Convertidor reductor, inductor de chirridos/lloriqueos

Tengo un problema con mi convertidor de dinero casero. Se basa en un chip de control TL494 con mi controlador MOSFET discreto. El problema es que mi inductor chirría y se queja cuando la corriente de salida excede un cierto valor.

Como inductor, primero usé un estrangulador toroidal común de una antigua fuente de alimentación ATX (color amarillo con una cara blanca). Sin embargo, noté que realmente se estaba calentando, y esa no era la pérdida en mi cable de cobre, era que el núcleo no era adecuado para cambiar la aplicación, sino para filtrar. Luego desarmé un pequeño transformador de ferrita, enrollé mi propio inductor en él, pero estaba chirriando de nuevo.

Luego pensé que podría deberse a que los núcleos no estaban perfectamente pegados, así que decidí hacer esto en un transformador más grande (probablemente EPCOS E 30/15/7 con parte central redonda, pero desafortunadamente no tengo idea sobre el material utilizado en este núcleo y si tiene huecos o no), pero esta vez con los devanados retirados con cuidado sin desarmar el núcleo.

El resultado fue aceptable (mi generador de señal aún no llegó, por lo que no puedo medir con precisión la inductancia, pero está en la región de 10uH, 6 vueltas (de un par de cables para reducir el efecto piel)). Todavía chirría, pero solo a voltajes y corrientes que probablemente no se alcanzarán con mi iluminación LED (básicamente, quiero crear mi propio convertidor CC-CC para controlar el voltaje aplicado a los LED en lugar de usar PWM, lo que crea demasiado EMI ).

Aquí están las formas de onda (corriente que fluye a través del inductor, caída de voltaje medida a través de una resistencia de 0.082 Ω ~ 0.1 Ω), que capturé cuando estaba usando un núcleo de polvo de hierro (amarillo-blanco) como núcleo del inductor. Cada forma de onda está acoplada a CC.

Baja corriente de salida: aprox. 1A

Corriente - 1A fluyendo a través de un inductor

Corriente de salida media: aprox. 2A

Corriente - 2A fluyendo a través de un inductor

Alta corriente de salida: aprox. 3A. En este nivel comienza el chirrido. Pero debo enfatizar que el núcleo del inductor se calentó a ca. 90°C. Esto básicamente parecía una forma de onda desde arriba, pero modulada por una onda sinusoidal de baja frecuencia.

Corriente - 3A fluyendo a través de un inductor

No pude hacer que la forma de onda actual oscilara entre un cierto nivel sin tocar 0A. Vi que no debería alcanzarlo en imágenes de formas de onda en línea y en un convertidor reductor OSKJ XL4016 con un osciloscopio. Se veía así: (Perdón por la forma de onda pintada, pero desafortunadamente no la guardé; solo prueba el punto)

MCP

Estas son las formas de onda que obtuve con mi transformador-inductor de ferrita actual en el momento en que comienza el chirrido.

Voltaje y corriente a través de un inductor.

Canal 1 (amarillo): corriente
Canal 2 (azul): voltaje a través del inductor.

En este punto aparece un chirrido. Intenté aumentar y disminuir el capacitor de salida, pero generalmente no resolvió el problema. Además, el timbre se amortigua, cuando toco el disipador de calor MOSFET no aislado, no tengo idea de por qué existe este timbre.

Este es mi esquema (no es completamente lo que tengo en mi PCB, pero los cambios son sutiles, como un potenciómetro en lugar de 2 resistencias y un valor de condensador ajustado para obtener una frecuencia de 100 kHz). El pin 2 está actualmente conectado a Vref y el pin 16 a GND para encender permanentemente el convertidor, Vin – voltaje de entrada = 24V. Debido a la alta corriente máxima vista por el diodo D5, se reemplazó por uno más duradero para 5A:

mi esquema

D4, C2, R15 finalmente fueron reemplazados por una solución mejor y más robusta, pero no influye en las formas de onda en el inductor L1. Este es mi diseño de PCB, fue diseñado para una aplicación diferente (requiere 0.5A - 1A máx., por lo que no agregué ningún disipador de calor allí). Además, los valores de algunas resistencias y capacitores se ajustaron manualmente para lograr una buena eficiencia de ~ 86 % a plena carga, la mayor parte de la energía que se desperdicia ocurre en MOSFET Q7, probablemente debido al lento aumento y descenso de la señal de puerta y Rds (encendido), estando a 0,3 Ω.

