Fondo

Para un proyecto de hobby, diseñé una placa que utiliza el regulador CC/CC LTC3355 para que funcione como fuente de alimentación. Soy ingeniero de software de oficio y, por lo tanto, estoy totalmente mal equipado para diseñar y solucionar correctamente este circuito. Este es uno de mis primeros tableros, y seguramente contendrá casi todos los errores de principiante que puedas imaginar. Probablemente he elegido un circuito demasiado complicado para mi nivel de conocimiento, pero así es la vida :).

Puedo proporcionar vistas de osciloscopio de cualquier nodo de mi circuito si alguien puede recomendar lo que necesito medir.

Este IC tiene tres funciones principales:

1. Regulador reductor mientras la potencia de entrada está disponible
2. Cargador de supercondensador
3. Aumente el regulador mientras la potencia de entrada no esté disponible (fuente de corriente del supercondensador).

Ficha de datos

La hoja de datos está disponible aquí: http://www.linear.com/docs/44566 .

Problemas

Tengo dos problemas (posiblemente relacionados) con las funciones 2 (carga) y 3 (impulso). La funcionalidad de buck funciona según lo previsto y obtengo una eficiencia satisfactoria y estabilidad de salida.

Esta pregunta tiene la intención de centrarse en la funcionalidad de impulso problemático, pero si la carga se resuelve al mismo tiempo, mucho mejor.

Cuando desconecto la alimentación de entrada y hay una carga baja o nula en la salida, la salida se regula bien (aunque algo más ruidosa que durante la operación reductora) y la carga del supercondensador se usa para mantener el voltaje de salida.

Sin embargo, cuando la carga aumenta ligeramente, a alrededor de 50 mA, el voltaje de salida cae a aproximadamente 4 V, y V_out y V_scap parecen muy ruidosos. V_scap obtiene oscilaciones de alrededor de 2V pico a pico, a un voltaje promedio de 2V. La corriente máxima nominal es de 1A, por lo que no debería ser ningún problema.

En segundo lugar, cuando conecto el pin EN_CHG a +5 V (y la alimentación de entrada está disponible), el supercondensador no se carga en absoluto. Tampoco se extrae corriente de la entrada.

Configuración

• Voltaje de entrada: 7-20V
• Voltaje de salida: 5V
• Supercondensador: 100F, 2.7V
• No hay resistencia de ajuste de límite de corriente de entrada.
• Las resistencias y los capacitores son de tamaño 0805 para simplificar la soldadura manual y acomodar el enrutamiento entre las almohadillas, manteniendo la placa de un solo lado.
• Ambos inductores están blindados y clasificados para su uso en suministros de modo de conmutación muy por encima de 1Mhz como se usa en este circuito) y tienen una gran capacidad de corriente.

He configurado el IC muy cerca del diseño de referencia proporcionado en la hoja de datos, con algunas diferencias menores. Los divisores de voltaje se han modificado ligeramente para dar una salida de 5 V (dentro de las especificaciones) y un voltaje máximo de supercondensador de 2,7 V.

Mis inductores tienen la misma inductancia que el diseño de referencia y están clasificados muy por encima de la frecuencia del regulador.

_{(fuente: lineal.com )}

Posibles Causas

Aquí hay algunos posibles problemas que conozco, en los que difiero del diseño de referencia o las recomendaciones de la hoja de datos, que podrían afectar negativamente el rendimiento de mi circuito:

1. Contrariamente a las recomendaciones de la hoja de datos, las buenas prácticas de diseño y el buen juicio, he diseñado el circuito en una placa de circuito impreso de un solo lado, debido al hecho de que carezco de herramientas para taladrar y fabricar placas de circuito impreso multicapa. Sin embargo, no me he encontrado con problemas térmicos, como sugiere la hoja de datos, pero otros aspectos de diseño también se ven afectados negativamente por esta elección:
2. Conexión a tierra deficiente (derivada del punto 1) que posiblemente cause todo tipo de problemas de interferencia. Supongo que este es el culpable más probable.
3. El pin de retroalimentación del IC está en el lado opuesto de lo que está midiendo, así que tuve que usar un cable aéreo para evitar enrutarlo por toda la placa. Esto es subóptimo... Se utiliza una capa diferente para este propósito en la placa de demostración del fabricante.
4. La imagen de referencia de la hoja de datos menciona un supercondensador entre 1 y 50F. Solo tengo un supercondensador de 100F a mano, pero no pensé que esto causaría ningún problema.
5. Malas habilidades de soldadura. El IC y los inductores se soldaron con aire caliente (sin cables expuestos, y podría haberlo dañado por el calor excesivo. Creo que todas las almohadillas tienen contacto y he comprobado que no hay cortocircuitos. La funcionalidad que realmente funciona sugiere que sí lo hacen. tener contacto Los pines PFOB, RSTB y CPGOOD responden en caso de falla de energía, salida fuera de regulación y pérdida de voltaje del capacitor.
6. Algunos de mis condensadores son generalmente de un paquete más grande (todos 0805) que los circuitos de referencia, lo que (he aprendido) altera el circuito equivalente y podría cambiar la respuesta de frecuencia de mi sistema.

