometalsarnoldpowdercores ... atalog.pdf
Om man lindar dessa med kraftig lågresistiv litztråd istället för tjock kopppartråd sänker man skineffekten
och ökar verkningsgraden ytterligare. Maximal verkningsgrad är av godo då du kan slippa aktiv kylning.

Om du vill ha en gratis toroid av SMSS eller HiFlux kan jag skicka den till självkostnad, dvs brevfrakt.
Jag kan även linda den med kraftig litztråd efter dina behov och anvisningar.
Dessa kärnor har riktigt låga kärnförluster och är mycket bättre lämpade för din design än järnpulver.

Några tips:
Det är bättre att linda på några fler varv tråd med högre induktans som följd än för få varv.
Detta minskar rippelströmmarna som värmer kärnan. Dock skall man beräkna detta så inte kärnmaterialet
mättas vid max strömuttag, men detta är lätt gjort när man vet vilkoren.

OBS, linda toroidkärnan med tråden jämt fördelad över hela ytan, detta utnyttjar kärnan fullt ut
och ökar verkningsgraden ytterligare samt du slipper en massa Mot-EMK omslagspikar från spolen.

Sänker man frekvensen och kör med högre induktans sänks både switch och drosselförlusterna.
Detta ger högsta möjliga verkningsgrad till priset av en fysiskt större design.

Skipppar du "Buck" regulatorn med diod och fokuserar din bygge på en fullt synkron buck regulator så
slipper du den höga diodförlusten vid stora strömuttag, dvs du skall bygga din design som ett kraftfullt
totempålesteg utan diod och driva spolen med detta. Totemsteget drivs med din duty cycle generator.

Mosfetarna skall drivas hårt och snabbt på gaten, dvs de skall slå på och av med 20-30nS stig/falltider.
Kontollera detta med ditt scope så du inte underdriver fetarna. Dom blir bara varma av detta.
Användarvisningsbild
AndersG
EF Sponsor
Inlägg: 6157
Blev medlem: 25 februari 2008, 17:10:58
Ort: Mariehamn
Kontakt:

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av AndersG »

Skipppar du "Buck" regulatorn med diod och fokuserar din bygge på en fullt synkron buck regulator så
slipper du den höga diodförlusten vid stora strömuttag, dvs du skall bygga din design som ett kraftfullt
totempålesteg utan diod och driva spolen med detta. Totemsteget drivs med din duty cycle generator.
Schemat ovan var Tekkos, mitt schema finns tidigare och är en riktig buckgenerator, dock med en schottkydiod över nedre trissan för att ta "udden" av strömspiken.

Toroiden plockade jag ur en skrotad datornätdel, det mesta av bygget är sådant jag plockat ur lager och skrotlåda. Kan inte mäta fullt ut förrän jag fått den 24V 1200W nätdel jag köpt av PeterH, men tänkte fortsätta efter 16/10 och då tar jag gärna emot ditt erbjudande om en toroid. PMa mig bara så reder vi ut logistiken.

Kalkylmässigt har jag siktat på 40A och 5uH. Den sista jag lindade är närmare 6uH och består av tre ledare 1,5mm ca 350mm långa. Hur stor är skillnaden i resistivitet mot din tråd och var köper man annars sådan? Och vem säjer dessa toroider?

Har annasr sneglat litet på Coilcraft som har effekt-toroider och desstom är genrösa med varuprover.
Användarvisningsbild
kimmen
Inlägg: 2034
Blev medlem: 25 augusti 2007, 16:53:51
Ort: Stockholm (Kista)

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av kimmen »

Honk skrev: Mosfetarna skall drivas hårt och snabbt på gaten, dvs de skall slå på och av med 20-30nS stig/falltider.
Kontollera detta med ditt scope så du inte underdriver fetarna. Dom blir bara varma av detta.
Något jag märkte i min koppling var att strömmens stig/falltider stod för en betydligt större del av förlusterna än spänningens dito pga induktans i serie med source. Så vill man hålla nere switchförlusterna får man se till att hålla induktansen i serie med source låg, den som ingår i både gateslingan och drainslingan.