Mi diseño de pcb

Ahora (durante la prueba) el inductor está suspendido sobre la capa de soldadura (porque es demasiado grande para caber en el espacio designado, cuando estaba diseñando esta placa no sabía que no podía usar un núcleo de polvo de hierro normal, en mi otro convertidor, basado en LM2576 funcionó bien, pero hay problemas con la regulación de voltaje, así que quería diseñar esto). Por último, registré el voltaje y la corriente a dicho voltaje, en el que el inductor comenzó a chirriar audiblemente, aquí están los resultados:

  • 5 V – 0,150 A ← tensión de salida mín.
  • 6 V – 0,300 A
  • 7 V – 0,400 A
  • 8 V - 1 A
  • 9 V – 2,5 A
  • 10 V – 2,7 A
  • 11 V – 3,1 A ← corriente de salida diseñada
  • 12 V – 3,1+ A
  • 13 V – 3,1+ A ← tensión de salida máx.

Después de eso, bajé la inductancia desenrollando 1 vuelta y comenzó a chirriar a corrientes mucho más bajas. Lo mismo sucede cuando agrego más bobinados. Cuando cambio la frecuencia, no pasa nada interesante. También calculé los valores del capacitor y el inductor usando las fórmulas provistas dentro de la hoja de datos TL494, pero también chirriaba con ellas. Cada medición de corriente se realizó en el lado de salida del inductor. He medido la ESR de mi capacitor de salida y el probador LCR-T4 mostró 0.09 Ω.

Para resumir: tengo un problema con el inductor de chirridos/chirridos y no sé cómo solucionarlo.

En todos los niveles, mis luces LED consumen menos corriente, lo que se requiere para que el inductor chirríe, pero mi corazón realmente quiere saber por qué sucede esto y qué es lo que no entiendo o entiendo mal. Por favor, ayúdame. Si me perdí algún detalle, lo escribiré en un comentario a esta pregunta. Perdón por cualquier error en mi "inglés", no es mi idioma nativo. No tengo experiencia en este campo, así que por favor, perdónenme si cometí algunos errores graves.

Editar:"En todos los niveles, mis luces LED consumen menos corriente, lo que se requiere para hacer que el inductor chirríe". chirrido. Subí un video que muestra formas de onda a YouTube mientras cambiaba la corriente de salida, la frecuencia de conmutación y el voltaje de salida. La carga es mi "carga de corriente constante" improvisada hecha de un MOSFET y un potenciómetro que regula el voltaje en la puerta MOSFET, es tosco, pero funciona. Como escribió mehmet.ali.anil (pero ahora veo que eliminó su respuesta), aumenté la inductancia a aproximadamente 200uH enrollando un cable nuevo y al final del video, puede ver que accidentalmente sintonicé la frecuencia a un valor "perfecto", que resultó en un trabajo exitoso de MCP, pero chirría silenciosamente todo el tiempo y especialmente durante el cambio de voltaje de salida. Además, la frecuencia está realmente cerca del límite, siendo ~300 kHz. Debería haber subido un video similar antes, lo siento. Aquí está el enlace para ello:https://youtu.be/tgllx-tegwo

Eliminé mi respuesta debido a un malentendido del caso.
Si el chirrido ocurre con una corriente alta, ¿podría ser la corriente de saturación la culpable? Después de un umbral de corriente, la inductancia cae abruptamente a cero, ya que el campo ya no puede crear dipolos magnéticos. Esta corriente tiene una fuerte dependencia de la temperatura y está determinada por el material del núcleo.
Drenaje a la fuente de capacitancia del disipador de calor: ecee.colorado.edu/~ecen5797/course_material/layout.pdf Mi fuente real sobre el disipador de calor fue esta en EMC: learnemc.com/pcb-layout Pensé que era interesante, por eso lo recordé él.
Probablemente no sea el problema, pero los condensadores electrolíticos solo para entrada y salida están lejos de ser siempre una apuesta segura. ¿Notas alguna diferencia si colocas, digamos, una película de 1 uF en paralelo con cada uno? ¿Qué frecuencia es el chillido? ¿Está cerca de la constante de tiempo LC de su salida?
Su conmutador se ha vuelto caótico en su ciclo de regulación, de ahí los dos tiempos de encendido diferentes. Se demuestra fácilmente que los conmutadores modelados con muchos de los parásitos tienen regiones caóticas; el IEEE Yellow Rag (revista de Sistemas y Circuitos) tenía una serie de artículos sobre estos temas.
+1 para una pregunta muy bien planteada. Claro, el enfoque es de la década de 1960, pero aprenderá mucho al persistir con su enfoque y hacer que funcione. Esto es mucho mejor que los llamados ingenieros que buscan algo en Google y no aprenden nada.
No es completamente tecnología de la década de 1960 :); cuando obtuve mi DPS5015 bastante reciente como fuente de alimentación de banco, me intrigó un poco, que puede entregar 750 W y es un convertidor de dinero. Mis experimentos con TL494, cuando no tenía osciloscopio, fallaban uno tras otro, no entendía qué estaba haciendo mal. Descubrí que DPS5015 usa TL594, y luego finalmente entendí mis errores, integré mi primer SMPS y obtuve este diseño. Su propósito era probar el diseño de mi PCB y, si todo funcionaba bien, usarlo como cargador de batería para mi UPS. Finalmente lo usé para esta prueba.
3A/us di/dt. Verificaría dos veces el valor de su inductancia. Para un inductor di/dt=V/L

Respuestas (2)

Actualizar

Aunque el 594 tiene un GBW mucho más alto y una tolerancia de 5 V más estricta que el 494, todavía tienen un diseño de referencia que usa 20 kHz en lugar de 100 kHz para la velocidad de conmutación. También permite un valor C más bajo para el control de f. Todo lo demás parece ser idéntico, por lo que puede hacer que el 494 funcione mejor con algunos cambios.

Su diseño parece tener tiempos muertos extraños, tal vez debido a una corriente de vaivén débil o un voltaje de tiempo muerto. El diseño de su controlador push-pull tiene una combinación de f / 2 (subarmónico) de f con una corriente de base débil que causa cierta inestabilidad. Por lo tanto, le sugiero que reduzca las resistencias base a 330 ohmios en lugar de 10 K y use 20 kHz de un solo extremo a Rc = 10x Rb para controlar el FET con un divisor de voltaje o Zener si es necesario para limitar Vgs a 20 V.

Esta combinación permite un tiempo muerto del 1 % y una regulación más estricta del 0 % al 99 % de PWM. Pero verifique la configuración de tiempo muerto.

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Los componentes magnéticos pueden producir ruido audible, ya que contienen muchos elementos físicamente móviles, como bobinas, cintas aislantes y bobinas. La corriente en las bobinas produce campos electromagnéticos que generan fuerzas de atracción y/o repulsión entre las bobinas. Esto puede producir una vibración mecánica en las bobinas, núcleos de ferrita o cintas de aislamiento, y los oídos humanos solo pueden escuchar el ruido, cuando la frecuencia de conmutación de la fuente de alimentación está en el rango de 20 Hz a 20 KHz.

posibles correcciones

  • reduzca las oscilaciones de flujo Bpp mediante opciones de Imax/Imin y velocidad de conmutación
  • evitar inversiones de flujo si se utiliza en modo CC con corriente CM con una carga mínima de >=5 %. ( no es ideal)
  • Minimice la resistencia L, DCR, que provoca un aumento de paso antes de la rampa de corriente y agrega efectivamente ondulación, por lo tanto, ruido al circuito de control. Calcule la relación L/R y compárela con la constante de tiempo C*ESR para un límite bajo de ESR y, por lo tanto, reduzca las constantes de tiempo del reactor.

La ferrita tiene dominios magnéticos que provocan histéresis cuando la corriente invierte la dirección. Excitar estos con corriente luego de volver 0 A estimula alguna Vibración, pero ¿por qué?

