Aumentar el voltaje sin cambiar

Lo que estoy haciendo: estoy creando un dispositivo portátil que usará batería/s Li-po para funcionar. Estoy midiendo corrientes pequeñas (lo que significa que quiero evitar los convertidores buck/boost). Mi diseño consume una corriente de ~56mA.

Lo que quiero lograr: necesito 5 V en el dispositivo, que debería estar lo más libre posible de ondas de voltaje. Entonces, tal como lo veo, usando baterías Li-po como fuente de energía, tengo dos opciones:

  1. Use dos baterías Li-po en serie, por lo que siempre tengo un voltaje de al menos 7 V, y uso un amplificador operacional para enviar siempre 5 V a mi circuito. De esta manera, no necesito usar un convertidor de dinero. Como esto:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

La opción anterior tiene la desventaja de que necesito dos baterías para operar todo el circuito.

  1. La opción que no quiero usar es tener solo una batería y usar un convertidor elevador para aumentar el voltaje a 5V. Quiero evitar eso ya que introducirá cambios en mi circuito.

esquemático

simular este circuito

Y mi pregunta es : ¿hay alguna manera de bombear/aumentar el voltaje a un voltaje más alto, sin introducir ruido como lo haría un convertidor elevador? (Lo contrario con la reducción de escala usando un amplificador operacional en mi primera opción). Creo que podría haber una forma de usar amplificadores operacionales, que no conozco.

Puede prerregular con un impulso de hasta, digamos, 7-8 V y luego regular a 5 V con un LDO de bajo ruido (dependiendo de su presupuesto); ¡muchos condensadores también ayudan!
Debes tener mucho miedo al ruido si tienes la solución uno sobre la mesa. Eso será desperdiciar el 30% de la energía la mayor parte del tiempo. ¿Estás seguro de que no puedes simplemente filtrar el ruido? ¿Puede agregar alguna información sobre los requisitos de ruido de su carga?
SUGERENCIA: puede diseñar y lograr CUALQUIER COSA que necesite con buenas especificaciones. Las únicas especificaciones que tiene son en CC con 5V / 56 mA. Eso no es suficiente. ¿Y a 100kHz? 1 MHz. Agradezco que desee evitar la entrada/salida de EMI, pero debe definirse, medirse y verificarse.
Si usa un convertidor elevador, si tiene cuidado de no tener exceso de bucles de conductor en sus condensadores de filtro y un diseño sensato, no hay necesidad de tener miedo de los conmutadores. El último gran producto construido donde trabajé fue un sintetizador, uno de grado de instrumento bien especificado. Esto tenía varios conmutadores esparcidos entre las secciones de RF. Tuvimos cuidado con el diseño, y el diseño estuvo bien.
Cuando las baterías de litio están completamente cargadas, la resistencia de 100 ohmios y el diodo zener consumen (8,4 V - 5 V)/100 ohmios = 34 mA. Cuando las baterías de litio están casi agotadas a 3 V cada una o menos, el TL081 no funcionará y las baterías se destruirán al tener una caída de voltaje demasiado baja.
Existe una probabilidad muy alta de que la mayor fuente de ruido en su circuito sea la MCU :) porque comparte la fuente de alimentación con la parte analógica. Si hay poca corriente, es muy probable que las señales cambien muy lentamente, por lo que los filtros de paso bajo adecuados filtrarán todos los ruidos (recuerde también alrededor de 50 Hz). Además, muchos amplificadores operacionales, ADC y MCU modernos pueden operar directamente desde una sola celda de Li.
Suena como un problema XY para mí. Díganos qué está tratando de hacer realmente, qué está tratando de medir y cuáles son las especificaciones (como dijo Tony) y podemos ayudarlo. ¿Tal vez su circuito de medición se pueda rediseñar para que funcione con 4.2-3.0v? De lo contrario, es probable que funcione aumentar por encima de 5v y luego usar un LDO para volver a bajarlo. Es interesante para mí que crees ese primer circuito en lugar de simplemente usar un LDO, sugiere alguna brecha en tu experiencia.
@Audioguru oppsie, olvidé cambiar el valor de la resistencia, lo acabo de hacer ~ 100k (la resistencia depende del zener que usaré), por supuesto

Respuestas (6)

¿Hay alguna manera de bombear/aumentar el voltaje a un voltaje más alto, sin introducir ruido como lo haría un convertidor elevador?

No, no es posible aumentar el voltaje con una eficiencia razonable sin un convertidor de conmutación. Básicamente, necesita algo para "bombear" energía a un voltaje más alto, y eso tiene que cambiar. Puede ser un convertidor elevador o una bomba de carga, pero cambiará.

