¿Cómo hacer que un convertidor reductor de CC-CC falle a prueba de fallas?

Estoy planeando encender algunos LED de colores de alta potencia con un convertidor reductor, usando un microcontrolador para controlar la conmutación para mantener una corriente constante. También estoy considerando un convertidor de capacitor conmutado más simple.

Parece que, a diferencia de un convertidor CC-CC elevador, un convertidor reductor tiene un modo mortal de falla al quedarse atascado en el estado encendido. Entonces, ¿qué puedo hacer para proteger mis LED en caso de que eso suceda?

La respuesta obvia sería un fusible, pero ¿es esa la mejor manera? ¿Qué hacen las fuentes de alimentación para portátiles?

Actualización: mi voltaje de entrada será de 3,7 a 5 V y tendrá múltiples voltajes de salida: 2,3 V para LED rojos, 3,8 V para LED verdes y 3,5 V para LED azules, y todo con una corriente de 1 amperio por LED.

Respuestas (4)

El hecho simple es que una falla en el cortocircuito del elemento de conmutación de energía (el modo de falla habitual de los semiconductores) o una falla en el circuito de control puede poner efectivamente el voltaje de entrada completo en la carga. Estas son fallas de un solo punto y probablemente resultarán en la destrucción de la carga.

Puede usar un controlador electrónico de sobrecorriente/sobrevoltaje como el LTC4361 :

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Este chip no es particularmente barato (alrededor de $ 3.50), pero funcionará con un MOSFET de canal P o de canal N (refuerzo interno para el canal N, obviamente). Puede proporcionar protección contra sobretensiones de hasta 85 V y protección contra sobrecorriente limitada por el MOSFET. La resistencia de detección cae solo 50 mV, por lo que tiene pérdidas bastante bajas.

Este tipo de circuito funciona rompiendo la conexión entre la fuente de alimentación y la carga costosa.

El otro enfoque popular (quizás más) es usar un fusible (o polifusible) y un circuito de palanca para acortar la salida para que la carga (LED en su caso) no se dañe mientras el fusible tiene suficiente I^2T para hacer su trabajo y abrir el circuito. Un SCR se utiliza a menudo como elemento de conmutación de potencia de palanca.

"[use] un polyfuse": nunca he oído hablar de esto, pero sí, parece ser la solución más simple y segura. Mi fuente de alimentación es una fuente de alimentación ATX con la protección de bajo voltaje/sobrecorriente eliminada (por lo que puedo conducir motores de automóviles RC sin tropezar), por lo que no creo que un circuito de palanca vaya a ganar contra eso.
@YaleZhang Con una palanca, el fusible debe abrirse bajo la corriente máxima de falla, y los fusibles múltiples no son conocidos por tener una alta capacidad de interrupción.

He visto un par de opciones que no se mencionan aquí.

1) Fusibles reiniciables . Como un disyuntor de reinicio automático. No tengo mucha experiencia en diseño con estos, pero si puede especificar uno correctamente, pueden solucionar su problema con los LED. Sin embargo, asegúrese de aprender lo suficiente para saber cómo especificarlos correctamente. El tiempo de respuesta puede ser insuficiente para proteger sus LED.

2) Convertidor SEPIC en lugar de buck. Requiere más piezas, pero si el interruptor se pone en cortocircuito, el camino hacia la carga está abierto. Más a prueba de fallas. Hay otras topologías también.

Dos cosas:

1) Nunca debe usar control digital para un controlador dc/dc (es decir, usar PWM y ADC de un microcontrolador en un bucle de control)

2) Los convertidores CC/CC son generalmente inherentemente tan seguros que no vale la pena el tiempo, el esfuerzo y las piezas para agregar protección a prueba de fallas

A la parte 1: se puede demostrar que un convertidor de CC/CC es estable en un rango de ciclo de sentido y de trabajo cuando se trata de (cerca de) bucles de control analítico, por ejemplo, retroalimentación lineal, amplificadores operacionales, redes de compensación pasiva que alimentan un generador PWM. Se puede decir que es estable porque tiene una respuesta de frecuencia definida: diagrama de bode, diagrama de nyquist. Con el control puramente digital, pierde este tipo de comportamiento, porque necesita implementarlo en el software. Para hacer un controlador dc/dc puramente digital, necesita:

  • Detectar el voltaje de retroalimentación (p. ej., para LED: voltaje sobre una resistencia de detección de corriente)
  • Combine esto con información sobre estados anteriores y haga algunas multiplicaciones de matriz para simular un filtro de compensación digital -> esta es ahora la salida de su 'amplificador de error digital'
  • Alimente esto en el generador PWM y asegúrese de que cambie los períodos sin fallas

