Generación de alto voltaje (100 V+) a partir de un suministro USB de 5 V

Los convertidores elevadores se pueden hacer pequeños. Y no hay muchas otras opciones allí. Una bomba de carga sería más grande, y ni siquiera vale la pena mencionar un transformador.

Por lo tanto, hagamos un pequeño convertidor de refuerzo que sea apropiado para esta aplicación. Sin embargo, hay algunas cosas diferentes de los requisitos de impulso típicos: la corriente extraída del USB debe estar dentro de las especificaciones (500 mA, o la computadora puede desconectar el suministro de su clave), y no le importa la precisión del voltaje, regulación de carga , relación de rechazo de suministro, o cualquier cosa generalmente importante para los reguladores típicos. Además, el tiempo de inicio no es importante (con suerte, porque a 5 V 500 mA máx., lleva bastante tiempo cargar un condensador grande a 100 V).

Una última cosa: la cantidad de condensadores que desea cargar (dijiste 5) es, por supuesto, irrelevante. Lo que debería habernos dicho es la capacitancia total (supongo que 4.7 µF, que es aproximadamente la capacitancia en el asesino USB , creo, ya que aparentemente es lo que quiere hacer).

Aquí está el circuito (sí, es casi un diseño completo que hice... las preguntas sobre el diseño completo no siempre son bienvenidas aquí, pero en este caso, ha sido divertido):

Aquí está el pastebin para la simulación en LTSpice (la simulación lleva mucho tiempo con una tapa de depósito C4 tan grande; puede reducir C4 a aproximadamente 100 nF para que sea mucho más rápido, pero mantenga el "IC = 0").

Así es como funciona. El circuito se divide en dos partes:

La parte de aumento de voltaje

Debido a que, como dije, los requisitos son diferentes a los suministros de impulso típicos, opté por no usar un IC regulador de impulso estándar, sino un esquema más simple. Esto también hace que el diseño sea más pequeño.

El objetivo es cargar C4 continuamente. De hecho, monitoreamos la corriente a través del inductor (a través de R3) y, usando un comparador simple (U1) con histéresis, procedemos de la siguiente manera: encendemos M1 y esperamos que la corriente del inductor alcance aproximadamente 600 mA (en realidad pasamos los 500 mA, pero la corriente promedio está por debajo). Entonces M1 se apaga y el inductor se descarga a través de C4, aumentando así su voltaje. Cuando la corriente a través del inductor cae por debajo de 100 mA, repetimos. Eso cargará C4 poco a poco. En realidad, puede alcanzar cualquier voltaje arbitrario con esto, siempre que se mantenga por debajo de las clasificaciones de los componentes elegidos (pero, por supuesto, se vuelve más y más difícil cargar C4 a medida que aumenta su voltaje). Se tarda unos 30 ms en alcanzar los 100 V con un límite de 4,7 µF (si el límite es más pequeño, se tarda menos).

La parte de descarga

Esta parte también está utilizando un comparador con histéresis (U2). Cuando el voltaje alcanza aproximadamente 100 V, el comparador activa el PFET de descarga (M2) y mantiene su voltaje de compuerta bajo hasta que el voltaje cae a aproximadamente 25 V. Luego se detiene y el proceso se repite potencialmente, con C4 siendo cargado nuevamente por el impulso (siempre que haya un suministro de 5V). Por lo tanto, puede descargar el voltaje acumulado a cualquier ruta de señal que desee (probablemente D+/D- del USB).

Elección de componentes

La elección de los componentes es fundamental. Por supuesto, L1, C4, D1, M1, M2 y Q1 deben resistir más que el voltaje objetivo (tal vez al menos 120 V - 150 V). Con respecto a C4, tenga en cuenta que es difícil encontrar un condensador de voltaje tan alto en el rango de unos pocos µF en SMT con dimensiones pequeñas. Probablemente, el más pequeño es usar un electrolítico (en lugar de 5 cerámicas SMT). El inductor se ha elegido aquí con un valor bajo (10 µH) para mantener pequeñas sus dimensiones. Tenga en cuenta que un valor pequeño no es un problema en sí mismo, pero requiere que el comparador U1 sea más rápido (la carga debe realizarse a una frecuencia más alta para mantenerse por debajo de la corriente nominal USB). Con el valor actual del inductor, el comparador U1 es realmente crítico. La simulación funciona con LTC6752, pero pueden existir alternativas más baratas (¿MCP656x, tal vez?). Si usa un inductor de 100 µH, Sin duda, tendrá muchas más opciones. Además, el rango de voltaje de entrada del comparador debe incluir tierra. Y la salida debe ser lo suficientemente alta para poder activar el FET. Hay menos restricciones para el comparador U2 (por supuesto, usar un solo chip para ambos comparadores haría que la solución fuera más pequeña). Ambos comparadores deben tener salidas push-pull.

