Opciones de diseño óptimas para controlador mosfet para convertidor reductor CC-CC

Estoy tratando con una aplicación en la que se usa un convertidor DC-DC para transformar un voltaje de entrada de 15V DC en voltajes más bajos. La configuración actual utiliza un LM27222 con dos mosfets en configuración push-pull. El voltaje de salida se linealiza en un filtro LC.

Aquí hay una imagen del esquema general utilizado.

LM27222

El LM27222 es impulsado por una señal PWM con una frecuencia portadora de 65 KHz. Los mosfets utilizados son del tipo FDMS86101DC. El voltaje de nivel lógico es de 5V. La corriente de salida para diseñar el sistema es de 10A. La carga es resistiva. El sistema funciona bien, pero se han planteado algunas preocupaciones para evitar colisiones entre los dos mosfets (ambos transistores encendidos), especialmente durante la secuencia de encendido/apagado. Esto sucedió un par de veces durante la prueba de nuevos firmwares, pero, muy probablemente, el problema estaba relacionado con el ingeniero de prueba que no "tocó" con tanto cuidado los cables de salida generando un atajo destructivo.

Según uno de los nuevos ingenieros con los que hemos estado trabajando, deberíamos:

  • Sustituye el LM27222 por otro driver, el L6388E, que debería ser mucho más estable que el LM27222 y evitar cualquier cambio de colisión, incluso en secuencias de transición.
  • Agregue un diodo en serie con el mosfet de lado bajo. Este diodo debe agregar protección adicional durante transitorios
  • Agregue un filtro complejo a la línea Vin. El filtro debe tener un inductor de modo común y uno de modo diferencial, junto con un condensador electrolítico grande y varios condensadores cerámicos pequeños. Según el ingeniero, este filtro debería limitar la demanda de energía pulsada de la fuente de alimentación y dar como resultado un diseño más "amigable con el cumplimiento" para cumplir con las regulaciones de EMC (compatibilidad electromagnética). El Vin proviene de un adaptador de corriente de escritorio AC-DC y le preocupa que el cable de conexión de la fuente de alimentación a la tarjeta electrónica pueda irradiar frecuencias debido a la potencia pulsada requerida. Además, dado que varias de estas fuentes de alimentación se rompieron durante las pruebas, el ingeniero también sospecha que estamos generando un ruido importante en la fuente de alimentación, lo que provoca fallas.

Aquí hay una imagen del esquema interno L6388E.

L6388E

Me gustaría hacer dos preguntas:

  1. ¿Es necesario realizar todos los pasos sugeridos por el ingeniero? El cambio de LM27222 es particularmente doloroso y lo evitaría si no da claras ventajas.
  2. Si decidimos mantener la configuración actual con el LM27222, ¿cómo podemos manejar la señal LEN para evitar problemas en el arranque y apagado del sistema?
¡No agregue un diodo en serie! Eso no tiene sentido. Si agrega un diodo, perderá la ventaja del rectificador síncrono y el rendimiento será incluso peor que el esquema del regulador buck simple.
Definitivamente estoy de acuerdo con Todor Simeonov, un diodo violaría todo el concepto de un rectificador síncrono. El diseño recomendado de la hoja de datos es un buen punto de referencia y nunca tienen un diodo de este tipo.
Buen punto allí. De hecho, tenía muchas dudas al respecto.
¿Cómo usas la señal LEN en este momento? ¿Y por qué dice que los problemas ocurren durante el arranque o el apagado? ¿Has observado algo en esta dirección o es solo una suposición?
@nickagian. Mantenemos LEN BAJO al inicio. Esperamos alrededor de 100 milisegundos para permitir que el sistema se encienda por completo. Luego mantenemos LEN HIGH y después de 100 milisegundos comenzamos a dar la señal PWM al pin IN para controlar el convertidor. ¿Tal vez deberíamos esperar más de 100 milisegundos en el arranque?

Respuestas (3)

El L6388E no se ve tan bien en la hoja de datos de su aplicación. Por ejemplo (y esto me preocupa) dicen que la frecuencia operativa máxima recomendada es de 400 kHz y que el tiempo muerto de disparo es nominalmente de 320 ns. Eso significa que el tiempo muerto puede ser el 13 % del ciclo de conmutación general. No parecen recomendar condiciones operativas nominales y tampoco ofrecen un circuito "típico" en su hoja de datos.