La cantidad de tiempo que le toma a un microcontrolador de costo razonable procesar esta información, diablos, incluso el tiempo para hacer un ciclo SAR ADC, limita severamente el ancho de banda y el retraso de propagación de este tipo de bucle de control. Por ejemplo, en un Atmel XMEGA con 2MSPS ADC, tendría un retraso de propagación de 3,5 µs para el ADC (7 ciclos de ADC) y necesitaría hacer al menos n^2 multiplicaciones para un filtro de n elementos, con 4 elementos siendo el mínimo absoluto para poder implementar un filtro decente. Las multiplicaciones toman 2 ciclos de CPU, por lo que a 32 MHz es aproximadamente 1 µs de tiempo de cálculo. El retraso de propagación de 4,5 µs significa que la frecuencia mínima de los tiempos del ciclo de trabajo debe ser más de 5 a 10 veces el retraso de propagación para minimizar los efectos de fase. es decir, 23-45 µs. Incluso si estuviera seguro de que su convertidor siempre estaría funcionando en un ciclo de trabajo óptimo para este esquema de control (~50%), aún estaría limitado a una frecuencia PWM de aproximadamente 10 kHz. Y todo esto es el mejor caso absoluto para tal aplicación.

Necesitará un bucle de control adecuado y para cualquier tipo de regulador de conmutación decente que necesitará tener un GBW de un par de MHz, retrasos de propagación de no más de unos pocos ns (que a menudo se pueden compensar con condensadores de avance si está muy ansioso). Esto no se puede lograr con un diseño puramente digital, y desaconsejaría incluso intentar hacer esto con un microcontrolador. Se pueden usar DSP y FPGA, así como algunos microcontroladores con periféricos de administración de energía incorporados. Para su aplicación, recomendaría utilizar un controlador de LED reductor integrado o un controlador de LED lineal. El condensador conmutado no funcionará aquí: tendrá un peor rendimiento de parpadeo y una peor eficiencia que el lineal.

Ahora a la parte 2: si se diseña correctamente (lo que generalmente solo significa: lee la hoja de datos detenidamente), la posibilidad de falla de un convertidor reductor en condiciones normales de funcionamiento es mínima o nula. Los lazos de control generalmente están bien compensados ​​y estrechamente acoplados, por lo que no hay posibilidad de que ningún evento (pulsos, EMI, etc.) provoque un evento de sobrecorriente.

Sin embargo, la palabra clave aquí es "en condiciones normales de funcionamiento". La mejor manera de protegerse contra los problemas es asegurarse de mantener estas condiciones. Use un diodo de polarización inversa y un fusible (restablecible) para protegerse contra conexiones inversas accidentales, use un MOV o TVS y un capacitor de entrada a granel para protegerse contra picos de voltaje de inserción causados ​​por la inductancia de los cables de alimentación. Utilice filtros LC diferenciales y de modo común para desacoplar la placa del ruido excesivo en la línea de alimentación. Dependiendo de cuán peligrosa sea su fuente de energía en particular, puede optar por omitir todas o parte de estas protecciones. Usarlos todos es cinturón y tirantes completos; no es necesario para el 99,9 % de las aplicaciones, pero si te sientes excepcionalmente paranoico, no dudes en ponerlas todas.

