Controlador MOSFET para convertidor elevador alimentado por batería y controlado digitalmente

Tengo un circuito alimentado por una sola celda de iones de litio. Contiene un microcontrolador alimentado con 3,0 V directamente desde la celda (a través de un regulador lineal LDO).

Este circuito tiene una carga de 12 V, por lo que diseñé un convertidor elevador para aumentar el voltaje de la batería y, para ahorrar costos, en lugar de usar un controlador IC SMPS, implementé la lógica de control en el software dentro de la MCU. , emitiendo la señal de conmutación MOSFET desde un GPIO con el mismo nivel de voltaje que el suministro de la MCU (es decir, 3,0 V) y capacidad de fuente/sumidero de corriente limitada. Por lo tanto, se requiere un controlador de puerta.

Encontrar un circuito controlador de compuerta adecuado ha resultado ser una tarea abrumadora, especialmente porque a la mayoría de los MOSFET no les gusta funcionar con solo 3,0 V. Mi primer intento fue usar el FAN3111 como controlador de compuerta, pero no presté atención a su mínimo voltaje de suministro de 4.5 V. Estaba destinado a ser suministrado desde la salida de 12 V del convertidor elevador, pero esto creó un problema de arranque: antes de comenzar a cambiar el MOSFET, la salida de mi convertidor elevador es el voltaje de la batería menos una caída de diodo, por lo que no es suficiente para encender el controlador de la puerta y, por lo tanto, la conmutación no comenzará.

Investigué las siguientes posibilidades, pero ninguna es completamente satisfactoria, así que estoy buscando nuevas ideas:

  1. Utilice un circuito integrado de bomba de carga o incluso un pequeño convertidor elevador para generar la tensión de alimentación para el controlador de compuerta. Se siente como construir una máquina Rube Goldberg, además después de sumar el costo del nuevo IC de suministro (y el circuito de apoyo), el controlador de puerta y el MOSFET, es más barato reemplazar todo el artilugio con un IC regulador de conmutación integrado.

  2. Utilice un circuito integrado de controlador de compuerta de tipo seguidor de emisor complementario, como este . También es más económico que el FAN3111, pero requeriría un cambiador de nivel de la MCU a la entrada del controlador de compuerta, suministrado por la salida del convertidor elevador. Inicialmente, el MOSFET cambiaría mal debido al problema de arranque, pero después de recibir algo de voltaje, funcionaría bien. Esta idea funciona en principio, pero no he tenido la suerte de encontrar un cambiador de nivel adecuado. Algo así como el CD4504podría funcionar, pero es un IC físicamente grande de 16 pines y no puedo pagar el espacio de la placa. Hay otras opciones pero empiezan a ser caras. También consideré usar un BJT/MOSFET barato cableado como puerta NOT, con una resistencia pull-up desde el colector hasta el voltaje de salida del convertidor elevador. El problema es que, para ahorrar energía, tendría que usar una resistencia pull-up de alto valor, lo que evita que el MOSFET funcione lo suficientemente fuerte: el controlador de puerta solo puede entregar 19 mA si se alimenta desde un 10 kΩ impedancia, de acuerdo con la hoja de datos.

  3. Use el mismo IC de controlador de compuerta de tipo seguidor de emisor complementario que en (2), pero descarte la idea de cambio de nivel, aliméntelo directamente desde la MCU, y vaya con un MOSFET de Vgs (th) bajo. La elección de MOSFET es más limitada, pero esto podría funcionar. Sin embargo, según la hoja de datos, el voltaje de salida del controlador de compuerta podría ser tan bajo como 2,2 V con 3,0 V aplicados y tan alto como 0,5 V con 0,0 V aplicados. Estoy especialmente preocupado de que un MOSFET de Vgs (th) bajo esté a punto de conducir con 0.5 V aplicados. No estoy diciendo que esto no pueda funcionar absolutamente, pero la falta de espacio libre se siente preocupante.

¿Alguien puede señalar alternativas que me estoy perdiendo?

Respuestas (2)

Creo que ha cubierto la mayoría de las opciones, aunque se me ocurre una que no mencionó explícitamente es hacer una bomba de carga manualmente. No es inviable ya que tienes un microcontrolador. Si tiene acceso a pasivos baratos, eso podría ser más barato que un IC de bomba de carga.

Sin embargo, la opción más económica, pequeña y eficiente probablemente sea la solución integrada. También es más simple y tendrá más posibilidades de funcionar correctamente en todas las condiciones. Las empresas de semiconductores ganan mucho dinero creando controladores reguladores de conmutación que son más baratos y más pequeños de lo que podría crearlos manualmente. Dicho esto, hay algo que decir sobre el control adicional que proviene de hacerlo usted mismo.

Pero, no puedo pensar y no conozco ninguna otra solución potencial, así que solo por diversión, exploremos la máquina de Rube Goldberg y veamos si realmente es demasiado complicada.

Aquí hay una simulación rápida que armé del circuito completo:esquema del convertidor boost

Aquí están los voltajes de arranque y salida (tenga en cuenta la carga de 100 mA arriba):Vout y Vboost

Aquí está la forma de onda de la unidad de puerta (100 KHz) una vez que se estabiliza:ingrese la descripción de la imagen aquí

LTSpice informa las siguientes potencias promedio:

  • Q2: 11.478mW (picos de 9W)
  • Q3: 17,457 mW (picos de 2,7 W)
  • M1: 26mW (picos de 60W al principio, picos de ~10W una vez estables)
  • D5: 4,74 mW (picos de 60 mW una vez estables)
  • V1-V4: 71.931mW + 1.448W + 70.483mW + 1.6649mW promedio
  • R5: promedio de 1,152 W, lo que nos da una eficiencia promedio del 72,3 % durante 40 ms.

Arriba, en la esquina superior izquierda, tenemos nuestro generador de voltaje de arranque (bomba de carga Dickson). No es el mejor diseño, pero en la simulación te da 9-12V a un voltaje bajo de dos GPIO (V1 y V3) en tu microcontrolador PWMming uno frente al otro. LTSpice dice que la corriente promedio de V1 y V3 es de 1,3 mA, pero el pico es de alrededor de 120 mA. Estoy seguro de que podría modificarlo para que sea mucho más fuerte (use uno de esos circuitos integrados de controlador de puerta no inversora como un búfer para la señal de 0-3V en los condensadores). En términos de componentes, los diodos Schottky a menudo vienen en paquetes de dos, por lo que son dos y medio SOT-23 y cinco tapas MLCC. Alternativamente, podría usar el IC de la bomba de carga en lugar de todo esto.

Cerca del medio tenemos nuestro controlador de puerta de tótem (también conocido como emisor-seguidor) y el cambiador de nivel simple. Alguien me dijo una vez que los controladores de puerta son como poner cajas dentro de cajas. Comienza con una caja pequeña (capacidad de potencia y voltaje), coloca esa caja en una caja más grande, y así sucesivamente hasta que alcance los niveles de voltaje y potencia de la unidad requeridos. El tótem (Q2 y Q3) debería ser inquietantemente similar al ZXGD3009DY que mencionó en la opción 2 y se puede reemplazar con un solo IC. El cambiador de nivel (Q1, Q4, R1-R4) es un arreglo muy simple, desequilibrado (la impedancia de bajo nivel es un poco más alta que la impedancia de alto nivel... pero a ese tótem no le importa demasiado) que funciona bastante bien en esta situación. Si es necesario,

Alternativamente, podría sugerir algo como el MCP1406 en lugar del controlador de puerta discreto, ya que integra el cambio de nivel y debería funcionar con lógica de 3V (2.4V min Vih, 0.8V max Vil).

Todo lo demás es el circuito de refuerzo (M1, L1, D6, C6) y el microcontrolador (todas las V excepto V2).

En total, necesitaría los siguientes componentes (aparte de las partes del convertidor elevador):

  • 3x diodos duales, 5x MLCC 10uF caps (o 1 bomba de carga IC).
  • 1x NPN y 1x PNP coincidente (o 1 IC emisor-seguidor).
  • Resistencias 1x NPN, 1x PNP y 4x.

Son 8-14 componentes bastante pequeños y no lo consideraría demasiado intimidante o como Rube Goldberg. La solución totalmente integrada tiene básicamente todos esos componentes en su interior (excepto las tapas), además de lógica de retroalimentación y demás.

Realmente creo que la única pregunta es si necesita o no el control de un circuito discreto o la eficiencia y el factor de forma pequeño de una solución completamente integrada.

Después de mucho buscar, encontré el siguiente circuito:

Controlador de puerta de cambio de nivel

( crédito )

Cumple con mis requisitos: consumo de corriente cero, excepto durante las transiciones de estado), cantidad de piezas bastante baja (especialmente si se construye con arreglos de MOSFET), voltaje de rango completo en la salida y conducción de baja impedancia de todos los MOSFET; no hay pull-ups aquí para presentar requisitos contradictorios entre la corriente de reposo y la velocidad de carga de la puerta.

La simulación del circuito no tuvo éxito, pero se construyó una versión muy improvisada, utilizando cables largos que deberían agregar bastantes parásitos. Sin embargo, el circuito parece funcionar en principio, como se muestra en la siguiente captura de alcance:

Captura de alcance del circuito.

La traza amarilla es una señal de 24 kHz generada por un microcontrolador con un nivel de 3,3 V (un voltaje similar, de una fuente de alimentación de banco, se conectó al riel V2). Se conectó una fuente de 6 V a VDD y el voltaje de salida se muestra como el trazo verde.

Hubo un problema con el alto consumo de corriente (un poco menos de 100 mA), pero eso probablemente se deba a las corrientes de disparo durante la conmutación, que supongo que se debe a parásitos excesivos, cortesía de la técnica de construcción improvisada. Esto se probará en un PCB en el futuro para verificar esta hipótesis.

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