Hjälp med att räkna lämplig frekvens i en enkel SMPS

[Magnus_K]

Mekar lite med kretsen nedan och jag skulle verkligen uppskatta om någon kan hjälpa mig räkna lite, eller i alla fall berätta hur jag ska gå till väga.

För att förstå vad jag håller på med så tänkte jag försöka räkna fram den mest optimala frekvensen och duty cycle från 555'an. (Hoppas det är så här man tänker när man sätter ihop en SMPS??)
Efter ett par sidor med klotter så har jag kommit fram till 50,125 kHz med 12VDC Vin men osäker på tänket kring duty cycle. Någonstans läste jag att den ska ligga på 80% en även om det stämmer så vore jag hemskt tacksam på en förklaring varför.
Om någon är intresserad av hur jag kom fram till denna frekvens så kan jag försöka summera. Den grundar sig i alla fall på rise_time av induktorn (rätt eller fel tänk?) men om det verkligen stämmer är jag osäker på.

Komponenterna jag använder är:
ICM7555IPAZ (datablad)
ELC11D101F (datablad)
UF4004 (datablad)

Schemat där röda fyrkant är det jag syftar på:

SMPS.JPG

EDIT: Lade till att jag tänker använda 12VDC än de 9 som schemat visar.
EDIT2: Ändrade från 25% till 80% ang. duty cycle

[psynoise]

Vad menar du med optimal?

Om det är verkningsgrad du är ute efter tänker jag främst på två olika problem.

Först blir det förlust vid varje till- och frånslag. Både över transistorer och dioder. Detta kan beror på flera olika egenskaper. Dessa förluster blir relativt uteffekt för verkningsgraden. Således får du bättre verkningsgrad med längre tillslagstid.

Sedan finns det även problem kring induktorer. Likspänningsresistansen kan öka med temperatur och då också med strömmen genom dessa. Vidare ökar skinneffekt med frekvens men även virvelströmmar skulle jag tro.

Enkelt sagt för att öka verkningsgraden borde lägsta mögliga frekvens och högsta möjliga tillslagstid användas.

[4kTRB]

DC-DC omvandlare med 555 och du har möjlighet att
återkoppla utspänningen för att styra pinne 5 till rätt duty
på 555:ans utgång. Det är en vanlig lösning. Då behöver du
inte tänka på optimalt utan det sköter sig självt.

[4kTRB]

Jag råder dig angående induktorn att kika närmare på den här
PDF:en från Würth Elektronik

http://www.we-online.de/web/en/electron ... ntipps.php

[Icecap]

SMPS med 100µH induktanser brukar ligga runt 120-150kHz

[Magnus_K]

@psynoise: Du får ursäkta min felaktiga terminologi. Efter ha läst vad du skriver så är det antagligen "lägsta möjliga frekvens och längsta möjliga tillslagstid" jag trodde jag kunde räkna ut på ett någorlunda lätt sätt.
Som det låter så är det mycket mer avancerat än de formler jag använt -> Instructable-sida
Här används förvisso en microcontroller men jag tyckte att det borde vara samma uträkning.

@4kTRB: Det du skriver är väl vad dom gör genom spänningsdelaren och Q2 i schemat, om jag förstått det rätt?
Tack för länken! Det blir lite kvällslektyr!

@Icecap: Bra riktmärke.

För att ge lite mer bakgrund så (som ni kanske har läst i min "idétråd") så köpte jag fel sort 555'a. På ett sätt var det bara bra för då fick jag en anledning att sätta mig in lite mer i kretsen.
Min första tanke var då att försöka räkna ut "originalets" frekvens och duty cycle baserat på R2, R3 och C2 i schemat och sedan räkna om detta med min CMOS 555'a.
För att fastställa originalets värden så använde jag denna onlinekalkylator -> 555_astable_calculator. Det kanske var fel men jag körde på.
Utifrån de värden jag fick där så gick jag in i databladet för CMOS 555'an och försökte återskapa samma värden.

Det som gjorde mig förvirrad var att "originalets" frekvens och uträkningen enligt instrucables sidan blev så olika! Ca 50 kHz enligt uträkning baserat på iduktorn och ca 30 kHz baserat på den den online-sidan och schemat.
Som ni förstår så har jag varit väldigt fel ute och jag förstod nästan detta, det var då jag konsulterade proffsen!

[psynoise]

Efter ha läst vad du skriver så är det antagligen "lägsta möjliga frekvens och längsta möjliga tillslagstid" jag trodde jag kunde räkna ut på ett någorlunda lätt sätt.

Lägre frekvens kräver längre tidskonstanter. Detta i sin tur större och dyrare induktorer och kondensatorer.

