Elección del controlador de puerta correcto para un MOSFET en un convertidor de CC a CC

Estoy construyendo mi primer convertidor reductor simple, reduciendo 12 V a 5 V y manejando una pequeña carga de 5 Ω - 10 Ω. Algo como lo siguiente:

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o:

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Las imágenes de arriba muestran un MOSFET de canal N. Estoy confundido en cuanto a cuál sería la mejor opción para controlar el MOSFET de canal N a una frecuencia de conmutación de 10 kHz, teniendo en cuenta los parámetros anteriores.

He leído aquí que para un MOSFET de canal N puede ser necesario un circuito de accionamiento especial para encender el transistor, por lo que un MOSFET de canal P puede ser más fácil de implementar.

En cuanto al controlador de compuerta, he visto muchos, y un circuito popular y rentable parece incorporar un controlador de tótem no inversor como se muestra.

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Estaba pensando si el circuito anterior sería bueno en mi caso, y simplemente daría el pulso PWM en Rb.

- ¿Cuál sería un IC de control de puerta adecuado para un MOSFET de canal N y por qué?

- SI un MOSFET de canal P es más adecuado para esta aplicación, entonces elegiría la solución menos 'compleja' y usaría un MOSFET de canal P. ¿Cuál sería un circuito/CI de accionamiento de canal P adecuado?

Nunca antes había diseñado algo como esto, así que ten esto en cuenta :) ¡Cualquier consejo o sugerencia será apreciado!

Editar: solo para aclarar.

  1. El costo no es un problema en este caso.
  2. Un diseño más simple (menos partes) es mejor.
Hay tantos circuitos integrados que están bien diseñados para este tipo de trabajo, listos para usar. ¿Por qué no usar uno de esos?
Esto será parte de un proyecto más grande que estoy planeando, y simplemente me gustaría construir la mayor parte yo mismo, desde cero.
Comenzaría aquí. La frecuencia es bastante baja y un 1n4007 es una mala elección, demasiado lento. Utilice un simulador para comprobar su circuito.
Observe que el segundo diagrama tiene el MOSFET conectado en el lado bajo de la carga, mientras que su primer diagrama tiene el FET en el lado alto de la carga. Para obtener una buena eficiencia con el FET en el lado alto de la carga, deberá poder aplicar un voltaje de puerta superior a VIN.
Lo que hacen los circuitos integrados reguladores reductores con un circuito de condensador conmutado. Pero para un enfoque desde cero, es posible que prefiera usar un FET de canal p.
@lakeweb, gracias por la buena fuente. Definitivamente se usará para calcular la selección de componentes anterior
@ThePhoton, gracias por tu aporte al respecto. Entonces, ¿usted sugeriría un FET de canal p debido al hecho de que se debe aplicar un voltaje de puerta mayor que VIN para una mayor eficiencia? ¿Existen controladores IC que hagan esto posible utilizando un canal N?
Sí, puede buscar un IC de controlador de compuerta de lado alto. No sé exactamente qué hay disponible, ya que trabajo principalmente con circuitos integrados de controlador integrado (o regulador integrado) para este tipo de aplicación.
Aquí tiene dos opciones obvias: un FET de canal P, ya que es más fácil de manejar, aunque, según el nivel de potencia, el canal P tiende a ser más costoso y menos disponible. Alternativamente, necesita un circuito de accionamiento de 'lado alto'. Esto podría usar un transformador de accionamiento de puerta o un IC. Mi preferencia sería un IC. Funcionan almacenando la energía necesaria para accionar la puerta en un condensador. Se utiliza para alimentar la puerta cuando el transistor está encendido y se carga cuando el diodo está conduciendo. Las reglas de este sitio no me permiten hacer sugerencias de compras, pero hay muchas por ahí.
@WarrenHill, supongo que ningún IC de circuito de accionamiento de 'lado alto' funcionaría igual de bien. No estoy buscando ninguna sugerencia de compra, simplemente si la que señalé sería adecuada, y si no, ¿qué debo buscar en un IC de unidad de 'lado alto'?
No está claro cuál es el motivo de este ejercicio. Con una carga de 1 A a 5 V y una conmutación de 10 kHz, no hay ninguna diferencia en cómo conducir y qué FET. Conducir un FET de lado alto es un tema de ingeniería de circuitos integrados finos, que tiene un buen presupuesto de transistores para conducir un FET de una manera verdaderamente óptima. La forma correcta es usar un conmutador IC dedicado con FET integrado, o un controlador de conmutación, que controlará el FET externo correctamente. Entonces, ¿dónde está la carne? No veo ningún valor en este ejercicio, ni siquiera educativo. Parece más una pregunta de compras.
¿Y el resto del circuito? Amplificador de error? ¿Referencia de voltaje, convertidor PWM? ¿Quién hará todo esto si no tiene claro cómo conducir un FET de lado alto?
Usaré una carga fija, por lo que no es necesario un circuito de retroalimentación. Además, estoy aplicando una señal de 10 kHz de un generador de señales. Como dije anteriormente, no estoy pidiendo ninguna sugerencia de compra, simplemente, si un FET de canal N o de canal P sería óptimo en este caso y qué tipo de controlador sería el preferido. (Controlador Bootstrap, controlador síncrono, etc.)