Dicho esto, algunos chips boost hacen menos ruido que otros. El diseño es muy importante, y un impulso sincrónico generalmente dará un mejor diseño que uno con un diodo. El uso de una frecuencia de conmutación alta hace que la ondulación sea más fácil de filtrar (los componentes LC se vuelven más pequeños y la amplitud de la ondulación es más pequeña) pero produce más armónicos HF, por lo que es una compensación.

Primero debe definir qué tipo de ruido puede tolerar su circuito en su suministro.

re: "con una eficiencia razonable"; Yo diría que no es posible en absoluto, punto.
Oh, sí, puedes colocar un LED frente a algunas celdas solares y obtener un voltaje más alto, pero la eficiencia definitivamente no será "razonable" XD
bueno, me tienes ahí, eso realmente funcionaría: D
uhm… convertidor rotatorio, un motor frente a un generador :D bueno, cambia de todos modos, en cierto sentido. Eficiencia pasable, potencia limitada solo por el espacio disponible
un generador creará una ondulación de voltaje
Hay una manera de aumentar los voltajes DCDC usando ondas sinusoidales, ¿puedes pensar en una?
Multiplicador de voltaje Cockroft-Walton, pero eficiencia horrible.
Esos todavía se cargan con pulsos de corriente pico @rdtsc
Bueno, hay circuitos resonantes, pero eso sigue siendo conmutación;)
También vale la pena señalar que hay algunos circuitos integrados reguladores de conmutación que admiten la operación de espectro ensanchado. Si eso es útil o no depende completamente de qué tipo de problemas espera el autor de la pregunta que cree el ruido de cambio.

Solo para completar: sí, hay una manera, pero la eficiencia es terriblemente mala.

Usando aisladores fotovoltaicos, envía corriente a través de un diodo infrarrojo (~1,2 V) y obtiene un voltaje de salida típico de una cadena de fotodiodos de alrededor de 8-10 V sin carga para piezas integradas típicas.

La eficiencia es inferior al 1% por lo general.

¡Es bueno saberlo!
Con un diseño cuidadoso, probablemente podría obtener esta idea hasta un 20 o quizás incluso un 30% de eficiencia, o más. El 10% debería ser bastante fácil de alcanzar sin demasiados problemas. Los LED baratos tienen una eficiencia del 25 % y los fotodetectores QE pueden ser del 80 al 90 %. Los desafíos serían seleccionar un buen rango de longitud de onda para optimizar y diseñar el sistema óptico para recolectar la mayor cantidad de luz posible. Los costos para llevarlo a ese nivel seguramente serían prohibitivos, por supuesto. En el lado positivo, obtendría un aislamiento eléctrico completo. Idea interesante.
@J... Consideración interesante. Sin embargo, me pregunto por qué las piezas integradas como TLP190B solo alcanzan el 1%. Probablemente por razones de costo, como usted menciona. La iluminación LED de condensación es difícil. Los fotodiodos de área grande también son caros.
@tobalt El TLP190B es ineficiente en este caso porque no está diseñado como un dispositivo de transmisión de energía o un convertidor elevador; su función es el aislamiento, que lo hace muy bien. Un dispositivo diseñado para mover una cantidad significativa de energía necesitaría cambios de diseño significativos y, sí, costaría mucho más.
De manera similar, probablemente haya circunstancias en las que pueda conectar su fuente de CC a una resistencia y luego recolectar la energía térmica con una serie de generadores termoeléctricos. Pero supongo que eso sería aún menos eficiente que el enfoque PV.

Otras personas han respondido la pregunta principal, por lo que abordaré rápidamente lo que creo que está tratando de hacer (obtener voltaje de CC de muy bajo ruido para una aplicación sensible a baja corriente. Puede obtener (al menos antes de la escasez de componentes) DCDC convertidores optimizados para una corriente más baja con un ruido extremadamente bajo. Por ejemplo, TI fabrica bombas de carga diseñadas para una carga de ~ 100 mA y LDO correspondientes que pueden atenuar el (pequeño) ruido de la bomba de carga otros 40-50 dB. Otros proveedores incluso integran el LDO con el convertidor para reducir el tamaño del paquete He usado soluciones similares en cosas como detectores sensibles a un solo fotón y pueden generar un ruido tan bajo que será difícil de medir, al menos para cargas de baja corriente como las que necesita.

No puedo recomendar ningún producto específico, pero generar un nuevo voltaje con un ruido extremadamente bajo surge mucho en audio portátil, teléfonos celulares, dispositivos médicos, etc., por lo que existen buenas soluciones estándar para esto. Eche un vistazo a algunos catálogos de fabricantes y vea si puede encontrar algo que se ajuste a sus especificaciones.

