¿Cómo convertir un amplio rango de voltaje (1 V-12 V) a 5 V?

Tengo una aplicación inusual en la que el voltaje de entrada puede variar de 1 a 12 V CC. Esto debe convertirse a 5 V @ ~200-250 mA.

Dado que no hay convertidores reductores-elevadores disponibles adecuados para este amplio rango de voltaje de entrada, se me ocurrió este circuito (simplificado):

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

El XC61CC5002MR-G es un IC de supervisión CMOS de voltaje que:

  • Emite VCC cuando VCC > 5 V; esto habilita el LDO y protege el convertidor elevador del voltaje más alto.
  • Emite 0 V cuando V CC < 5 V; esto desactiva el LDO y polariza el transistor PMOS para permitir que la corriente llegue al convertidor elevador.

La clasificación de voltaje máximo absoluto del convertidor elevador es de 6 V, por lo que debe protegerse en el rango más alto de voltaje de entrada, mientras que el LDO está bien hasta 13 V.

El circuito funcionó según lo previsto de 3 a 12 V, sin embargo, el transistor PMOS no podía cambiar cuando el voltaje de entrada era inferior a 3 V, lo que no debería haberme sorprendido ya que el umbral de V GS era de aproximadamente 2 V a 250 mA.

También he mirado los interruptores de carga del lado alto y los circuitos integrados de protección contra sobrevoltaje, pero no puedo encontrar ninguno que funcione en todo el rango de voltajes de entrada después de buscar durante horas en Mouser y DigiKey.

Por último, exploré el uso de un MOSFET de canal N en el circuito anterior con una variante de salida de drenaje abierto del mismo IC de supervisión y una bomba de carga para sesgar el transistor NMOS cuando los voltajes son bajos, pero para mi sorpresa no pude encontrar ninguno. bombas de carga que funcionan en el rango de 1-5 V.

Estoy buscando alguna sugerencia para hacer que mi circuito funcione con los voltajes más bajos o cómo puedo lograr esta conversión de 1-12 V a 5 V sin aumentar drásticamente la huella o el costo de PCB. Desafortunadamente, el voltaje de entrada no se puede cambiar, pero la fuente de alimentación puede proporcionar corriente más que suficiente para hacer funcionar el circuito.

Bienvenido al sitio.
¿Qué parte es el convertidor elevador?
¿Ha echado un vistazo a hacer su propio convertidor buck-boost? El bucle de control es un poco complicado, pero sería la forma "adecuada" de hacer lo que estás intentando.
Desafortunadamente, eso no sería posible ya que este no es un proyecto único.
La física básica dice que a 5 V y 250 mA de salida, una entrada de 1 V tendría que suministrar al menos 7,5 A. Probablemente más como 9A con suposiciones de eficiencia realistas (suposición: la eficiencia es pobre allí abajo). ¿Su fuente suministrará eso cuando esté funcionando a 1V?
@TimWescott ¿Cómo obtuvo 7.5A?
@TimWescott seguramente sería 1.25A + espacio libre para la ineficiencia.
@ jm212121 es 1.25A + ineficiencia + olvido de que no debería hacer matemáticas en mi cabeza . Maldita sea. Sí -- 1.25A + ineficiencia. Probablemente 1.5A más o menos, dependiendo de qué tan eficiente termine siendo la conversión.
@ jm212121: ¿tiene que poder arrancar con un suministro de 1 V o puede garantizar un voltaje más alto al arrancar?
@ThreePhaseEel sí, tengo que poder arrancar a 1V

Respuestas (4)

Permítanme hacer esta sugerencia de circuito:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Para 1 V < Vin < 6 V, el convertidor elevador convierte a un voltaje interno de 6 V y el LDO regula esos 6 V hasta 5 V

Para 6 V < Vin < 12 V, el voltaje en la salida del convertidor Boost "seguirá" el voltaje de entrada con una caída de voltaje debido a un diodo (Schottky), por lo que Vin = 7 V => Vmid = 6,5 V y Vin = 12 V => Vmedio = 11,5 V.

Recuerde que los convertidores elevadores tienen este circuito básico:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Entonces, cuando Vin es más alto que el voltaje de salida configurado (regulado), la salida seguirá al voltaje de entrada con una caída de voltaje de la resistencia de la bobina y el diodo.