Hipótesis

Si el subarmónico f/2 es inestable, lo que resulta en un ancho de pulso modulado y se mezcla con el f principal de 100 kHz utilizado en la frecuencia de ciclo inferior, puede haber un chillido de audio superhet de 100k - 50k que produce este sonido de 0 a 50 kHz.

  • los cambios en el filtro de retroalimentación es un filtro de adelanto y retraso pueden mejorar esto.

Actualización #2

El operador descubrió por accidente cómo hacer un filtro de adelanto de fase para mejorar la estabilidad https://m.imgur.com/nBEd18F , la siguiente mejora es un "filtro de adelanto-retraso" de fase para optimizar el margen de estabilidad. Podría usar dos gorras y una serie R en lugar de 1 gorra. Una tapa es 10 veces más grande con una serie de aproximadamente 1/10 de la R utilizada para controlar Vdc. Tiene una C más grande y una R más baja para reducir el rango de voltaje de corrección del cable de pulso pero sin amplificar demasiado la ondulación que una tapa de derivación 1/10 más pequeña. en // con la retroalimentación R que actúa como un HPF para reducir el contenido de frecuencia más alta en los pulsos para reducir la ondulación de salida. (Lo siento, no hay esquema con mi dedo en la pantalla táctil)

  • actualización final

Cuando la corriente se detiene en el inductor, decimos que está operando en modo discontinuo (DCM) y el interruptor debe estar abierto en este momento y se aplica poca carga de corriente. El interruptor presenta una pequeña capacitancia en serie con L que crea una resonancia // paralela de alta impedancia de 6MHz en su última curva que decae en < 10us. Esto se amortigua por la resistencia de la piel y la frecuencia más baja por la capacitancia de la piel+cuerpo. (?100k//200pF??) cuando se toca el disipador de calor pero no es el problema del ruido.

Este es el diagrama esquemático actual de mi controlador MOSFET: imgur.com/VWLBdt3 . En el anterior tuve caídas de voltaje (no pude encontrar la fuente, por encima de cierta corriente, el voltaje cayó mágicamente, incluso cuando usé un regulador LM317 en lugar de un diodo zener), este solucionó el problema.
Si funciona, está bien, pero la reducción de impedancia BJT es subóptima 3k2 tp 2k a 2k a FET cuando podría ser 330 o 470 a FET
Resulta que no agregué ningún tiempo muerto, debido a que la resistencia tira de ese pin a tierra. Ahora que agregué un potenciómetro para regular el voltaje de 0 V a 5 V, pude ajustar el tiempo muerto en un voltaje y corriente de salida específicos, eliminó el lloriqueo por completo PERO cuando bajé el voltaje, el silbido volvió, Aumenté el tiempo muerto, está bien, pero luego no pude volver al voltaje más alto debido a la disminución del tiempo de encendido. Otro problema es que puedo elegir el voltaje deseado y luego aumentar la corriente; Cuando lo hago al revés, vuelve el silbido.
El silbido suele ser demasiado alto, por lo que la corriente de ondulación del inductor es demasiado alta.
Agregué un capacitor de película en serie (verifiqué su ESR con mi probador LCR-T4 y mostró 0.00 Ω), pero no hizo nada. Probé de nuevo con un núcleo de polvo de hierro, pero esta vez en CCM, pero es la misma historia que antes: con cierta potencia de salida funciona, pero con otra chirría. En última instancia, volví a mi último estado de "trabajo" siendo un transformador de ferrita, 6 vueltas de cable, DCM. Funciona, pero no como me gustaría que funcionara. Definitivamente regresaré a este tema en el futuro, pero ahora no tengo idea de qué podría hacer de manera diferente (además de usar el segundo comparador como limitador de corriente).
Sin embargo, no intentaste nada de lo que dije. Use un BJT de un solo extremo con 330 en el colector y ejecútelo en un solo f inferior. Sin subarmónicos o cambios de pulso positivos en el ancho del pulso
Tu tira y afloja no es bueno aquí.
Cambié el controlador, rebobiné el inductor con 1 toque, dándome opciones: 60uH, 110uH, 320uH. Para resumir: funciona, pero cuando el ciclo de trabajo supera el 50%, comienza a chirriar, lo que requiere que aumente el tiempo muerto y luego ingresa a CCM en lugar de DCM. Cuando bajo el voltaje, el proceso se repite, pero aquí radica el problema: el ciclo de trabajo general se reduce, por lo que cuando aumento el voltaje de salida, luego la corriente, el voltaje cae, porque el convertidor no puede mantenerse al día con un ciclo de trabajo más bajo. Lo mismo sucede en los 3 inductores. Aquí está el enlace: youtu.be/W5TNQeSOvdg
Creo que finalmente encontré la solución: agregué un capacitor de 4 nF en este lugar: imgur.com/nBEd18F , y parece estar funcionando bien, la transformación de DCM a CCM finalmente funciona sin chirridos. Todavía no es perfecto, intentaré cambiar el inductor de 60uH (en 320uH no funciona) a algo diferente, volveré a mi hoja de Excel para recalcular el valor y ver qué sucede. Si de alguna manera su respuesta dijo esto (no entiendo todo), entonces confírmelo. Haré algunas pruebas adicionales y publicaré los resultados.
Este es mi "controlador" MOSFET actual, porque no tenía resistencias de 150 Ω 1W, he usado un par de 200 Ω, como en el esquema: imgur.com/CC4Totx
Puedes usar 1k entonces
No vi la segunda actualización, cuando publiqué mi respuesta, todavía soy nuevo en este servicio. Tengo problemas para entender lo que quisiste decir, pero haré todo lo posible para probar esta idea también.