El Vcc mínimo para la pieza parece ser de 9,1 voltios y está muy por debajo de los 4 voltios a 6,85 voltios en su esquema predeterminado.

Agregar el diodo en serie con el MOSFET inferior es algo extraño de recomendar y anula la eficiencia obtenida al usar un MOSFET de sincronización.

Gracias. ¿Podría recomendar un diseño adecuado para un filtro de entrada para el convertidor DC-DC? ¿Sería suficiente un LC estándar o deberíamos buscar filtros más complejos? Para nosotros sería necesario filtrar la mayor parte de la EMI y evitar que se irradie a través del cable de alimentación. No estoy seguro de cuán "sucia" puede ser la línea de entrada de un convertidor de CC de este tipo con una frecuencia de conducción de 65 KHz ...
@Francesco son conjeturas y, a veces, un buen diseño puede resolver problemas de mal diseño. La desventaja de un filtro de paso bajo LC es que los volcados de carga pueden y se propagarán a través del chip y provocarán una duplicación transitoria del voltaje de entrada, lo que destruirá el chip. Es complicado sin algo que continuar, por lo que tengo que ser reacio a responder en términos generales. Piense en el filtro de entrada como un filtro de paso bajo RC y luego coloque el inductor en paralelo con la resistencia para obtener bajas caídas de voltaje de CC, por lo tanto, diseñe un filtro RC pero agregue el inductor como un medio para dar a la corriente continua una ruta directa.

La primera línea en la hoja de datos LM27222 dice

Protección adaptable contra disparos, tiempo muerto de 10 ns

...y al final de la página 6

PROTECCIÓN DE DISPARO ADAPTABLE El LM27222 evita la pérdida de potencia de disparo al garantizar que los MOSFET de lado alto y bajo no estén conduciendo al mismo tiempo.

(explicaciones más detalladas a continuación)

Atribuiría sus FET quemados a un deslizamiento de la sonda de alcance... sucede... (me sucedió una vez).

Los FET quemados pueden tener muchas otras causas, por ejemplo, un mal diseño:

  • Picos de tensión al conmutar (alta inductancia de alimentación, mal desacoplamiento...)
  • Oscilación FET (demasiada inductancia de rejilla, trazas largas...)
  • Chip que se vuelve loco (falta de desacoplamiento, etc.)

No se recomienda el diodo en serie con el MOSFET de lado bajo. La idea general de tener un convertidor síncrono es mejorar la eficiencia en comparación con un convertidor que tiene un diodo en lugar del MOSFET. El diodo estaría en contradicción con este concepto.

Con respecto al filtro de entrada, si necesita cumplir con las regulaciones de EMC, creo que se enfrentará a este problema en el futuro. En este caso, se recomienda un filtro de modo común y de modo diferencial. Lo que suelo hacer es usar un estrangulador de modo común entre la entrada y el convertidor. Luego, después del chocke, uso un capacitor de 10nF entre las dos líneas de entrada y también un capacitor de 10nF entre cada línea de entrada y GND. También antes del estrangulador, puse el mismo capacitor de 10nF entre las líneas y adicionalmente una red RC (10Ohm, 10nF) entre cada línea y GND. Y este es mi filtro para EMC y ayuda a bloquear el ruido en ambas direcciones. Por supuesto, también se necesita un montón de condensadores a granel de desacoplamiento.

Aquí hay un esquema de la etapa de entrada (la parte del circuito alrededor de los dos transistores se usa para limitar la corriente de entrada durante el arranque):ingrese la descripción de la imagen aquí

Ahora bien, es difícil decir si la ausencia de dicho filtro tiene algo que ver con sus fuentes de alimentación defectuosas. Pero considere esto: si está creando un cortocircuito al permitir que los dos MOSFET conduzcan al mismo tiempo, ¡este cortocircuito también se aplica a Vin! Y podría suceder que tal caso sea destructivo para la fuente de alimentación externa.

Gracias. ¿Podría publicar un esquema del filtro de entrada que estaba explicando?
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