Lo último: los inductores SMT pequeños generalmente no tienen clasificaciones de voltaje. Eso es triste. Aquí hay respuestas de stackexchange sobre eso:

• Valores nominales de voltaje máximo de los inductores SMD
• ¿Debería preocuparme por el uso de inductores estándar en aplicaciones de conmutación de alto voltaje?

Defectos

Este diseño no es a prueba de balas. Hay varias cosas que deberían mejorar:

• La parte de refuerzo continúa funcionando incluso cuando el PFET de descarga está encendido. Esto tiene efectos no deseados, el principal es que crea un gran consumo de corriente del USB 5V (varios amperios) mientras se descarga. El riesgo aquí es que la computadora apague el suministro USB y no pueda continuar.
• Por la misma razón (la parte de refuerzo continúa funcionando), si no hay una ruta de descarga (por ejemplo, los cables D+/D- están rotos), el voltaje de la tapa del depósito continuará aumentando indefinidamente, explotando su propia llave USB en algún momento ( ¡suicidio!).
• Si realmente destruyó con éxito cosas en la computadora host, es posible que la computadora apague el suministro USB de 5 V de todos modos, apagando así el PFET de descarga y evitando que pueda dañar más cosas (¡quiero más daño! ¡Quiero más daño! !). Debería haber un gran depósito de 5V para mantener el suministro de opamp de descarga durante más tiempo, incluso si desaparecen los 5V principales.
• Su circuito en sí no está protegido en el suministro de 5V. Dado que está inyectando alto voltaje no sabe dónde, tal vez vuelva a usted, matando su propia llave USB. Se debe agregar una protección contra sobretensiones (lo mínimo que debe hacer es un zener).
• Todas las referencias de voltaje utilizadas en los comparadores se derivan del suministro USB de 5V. Eso puede no ser muy inteligente, especialmente si los 5V pueden explotar.
• Probablemente muchas otras cosas... El principal defecto es: ¿ por qué diablos querrías hacer eso? . Oh bien...

Con esta relación de aumento relativamente alta (1:20), comenzaría mirando un convertidor flyback. Esto tiene la ventaja secundaria de que la salida está inherentemente aislada de la entrada. Eso es útil cuando esa salida puede lastimar gravemente a alguien, como lo pueden hacer 100 V.

En un convertidor flyback, se utiliza un transformador para transferir energía desde la sección de entrada a la sección de salida. El transformador se usa realmente como dos inductores acoplados ya que el primario y el secundario no conducen al mismo tiempo.

El lado de entrada conecta el primario del transformador al voltaje de entrada por un tiempo fijo. Un diodo en serie con el secundario está orientado de modo que no fluya corriente allí durante este tiempo. Por lo tanto, el primario es solo un inductor del circuito de conducción. El tiempo de pulso es lo que sea necesario para cargar el inductor casi al máximo.

Entonces, la corriente primaria se corta abruptamente. El voltaje producido por el secundario ahora cambia y el diodo en serie puede conducir. El secundario ahora parece un inductor, pero uno que está completamente cargado. Un pulso de corriente pasa por el diodo y carga un capacitor. El pulso comienza alto, luego decae exponencialmente a medida que se descarga el inductor. Cuando este pulso de salida se detiene, se repite todo el proceso.

Parte del alto voltaje en la salida en relación con la entrada proviene de la relación de transformación del transformador, que se puede generar con relativa facilidad en un amplio rango. Esta relación no está disponible en un convertidor elevador simple, por lo que los convertidores flyback se pueden fabricar más fácilmente con relaciones de alto voltaje.