La solución para resolver este problema es agregar un comentario negativo, como se explica en este video https://youtu.be/wNnOfF1NkxI?t=1584. En primer lugar, agregué un capacitor entre la salida y el pin de retroalimentación del TL494, parece haber resuelto el problema, pero no funciona tan bien como agregar una retroalimentación negativa adecuada. He hecho algunas pruebas que prueban esto: primero, aumento la corriente de 0A a 3A y luego cambio la frecuencia del oscilador de ~ 170 kHz a ~ 20 kHz y luego subo al "choque" (supongo) de TL494 ⇒ más allá de 300 kHz y luego vuelve a ~170 kHz. Traza amarilla: voltaje en el capacitor del oscilador, Traza azul: corriente que fluye a través del inductor. El inductor ahora no lloriquea sino que silba, depende del núcleo usado, porque cuando probé con EI, se notaba menos (durante la noche la cinta se aflojó y el inductor comenzó a chirriar, ahora estoy experimentando con esmalte de uñas como un forma de pegar el núcleo y aún poder desarmarlo), Esta prueba se realizó con un núcleo EE pegado de fábrica. La captura de pantalla de una aplicación de "espectroide" se realiza cuando la corriente de salida está en 3A y en la parte inferior se puede ver el momento de 20 kHz y en la parte superior de 300 kHz.

Retroalimentación negativa + capacitor https://youtu.be/S9KfA9NNXkE retroalimentación negativa + capacitor

Comentarios negativos https://youtu.be/h1AN7rQTDa4 retroalimentación negativa

Condensador https://youtu.be/7h7OzDj9q8Y condensador

Nada (problema inicial) https://youtu.be/nVOfPynJRGE nada

Por retroalimentación negativa y condensador, quiero decir:explicación

Más tarde comprobaré si mi controlador MOSFET push-pull funciona bien ahora. Si es necesario, puedo hacer una grabación más avanzada y mostrar la frecuencia generada por el inductor correspondiente a la frecuencia del oscilador.

El I_supply_min es I = U / (R25 + R7) = 19v /(200+200) = 0,05A (12v -> 0,03A), ¿0,05A es demasiado grande? ¿Se puede configurar R25 entre 2K...200K sin daño funcional? (Ver: 19 voltios hacen que el Vcc del portátil entre 12 y 21 voltios, 19*0,05 = 1 vatio. La potencia de la mini-PC 1% CPU = 20 vatios en total, 1 vatio es demasiado grande).
Convertidor reductor, inductor de chirridos/lloriqueos
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