Respuestas (3)

Simplemente usaría un controlador como ADP3120 o uno de sus primos. Este maneja 2 MOSFET en modo de rectificación síncrona, que será un poco más eficiente que usar un FET y un diodo. Teniendo en cuenta el bajo precio de este controlador, realmente no hay razón para construir un circuito complejo para esto.

Si desea mantener el diodo, también hay chips de controlador de lado alto.

Muchas gracias por tu respuesta y sugerencia. No entiendo por qué dice que puedo quitar el diodo cuando uso el controlador que sugirió. Por lo que sé, en un convertidor reductor, durante la fase de carga, el diodo evita que el capacitor se descargue, mientras que durante la fase de descarga, la corriente del inductor continúa fluyendo hacia el diodo de rectificación para cargar la salida. ¿No significa esto que el diodo es un componente necesario para el correcto funcionamiento de este convertidor? Sin embargo, es posible que me esté perdiendo el punto por completo y me esté yendo por la tangente.
El chip que cité maneja 2 FET, por lo que el diodo se reemplaza por un FET que tiene el mismo papel que el diodo pero menos caída de voltaje, por lo tanto, menos pérdidas. Estoy seguro de que podría encontrar controladores solo de lado alto, pero no puedo citar uno de mi cabeza.
¡Bien! Puede utilizar el motor de búsqueda digikey, categoría "controlador FET", seleccionar "controlador de lado alto" para FET+diodo o "lado alto y bajo" para 2 FET.
Encontré la sugerencia anterior que hiciste extremadamente útil. He decidido seguir adelante con este tipo de controlador. Me gustaría confirmar que se debe construir un circuito de arranque externo junto con el controlador anterior para controlar el MOSFET de lado alto. ¿Se pueden encontrar dichas modificaciones internamente en controladores similares o sería más fácil simplemente agregar estos componentes externamente? Gracias
Por lo general, si compra un chip etiquetado como "controlador de lado alto", requerirá un arranque, que es un condensador y un diodo. Algunos chips incluyen el diodo internamente. El condensador siempre es externo, por supuesto. ¿Puedes agregar enlaces al chip que planeas usar?
Con toda honestidad, el controlador al que se vinculó (ADP3120) hará el trabajo en mi circuito. Creo que el diodo está incluido internamente, pero no estoy seguro. La siguiente oración en la página 5 de la hoja de datos me confundió: "El circuito de arranque usa un capacitor de almacenamiento de carga (CBST) y el diodo interno (o externo)". Hoja de datos que se encuentra aquí: onsemi.com/pub/Collateral/ADP3120A-D.PDF
Dice un poco más "Se requiere un diodo externo", así que supongo que el texto "diodo interno" es un error ... cuando usé este controlador, agregué el diodo.

Hay muchas soluciones posibles. ¿Cuál es la mejor manera de viajar de Londres a París? ¿En coche, tren o avión? Todos funcionan, pero el costo y el rendimiento serán diferentes. Lo mismo se aplica a su problema. Si está configurado en un interruptor lateral alto, hay varias opciones diferentes. Voy a esbozar algunos enfoques comunes:

  1. Utilice una fuente de alimentación CC-CC aislada más un controlador de compuerta de lado bajo estándar, por ejemplo, MCP1416, cuyo punto de referencia es la fuente del MOSFET. Esta solución es costosa y tiene un alto número de piezas.

  2. Utilice un transformador de pulsos. Simple. El ciclo de trabajo aquí está limitado a < 50%.

  3. Utilice un controlador Buck de lado alto con arranque o un controlador de medio puente, por ejemplo, LM5109. Este es uno de los medios más simples para accionar un interruptor lateral alto. El siguiente diagrama ilustra este enfoque. Puedes leer más aquí . Solo tenga en cuenta que necesita cargar el capacitor de arranque al inicio.

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Para un convertidor reductor, también puede cambiar el MOSFET al riel de tierra. Esto se conoce como un dólar de lado bajo. Con un buck de lado bajo, puede usar un controlador MOSFET de lado bajo estándar, por ejemplo, MCP1416, que es muy simple. Sin embargo, medir el voltaje de salida se vuelve más complicado.

Para la aplicación de baja potencia que describe (~ 5 W de potencia de salida) y su demanda de un diseño simple, recomendaría simplemente usar un IC de controlador reductor simple con interruptor integrado (algunos incluso tienen un inductor / diodo integrado también). Los únicos componentes externos serían las tapas de entrada y salida (diodo e inductor) y, en algunos casos (si el voltaje de salida es ajustable), un divisor de voltaje en la ruta de retroalimentación. Estos circuitos integrados normalmente tienen notas de aplicación completas que hacen que la elección de los componentes externos sea más o menos infalible.

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