lo que he probado

He intentado agregar condensadores cerámicos adicionales entre el supercondensador y tierra, como se ve en la placa de demostración lineal aquí (C10 y C11). Estos condensadores no están presentes en el circuito de ejemplo de la hoja de datos: _{(fuente: linear.com )}

Esto no hizo ninguna diferencia significativa en mantener el regulador de impulso en la regulación.

La placa de demostración también enumera varios capacitores OPT (¿opcionales?), que no están en el diseño de referencia de la hoja de datos. No he probado a poner nada en estos lugares.

Diagrama de circuito y disposición de la placa

Tengo problemas para que DipTrace presente el diseño de mi placa de una manera más legible, por ejemplo, mostrando mejor los componentes. Por esa razón, también proporciono una representación en 3D, que brinda una vista complementaria.

Esquemático:

He aquí, el horror. PCB y su vista 3-D:

He tratado de mantener las rutas actuales lo más gruesas posible y los nodos sensibles relevantes lo más pequeños posible, pero el diseño de un solo lado es limitante... Los nodos con líneas azules están conectados por cables de aire cortos. Los pads 14 y 13 tienen resistencias desplegables a tierra para establecer de forma predeterminada el modo PWM y no se cargan (no visibles en las imágenes). Las líneas rojas dentro de L1 son de un relleno de cobre "sin verter" y no son cobre real en el tablero real.

La almohadilla inferior expuesta del IC se usa para conexión a tierra y la enruté por las esquinas.

La potencia de entrada está conectada al polígono debajo de la etiqueta C6 y el relleno del suelo. El supercapacitor está conectado al polígono en la etiqueta L2 y el relleno del suelo

Pensamientos finales

Me pregunto si está totalmente condenado a fallar tener este circuito en una placa de un solo lado, mientras que la placa de demostración del fabricante usa 4 capas, o si mi intento se puede salvar de alguna manera. La hoja de datos menciona ajustar la red de compensación en el pin V_cbst si es necesario, pero no tengo idea de cómo hacerlo, excepto probar aleatoriamente otros valores de componentes. Me falta una amplia variedad de valores de capacitores y ordenaré más si obtengo recomendaciones plausibles.

Actualizar

Después de deshacerme de los cables con pinzas de cocodrilo, como recomendó Michael Karcher, y arreglar uno de los cables de puente, obtuve algunas mejoras. Anteriormente solo podía alcanzar una carga máxima de ~130mA, mientras que ahora puedo alcanzar aproximadamente 350mA. Esto todavía está lejos de la salida nominal de 5 A del convertidor elevador. Sin embargo, mi objetivo es ~1 A, que estaría al mismo nivel que el regulador reductor que se usa cuando hay energía de entrada disponible.

El supercondensador ahora está soldado a la placa, utilizando aproximadamente 1 cm de cable en cada terminal del condensador.

El trazo amarillo es Vout y el trazo azul es Vcap.

Con aproximadamente 0-5 mA de carga, así es como se ve la forma de onda, con una frecuencia de conmutación de 1 Mhz visible. Modo Boost, carga de 5mA:

Sin embargo, a aproximadamente 55-60 mA, la forma de onda cambia abruptamente de apariencia a esta, con una frecuencia más cercana a los 100 kHz. Aquí, el voltaje de salida todavía está regulado a aproximadamente 5V. Modo Boost, carga de 60mA:

Con la corriente de carga máxima que puedo alcanzar, a ~350 mA, el voltaje de salida se ha reducido significativamente a 4,5 V. Modo Boost, carga de 350mA: