Consideraciones de enrutamiento para un convertidor Buck

Su pregunta es extremadamente vaga, por lo que probablemente nadie la haya respondido.

Entonces, voy a suponer que pretende que su pregunta sea más o menos estas dos preguntas específicas:

1. ¿Funcionará?

No, no funcionará, por razones irrelevantes para su diseño.

Ha caído en la trampa comprensiblemente común de confundir 'ajustable' con 'variable/variable'. Un regulador de salida ajustable significa que en lugar de un voltaje de salida fijo, puede ajustar el voltaje de salida fijo al que se regulará. No hay ninguna implicación de que funcionará bien, o incluso en absoluto, en una aplicación de voltaje de salida variable . Variar, por supuesto, significa que el voltaje de salida regulado variará durante la operación. Todos los medios ajustables es que puede ajustar una salida fija. Todavía está fijo durante la operación. Es por eso que todos los ejemplos en la hoja de datos, así como la placa de evaluación, tienen salidas fijas.

Ahora, el término 'ajustable' tampoco implica que no se pueda usar en una aplicación de salida variable. Pero es importante entender que si una parte es ajustable, no hay motivo para pensar que puede variar la salida mientras está en funcionamiento, o que la parte está diseñada para hacerlo. Tienes que determinar eso parte por parte.

Seleccionó un controlador histerético de tiempo constante (COT), que es una buena opción para una salida variable, pero esta parte no se diseñó teniendo esto en cuenta. Los controladores COT son extremadamente sensibles al ruido en su ruta de retroalimentación. Normalmente, un COT diseñado para salida variable tendrá un pin de control dedicado que no estará directamente en la ruta de retroalimentación, mitigando gran parte de esta sensibilidad (los medios específicos dependen de la pieza). No existe tal pin en el LM5085.

Esto es importante porque un controlador COT seguramente NO tolerará tener un limpiador de carbón ruidoso literalmente raspando, mecánicamente, junto con más carbón con cualquier desecho de los dedos y restos de gatos (o lo que sea) que se hayan abierto camino en dichas superficies del limpiador. Un controlador histerético es, en esencia, un oscilador comparador, lo que lo convierte en una ganancia extremadamente alta y se ve afectado por un ruido que ni siquiera se registraría en un amplificador de error en modo corriente más común. Probablemente ni siquiera toleraría un potenciómetro sentado allí, sin ajustarlo durante la operación. Si lo coloca lo suficientemente lejos como para que no se acople de forma capacitiva o absorbente (como en una antena) a su nodo de conmutación, entonces sus rastros son demasiado largos de todos modos y actúan como maravillosas antenas autocaptantes de EMI.

Si desea variar la salida de este controlador, debe hacerlo sin elementos electromecánicos ruidosos (¡no se permiten partes móviles!) o variar la resistencia real de la ruta de retroalimentación. Deberá usar inyección de corriente, probablemente con un DAC de salida de corriente. Sí, eso es una tarea difícil. No, no hay forma de evitarlo. Es eso o elige un controlador PWM de modo actual más tradicional.

Vale la pena mencionar que la inyección de corriente no es específica de los COT, pero se puede usar como un método muy efectivo, confiable y de bajo ruido para variar el voltaje de salida de CUALQUIER controlador, ya sea lineal, PWM, histerético, etc. Es bastante universal.

Y, en realidad, es una suerte hilarantemente tonta, ¡en realidad hay una publicación de blog de TI que demuestra hacer exactamente lo que he descrito con su parte exacta! ¡Hurra!

Segunda pregunta:

2. ¿Qué pautas debe seguir al diseñar un convertidor reductor?

Por lo tanto, te preocupas principalmente por las cosas equivocadas, o te preocupas mucho por las cosas que no importan mucho y te preocupas muy poco por las cosas que sí importan.

Primero, algunas notas rápidas:

1. 5A no es realmente una corriente alta, y su corriente de salida en realidad no indica mucho sobre qué corrientes ocurrirán en un circuito. En un convertidor reductor, generalmente habrá muchas veces la corriente de salida en ciertas áreas.

2. Nada en su tablero es de alta frecuencia/frecuencia más alta. La alta frecuencia, en el contexto del diseño, comienza en los cientos de megahercios y más. Nada medido en kilohercios está ni siquiera dentro de dos órdenes de magnitud de alta frecuencia.

3. Creo que está confundiendo el timbre inducido por dV/dT y su frecuencia de conmutación. Cuando varias notas de la aplicación de diseño para conmutadores hablan de frecuencias altas, esto no tiene nada que ver con su frecuencia de conmutación. De hecho, el mismo convertidor a 400 KHz sonará a las mismas frecuencias que a 40 KHz.

El ruido/EMI de alta frecuencia del que se habla depende del tiempo de subida, dV/dT, de sus interruptores (MOSFET y diodo, en su caso) y de las inductancias y capacitancias parásitas involucradas en su nodo de interruptor. Recuerde, tiene una capacitancia parásita de todo a todo (si hay un dieléctrico/aislante en el medio), y cualquier cosa conductora también es un inductor. ¿Qué obtienes si tienes un condensador o un inductor en serie, o en paralelo, o simplemente mirándonos de forma divertida? Sí, obtienes un tanque resonante LC. Por lo general, la capacitancia parásita es demasiado pequeña para importar, pero la capacitancia de entrada de su MOSFET, así como los capacitores de entrada que descargan docenas de amperios directamente a través del MOSFET en su nodo de conmutación que se conecta a un conductor del inductor... definitivamente importa. Y son del tamaño justo para hacer desagradable,

La mayoría de las veces, pasan desapercibidos porque se necesita un golpe tremendamente rápido para hacer sonar tal campana. Desafortunadamente, nuestro MOSFET es bastante ideal para tocar esta campana y convencerla de que suene. Cuanto más rápido sea el tiempo de subida, más fuerte y de mayor frecuencia será el timbre. Puede encenderlo 40,000 veces por segundo, o 400,000 veces por segundo, pero se enciende con la misma rapidez y fuerza cada vez, sin importar cuántas veces presione el interruptor por segundo. A esto me refiero con que su frecuencia de conmutación no sea relevante.

En un convertidor reductor, su principal preocupación es la entrada , no la salida. Por encima de todo, desea colocar sus condensadores de entrada lo más cerca posible del interruptor del lado alto y del lado bajo. Este es su nodo de conmutación. El que suena. Y lo más cerca posible significa lo más cerca posible. 1 nanohenry hará una diferencia significativa. Sí, 1 nanohenrio. Cada milímetro importa.

También desea que las tierras de sus capacitores de salida estén lo más cerca posible de las tierras de sus capacitores de entrada. Pero esto es secundario, y algo para optimizar sin tener que sacrificar la proximidad de los capacitores de entrada a sus interruptores. Los convertidores reductores funcionan absorbiendo grandes pero breves tragos de corriente en la entrada que precede a la rampa de corriente inductiva más lenta que constituye un ciclo de nuestra corriente de ondulación.

Entonces, por supuesto, esas partes TO-220 deben desaparecer. ¡Ese cable y cable de conexión probablemente agreguen 5 nanohenrios solos! Necesita un buen paquete de montaje en superficie con inductancias de drenaje/fuente medidas en cientos de picohenrios. No un TO-220 voluminoso que bien podría ser un rascacielos con lo alto y lo lejos que se encuentra en esos cables. Milímetros desperdiciados.

Ah, y los únicos condensadores que importan son sus cerámicas. Los electrolíticos tienen demasiado ESL, son completamente resistivos a 100 KHz, o 150 KHz si usa tipos de alta frecuencia, y solo pueden filtrar la corriente de ondulación incluso si la frecuencia es lo suficientemente baja. ¿Recuerdas lo rápido y fuerte que se enciende ese MOSFET? Los electrolíticos son totalmente incapaces de descargar la carga en los tiempos de aumento de nanosegundos que exige el interruptor. Su inductancia lo impide, por lo que, si bien ni siquiera han liberado el primer par de carga de sus placas, ese interruptor ha reducido su voltaje (sin un búfer capacitivo capaz de reaccionar) y su ondulación de conmutación los ha disparado de vuelta a lo que sea que esté alimentando. su convertidor CC/CC. A bajas frecuencias, habrá estos armónicos de alta frecuencia que pasarán directamente a través de los electrolíticos sin atenuarse de manera efectiva.

Los electrolíticos son para suavizar la caída de baja frecuencia y proporcionar un gran desacoplamiento masivo, pero son inútiles en cualquier lugar cerca de su bucle de conmutación principal, e incluso a frecuencias más bajas, aún deben tener un condensador de cerámica delante de ellos, más cerca de su nodo de conmutación.

La cerámica es lo único que tiene capacitancia, en lo que respecta al ruido del que debe preocuparse (al menos de un conmutador).

Ahora, ninguna de estas cosas necesariamente evitará que su circuito funcione. Y esta no es una guía completa o detallada, pero nuevamente, estoy respondiendo una pregunta vaga y solo puedo dar respuestas vagas. Con suerte, eso le dará una mejor idea de lo que está sucediendo al menos, y debería servir como un buen punto de partida para continuar aprendiendo.

Puedo editar esta pregunta más tarde y agregar una lista más exhaustiva, pero necesito irme a la cama por ahora. ¡Perdón!