Todo lo que aumenta el voltaje necesita conmutación, ya sea un convertidor elevador o una bomba de carga.

Sin embargo, después de aumentar el voltaje, puede eliminar la ondulación a cualquier nivel que necesite, pero necesita conocer una especificación para la ondulación.

Por ejemplo, la ondulación se puede filtrar colocando suficiente capacitancia para limitar la ondulación del voltaje, o con filtros RC o LC o reguladores lineales.

Hay una forma que no usa la conmutación en el sentido tradicional, pero nuevamente no es muy eficiente.

NOTA: El contexto de esta respuesta es la publicación original de TS, que muestra claramente un convertidor elevador de retorno de alta frecuencia como alternativa a un regulador lineal.

Use el circuito de amplificador operacional reforzado que publicó para hacer crecer un oscilador de onda sinusoidal. No hay nada sofisticado como un puente Wein, manténgalo simple con una topología de cambio de fase. Ni la frecuencia ni la distorsión son importantes. Ejecute esta señal a través de un transformador de audio, luego rectifique, filtre y regule la onda completa.

Si cualquier señal que esté procesando se muestrea con un convertidor A/D, otro truco es desactivar el regulador durante un ciclo de conversión, con los circuitos funcionando con la corriente de un condensador de retención. Esto funciona bien para mantener el ruido del regulador de conmutación fuera de las mediciones.

  • Y -

Si opta por el enfoque de dos baterías y un regulador lineal, obtendrá un mejor rendimiento con un chip regulador lineal diseñado para ese propósito. Hay docenas de partes de baja deserción para esto. De su fabricante de chips analógicos favorito, busque dispositivos LDO.

Esto es "cambiar" en una onda sinusoidal en lugar de una onda cuadrada; sigue siendo ondulación
then full wave rectify-> ¿Cómo logras esto sin interruptores?
Los diodos también son interruptores
@AnalogKid sobre los LDO, convierten el exceso de voltaje en calor (ya que en realidad son resistencias autorreguladas). No me ayudaría con mi proyecto portátil, ¡pero es bueno saberlo!
"todavía es ondulación" - tal vez. Pero no hay ninguno de los armónicos de alta frecuencia, que son la mayoría de la energía en el "ruido de conmutación".
"¿Cómo se logra esto sin interruptores". A la antigua, con diodos. Tenga en cuenta que dije "no ... en el sentido tradicional". Hay una gran diferencia en el contenido de energía armónica entre un convertidor elevador de alta frecuencia y las transiciones de cruce por cero de una onda sinusoidal rectificada en puente.
CV: la disipación de potencia en un regulador lineal es (7,6 - 5) V x 0,056 A, o poco menos de 150 mW. De acuerdo, eso es alrededor de la mitad de la potencia operativa del circuito, pero aún así no es mucho. Considere lo que le costará ahorrar 0,1 W en la disipación de energía en términos de complejidad del circuito, problemas de diseño, tiempo de diseño y prueba y costos de los componentes.
"Los diodos también son interruptores" - Lo creas o no, en realidad lo sé. Esperaba que la primera oración de mi respuesta aclarara esto. No fue así, así que he añadido una nota.

Aquí hay una respuesta terrible e inútil, pero no veo por qué no funcionaría: haga funcionar un motor eléctrico de CC con la batería, conectado mecánicamente a un generador que genera CA. Dirija esa salida de CA a través del transformador de su elección, luego a través de un puente rectificador y luego a un regulador lineal.

¡Todavía usa interruptores! El conmutador del motor es exactamente un interruptor, y los diodos en los rectificadores también son interruptores, encendiéndose o apagándose dependiendo de la forma en que la corriente intente fluir. Aún así, ¡bueno para pensar fuera de la caja!
@Reversed Engineer Pensé en eso. Pero supuse que el motor de CC estaba eléctricamente aislado, al otro lado del dispositivo. Y la "conmutación" insignificante del diodo sería fácilmente limpiada por el regulador y algunos condensadores. :) Muy punk de vapor!
Voto por uno para disculparme sinceramente en nombre del grosero oficial de policía de Stack que lo votó negativo sin explicar por qué. Sin multa en el parabrisas, sin citación para comparecer ante el tribunal. Solo ese grosero voto negativo. ¡Por favor, hazte cargo!
@Ingeniero invertido Jaja, gracias, pero no tenías que hacerlo. Los botones SÍ dicen votar si la respuesta es "útil", ¡y esta solo es útil cuando estás atrapado en una isla llena de partes aleatorias! 'La respuesta de Gilligan, por favor (o sería la del profesor)... Editar: Ups, veo "parabrisas"; No sé si conoces a Gilligan.
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