Parece que le estás pidiendo a un novato que diseñe un Porsche. Tengo mucha experiencia en microcontroladores, pero apenas tengo conocimiento sobre los bucles de control. Solo estoy tratando de hacer algo simple que funcione, pero gracias por informarme sobre los métodos óptimos. Comentarios:
1. ¿Por qué querría MHz de ancho de banda? - ¡tanto la salida como la entrada son 0 Hz! Creo que eso solo es deseable si desea una ondulación de voltaje extremadamente baja y, al mismo tiempo, utiliza el condensador y el inductor más pequeños. No estoy seguro de cuán importante es la ondulación de voltaje para la iluminación LED. Sé que 0,1 V puede significar una diferencia de 200 mA, pero una corriente promedio de 1,0 A es lo suficientemente buena siempre que no haya parpadeo. Y también, puedo usar un capacitor de filtro de 1000uF sin problema. O tal vez incluso 10k uF. Lo siento, si este diseño de fuerza bruta te hace temblar. Además, la mayoría de las fuentes de alimentación de PC de gama alta utilizan control digital.
2. ¿Cómo podría un capacitor conmutado ser menos eficiente que un regulador lineal? ¿Es por la ESR alta? Pero el hardware sería tan simple: 1 capacitor, 1 MOSFET, 1 uController. Y puedo variar mi voltaje de salida, a diferencia de la mayoría de las bombas de carga de voltaje fijo (en relación con la entrada), gracias a la retroalimentación. Lo siento si los decepciono más, pero el uController que planeo usar es un LPC810M, que ni siquiera tiene un ADC, sino un comparador analógico. Puedo configurar la referencia de voltaje a cualquier fracción de 1/32 del voltaje de suministro. Así que la comparación será bastante cruda. Sin embargo, puede hacer multiplicaciones en 1 ciclo.
Llamo BS en su "parte 1". No sé de dónde viene esto, pero todo se basa en premisas falsas y lógica defectuosa. En primer lugar, incluso un convertidor impulsado con un ciclo de trabajo fijo será "estable", simplemente no se regulará con respecto a los cambios de voltaje de entrada. El objetivo del lazo de control es proporcionar la regulación con respecto a los cambios de voltaje de entrada y corriente de salida. En este caso particular, los LED no son cargas dinámicas, por lo que nos preocupa principalmente el voltaje de entrada. En realidad, es bastante fácil hacer esto con prácticamente cualquier microcontrolador.
@DaveTweed Secundado. La potencia controlada digitalmente no es una imposibilidad teórica, ya está implementada de manera efectiva en cientos de miles (si no millones) de unidades que ya existen en el mundo, y se puede implementar fácilmente con un micro con buenas resoluciones ADC y PWM. Además, una protección razonable contra una falla de un solo punto para un convertidor reductor debe ser parte de cualquier diseño racional (simplemente pregúntele a las personas que se ganan la vida con las certificaciones de seguridad) y un elemento de paso en serie corto es ciertamente una condición de prueba válida.
@DaveTweed - En tercer lugar. Implementé fuentes de alimentación conmutadas controladas por MCU donde ni siquiera había un temporizador de salida PWM disponible. Conectamos la puerta del interruptor FET al TxD de un UART y luego variamos las secuencias de patrón de caracteres enviadas desde el UART para controlar el voltaje de salida conmutado. Ahorró más de $3 en costos de lista de materiales en un producto de bajo costo al usar un chip controlador de modo de conmutación por separado.
Wow, eso es un montón de comentarios sobre un concepto tan simple. Casi todos los convertidores CC/CC 'digitales' son en su mayoría analógicos: la retroalimentación (+compensación) y el generador de rampa son partes analógicas. La nomenclatura 'digital' proviene del comparador de voltaje de retroalimentación, que es alimentado por un DAC en lugar de una referencia analógica y un divisor resistivo de retroalimentación. Es extremadamente raro encontrar bucles de control completamente digitales debido a las razones de mi respuesta. Además, estoy de acuerdo en que ciertamente es posible construir un convertidor reductor si tiene una carga que se comporta muy bien, pero no se comportará bien en condiciones transitorias (...)
Voltajes y no determinismo de software. Además, debido a la velocidad de conmutación muy limitada que puede lograr con MCU PWM, probablemente gastará tanto más en pasivos como ahorrará en un chip controlador adecuado, que también le brindará un mejor control de energía.
@YaleZhang: solo estoy tratando de explicar cuál sería una estrategia de diseño adecuada en este caso. No es una buena idea conectar una carga tan no lineal (los LED tienen la característica directa de un diodo) a lo que probablemente será un controlador PWM de ciclo de trabajo esencialmente fijo. Necesita un controlador de regulación de corriente adecuado, y no podrá construirlo con un microcontrolador. Y sí, para un controlador de modo actual necesita, dependiendo de la ganancia, aproximadamente 10 veces el ancho de banda de entrada de su frecuencia de conmutación. Un convertidor CC/CC típico para LED funciona a 100-2000 kHz, por lo que es fácil (...)
unos pocos MHz. Incluso si la frecuencia PWM base de su controlador está justo por encima de la audición, aún necesitará un ancho de banda de entrada efectivo de unos pocos cientos de kHz para poder realizar un control estricto. Si no lo hace y, por ejemplo, su bucle de control es un orden de magnitud más lento que la frecuencia PWM, obtendrá 'latidos' (el LED se vuelve más brillante y más tenue debido al alias de retroalimentación). Un filtro de salida de corte increíblemente bajo definitivamente ayudará aquí, pero requerirá componentes bastante grandes y dudo mucho que sea tan rentable como usar un chip controlador discreto. Ni siquiera mencionar el esfuerzo de diseño.
@YaleZhang En cuanto a su pregunta sobre por qué los convertidores de capacitores conmutados no son particularmente eficientes: los reguladores de capacitores conmutados solo son eficientes cuando la salida es un múltiplo entero o una división del voltaje de entrada. Entre esos voltajes de salida, obtiene el problema de los dos capacitores y la eficiencia cae bruscamente y la ondulación se convierte en un gran problema a menos que lo filtre con LC. Como probablemente no tenga que bajar mucho el voltaje pero la entrada no es un buen múltiplo de la salida, una solución lineal es más eficiente que un convertidor de capacitor conmutado (o tendría que usar un convertidor de muchas etapas).

Espera espera espera.

¿Va a producir, como parece, un conjunto de voltajes que luego aplicará directamente a los LED? Incluso sin fallas en el convertidor, esta es una excelente manera de destruir los LED.

Pregunto esto porque los voltajes que especifica son voltajes LED estándar sin provisión para limitación de corriente.

Si esto es cierto, debe buscar fuentes de corriente, no convertidores de voltaje.

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