[Magnus_K]

@psynoise: Ok, då har jag lite mer "riktlinjer".

Ja, för att röra till detta ännu mer så har jag nu lyckats elda upp mina två 555'or jag hade kvar. Det blev lite väl hårt labbande och felkopplande. Vad gör man då? Jo, tar fram PIC'en!

Ett par frågor innan jag ger också den ett ovärdigt avslut:

Gatemotstånd - Som jag blivit upplyst om i en annan tråd så ska detta användas vid drivning av större MOSFET. Brukar ligga mellan 50-100 Ohm. Hur räknar man på detta?

I kretsen ovan verkar dom göra precis som 4kTRB skriver tidigare i tråden, att återkoppla utspänningen till pin5 (CTRL) (genom en trissa) för att reglera duty_cycle'n alt frekvensen.
Hur skulle man göra till en µC? Ta in signalen på en input-pinne och i koden tillfälligt pausa PWM'en?

Alla tips är välkomna!

[4kTRB]

Gate-motstånd är till för att dämpa eventuella transienter och ringningar
som kan uppstå mellan transistorns kapacitans och eventuell induktans
i ben och ledningar. I databladet finns data på max gate-source spänning
och det är den man vill se till att undvika att överskrida.

En viss lågohmig drivning av transistorn dämpar ovälkomna transienter
som kan slå hål på oxidskiktet mellan gate och source. Men samtidigt
får man inte ha för högt motstånd för då blir omslagen slöa då
gate-kapacitansen laddas upp långsammare.

[Magnus_K]

Uppskattar verkligen att ni svarar men nu blir det överkurs. Jag inser att det kommer ta på tok för lång tid för mig att läsa på och förstå allt om detta för att kunna utföra en korrekt beräkning.
Laddade ner denna bok -> Switchmode_Power_Supply_Handbook (OBS 16 MB) som får bli lektyr ett tag framöver som inspiration.

Det får bli att helt enkelt planka någon annan så länge och vissla.

Som svar till mig själv ovan om hur man gör med en µC som oscillator så verkar man ta in feedbacken som analog input och utifrån det justera duty cycle, alltså inte "pausa"...

[Magnus_K]

Rånar min egna tråd lite. Hoppas det går bra?

Har läst runt lite på nätet och det verkar vara delade meningar om man kan mäta en SMPS utan belastning.
Kan ni svara om det är möjligt eller inte?
Om det bara går under belastning, kan man få en rekommendation på hur?

Min gissning är att det går men det är först efter "korrekt" last anslutits, först då kan man mäta den verkliga spänningen (eller hur jag ska uttrycka det)...

[psynoise]

Det är serieresonanta typologier som inte klarar sig utan last då regleringen sker likt en spänningsdelare. För din typ med pulsbredsmodulation borde det inte vara några problem att köra utan last. Sedan vart mätningar till specifikationen görs bestäms tyvärr säkert ofta av säljavdelningen hos företag där fina siffror prioriteras.

[blueint]

Kan du ge ett exempel på serieresonant typologi?

[rikkitikkitavi]

LLC omvandlare. Används i princip i alla konsumentprodukter där effektbehovet gör det svårt med en flyback.
googla och du skall finna (massor )

För högre frekvenser finns det andra resonanata topologier, som fasskift etc.

Kräver i princip fast inspänning (aktivt PFC steg) och har små möjligheter till justering av utspänningen , till skillnad från PWM baserade omvandlare.

Även PWM baserade omvandlare har ibland problem med låga laster , därför hittar tillverkarna på saker som skip-mode, burst-mode etc etc reglering, dvs att omvandlaren går igång då och då. Därför brukar många omvandlare "ticka " vid låg last även om switchfrekvensen är > 20 kHz är inte skip-mode det.

Det har att göra med ifall lägsta duty cycle på omvandlaren ändå tillför så mycket energi att lasten inte förbrukar den, då stiger ju utgångsspänningen men om då inte regleringen kan minska mängden energi ytterligare fortsätter spänningen stiga. En del omvandlare har OVP (over voltage protection) som stoppar omvandlaren. en del börjar helt enkelt snurra rundor. Men det löser sig lätt med en min last, säg 5% av specad uteffekt. Ofta räcker det med mindre, 1-2 %.

[Magnus_K]

Om du menar ticka som i att verkligen ticka som ett relä så har jag upplevt det med denna krets. Fattade aldrig vart det kom ifrån men det krävdes en felkoppling...

Denna SMPS är specad till kring 20mA vid Vin 12VDC.
Kan jag bara lägga ett motstånd på 150K över Vout och jord (baserat på 170 V) för att få en lämplig last?
Försöker vara lite försiktig när jag labbar med så här höga spänningar.