¿Conoce un convertidor elevador que funciona con 1 voltio y puede vivir con voltajes en la entrada de hasta 12 voltios? ¿O estás sugiriendo "construir desde cero"?
@Andyaka No, no lo soy. Solo proporciono la idea del circuito :-) Lo más cercano que conozco: CE8301 puede funcionar desde 0.9 V hasta 10 V.
El convertidor de refuerzo que estoy usando solo puede tolerar hasta 6v de acuerdo con sus clasificaciones máximas absolutas y he mirado a mi alrededor y no creo que haya ninguno que pueda tolerar más de 6v mientras aumenta desde 1v.
LT1615 parece ser una buena combinación para la parte de impulso. Arranca desde 1V, no se quema hasta 15V.
Acabo de echar un vistazo al LT1615 y no puede producir suficiente corriente con los voltajes más bajos.
A 250 mA de salida, con 12 V de entrada, su regulador lineal quemaría un poco más de 10 W, eso es mucho.
@ jm212121 Mmh, eso es correcto. Pero eché un vistazo al TPS61099 y tampoco puede hacerlo. El límite de corriente del interruptor en el peor de los casos es de 0,8 A. Con una entrada de 1 V, necesita 5 * 250 mA, sin tener en cuenta la ondulación. Va a ser difícil.
Tiene razón, mis requisitos actuales se sobreestimaron un poco, pero probé el TPS61099 y puedo obtener hasta 120 mA desde una entrada de 1 V, lo que probablemente sería suficiente.
Estoy contento con el TPS61099 como convertidor elevador, ya que es menos probable que esté a 1 V y es un caso de que tomaré la corriente que pueda obtener (es decir, los 250 mA no son imprescindibles pero preferibles), pero estoy teniendo dificultades con es el resto del circuito.
@TimWescott No entiendo tus 10 W, según yo es menos de: 12 V - 5 V = 7 V => x 250 mA = 1,75 W para la disipación en el LDO.
pero con lo que estoy teniendo dificultades es con el resto del circuito. ¿A qué circuito te refieres? Si usaría el TPS61099, entonces no se necesita "el resto del circuito" porque este IC puede comportarse como un LDO cuando Vin> Vout. Tenga en cuenta que el TPS61099 está limitado a un voltaje de entrada máximo de 5,5 V.
¿Cómo puede comportarse el IC como un LDO para voltajes de más de 5 V hasta 12 V cuando su voltaje de entrada máximo es de 5,5 V? Dice en la hoja de datos que cualquier voltaje por encima de 5.5 puede causar daños.
@Bimpelrekkie: Maldita sea. Estaba haciendo matemáticas en mi cabeza otra vez. Esto sucede con la suficiente frecuencia como para saberlo mejor y, sin embargo, siempre me dejo atrapar. Por lo poco que vale, si es un trabajo remunerado, ¡verifico dos veces! 2W sigue siendo suficiente para que tengas que pensar en sacar el calor de la pieza, por supuesto, pero no es TAN malo.

Un SEPIC podría valer la pena intentarlo aquí

Esta situación (entrada de amplio rango de voltaje, salida de voltaje fijo, requisitos de corriente bajos) me parece una buena oportunidad para probar una de las topologías de conmutación menos utilizadas: el SEPIC. En particular, usaría un convertidor IC LM2621 con un diodo Schottky de caída baja; esto le da al chip la mejor oportunidad de iniciarse a aproximadamente 1,0 V (la hoja de datos especifica el inicio nominal a 1,1 V y el inicio máximo a 1,2 V por encima de temperatura, pero el voltaje de arranque probablemente depende de la caída a través del diodo).

En cuanto a los pasivos, usaría la versión de inductor acoplado de la topología SEPIC; esto brinda un mejor rendimiento de ondulación mientras usa menos espacio en la placa que dos núcleos de inductor separados.

Curiosamente, descubrí el LM2621 ayer y pedí uno, publicaré una actualización si funciona.
Gracias por vincular ese artículo de SEPIC, fue muy informativo, tengo una pregunta con la topología SEPIC del inductor acoplado, ¿el voltaje en el diodo se limitaría a 5V? Porque si es así, podría usar un interruptor de corriente de diodo ideal MAX40200: ( datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX40200.pdf ) que tiene un voltaje directo muy pequeño pero solo tiene una clasificación máxima de 6V.
@ jm212121 el voltaje a través de L1b es Vin + Vout, por lo que necesitará una parte de voltaje mucho más alta que eso: la velocidad de conmutación también sería un problema para muchos / la mayoría de los "diodos ideales". Lo que realmente necesita es un controlador de rectificación síncrona si quiere hacer lo que está tratando de hacer...

Para evitar el interruptor EXTREMO, necesita un aumento de retorno con un postrregulador zener, para proporcionar el accionamiento de la puerta del FET.

Ajuste el zener a 10 o 12 voltios. Muchos FETS enormes quieren un voltaje de puerta máximo bajo (por lo que recuerdo).

Ahora puede usar un FET GRANDE, capaz de 10 o 20 amperios o lo que necesite, esa puerta FET se maneja a 0/10 voltios para una conmutación eficiente.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

¿Podría explicar con más detalle lo que quiere decir aquí? Ese diagrama me confunde. En el diagrama, tiene un regulador de refuerzo de 1-12 voltios, es un regulador de refuerzo que acepta 1-12 voltios como entrada, si es así, parece que no puedo encontrar uno que acepte ese rango mientras mantiene unos cientos de miliamperios a 1v.
El conmutador inferior ---- el flyback ---- tiene que funcionar con 1 voltio o más. Simplemente tener un circuito que oscile a 1 voltio requiere algo de reflexión. Luego, desea que el oscilador opere un transistor en modo de refuerzo, con la salida regulada por un zener de 10 voltios. Los 10 voltios se utilizan en el conmutador superior de corriente muy alta, ¿quizás únicamente para impulsar la puerta de los 20 amperios? MOSFET. Al tener 10 voltios para controlar la puerta, en lugar de 1 voltio, hace un uso mucho más eficiente del gran MOSFET.

Hay muchas maneras de despellejar a un gato, y este es un gato particularmente vicioso. Aquí están mis pensamientos:

Boost ajustado a 5.5V más o menos. Tendría que ir a comprar piezas para estar seguro, pero sospecho que necesitará algo con un interruptor externo para manejar la entrada de 8-9A a 1V. Siga eso con un dólar a 5V, para manejar el caso cuando la entrada está por encima de 5V. No se meta con los suministros lineales a menos que necesite energía realmente limpia.

Si no puede encontrar un chip de refuerzo adecuado o un interruptor FET, use un refuerzo liviano que sea lo suficientemente grande como para alimentar el controlador de refuerzo "real" (y, por extensión, la puerta del interruptor "grande"). Tal vez incluso desconecte al tipo liviano del circuito si el voltaje de entrada es demasiado alto.

¿Cómo convertir un amplio rango de voltaje (1 V-12 V) a 5 V?
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