Jag fick c:a 50 ns stig/falltider på spänning mellan 0 och 60V men att rampa strömmen mellan 0 och 10A tar 150 ns i nuvarande uppkoppling för att jag satt in sourcemotstånd för att mäta strömmen. Så förlusterna under strömmens stig/falltid står för c:a 75% av förlusterna. Om jag kopplar förbi motståndet med en kort tråd går strömkommuteringen betydligt snabbare.
Användarvisningsbild
Honk
1 Anmärkning
Inlägg: 455
Blev medlem: 18 november 2010, 10:13:15

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av Honk »

AndersG skrev: Schemat ovan var Tekkos, mitt schema finns tidigare och är en riktig buckgenerator, dock med en schottkydiod över nedre trissan för att ta "udden" av strömspiken.
Mitt fel, jag kollade inte så noga på alla scheman i tråden. Du gör rätt med din synkrona buck regulator, men jag hade inte använt en 555:a utan en LM393 komparator.
AndersG skrev: Toroiden plockade jag ur en skrotad datornätdel, det mesta av bygget är sådant jag plockat ur lager och skrotlåda. Kan inte mäta fullt ut förrän jag fått den 24V 1200W nätdel jag köpt av PeterH, men tänkte fortsätta efter 16/10 och då tar jag gärna emot ditt erbjudande om en toroid. PMa mig bara så reder vi ut logistiken.
Jupp, vi hörs ang toroidsupporten. No Worries, jag har många kärnor liggande för din hjälp och designförbättringar.
AndersG skrev: Kalkylmässigt har jag siktat på 40A och 5uH. Den sista jag lindade är närmare 6uH och består av tre ledare 1,5mm ca 350mm långa. Hur stor är skillnaden i resistivitet mot din tråd och var köper man annars sådan? Och vem säjer dessa toroider?
CWS Bytemark säljer allt möjligt bra, särskilt fina toroidkärnor till överkomliga priser.
Den toroid jag har i åtanke för dig en SMSS kärna, typ MS-106125-2, lindad med 10.5 varv 600x0.1mm litz till 17.3uH och 0.00135R resistans (1.35mR).
Lämplig switchfrekvens är 40-80KHz. Troligen skulle en Optilloy kärna (OP-106125-2) vara något bättre på peak strömmar men jag har inga sådana hemma ännu.
Kanske till hösten men vi får först se om denna SMSS räcker till. Då är Optilloy överflödigt. (Optilloy kallas allmänt för det nya Holy Grail materialet med endast bra egenskaper)
Användarvisningsbild
AndersG
EF Sponsor
Inlägg: 6157
Blev medlem: 25 februari 2008, 17:10:58
Ort: Mariehamn
Kontakt:

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av AndersG »

men jag hade inte använt en 555:a utan en LM393 komparator.
Till vad? Jag har ju en komparator för spänningen/rampen. De två 555orna är är för tidbas, resp rampgenerator.
Användarvisningsbild
Honk
1 Anmärkning
Inlägg: 455
Blev medlem: 18 november 2010, 10:13:15

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av Honk »

Jag brukar använda halva komparatorn till oscillator och andra halvan till dutycycle generatorn.
Feedback loopen utgöres av en gyratorkopplad LM358 (1/2) eller liten LM321 om det är trångt om plats.
Men det är bara petitesser, så länge det man använder funkar bra är allt väl.
Användarvisningsbild
AndersG
EF Sponsor
Inlägg: 6157
Blev medlem: 25 februari 2008, 17:10:58
Ort: Mariehamn
Kontakt:

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av AndersG »

Speciellt om man går ned i frekvens som du föreslår. Just nu (160kHz) så lever en bipolär 555a litet på gränsen, men en CMOS dito klarar det bra.
Den toroid jag har i åtanke för dig en SMSS kärna, typ MS-106125-2, lindad med 10.5 varv 600x0.1mm litz till 17.3uH och 0.00135R resistans (1.35mR). Lämplig switchfrekvens är 40-80KHz.
Är det kärnan i detta fall som sätter frekvensen? Annars är ju trenden mot all högre frekvenser för att hålla nere spolstorlekarna?

Jag har slaktat ganska många nädelar och har aldrig sett en spole lindad med Litz (däremot har jag minnen av det från barndomens radioövningar), vad är orsaken till detta? Kostnad? Coilcrafts högeffektsspolar använder kopparband.
(Såväl band som Litz ger väl bättre "fyllnadsgrad"?)

Orsaken att jag lindade själv var annars att jag inte hade någon färdig, annars hyllar jag Jim Wolliams motto: "Use off-the-shelf magnetics when possible" ;)
Skriv svar