Regulador de voltaje y corriente de transistor único

Estoy en el proceso de diseñar una fuente de alimentación de laboratorio para mí como una oportunidad de aprendizaje. Sin embargo, me he topado con un obstáculo en mi diseño. Estoy tratando de usar un solo mosfet Vishay IRF520 como un regulador lineal de bricolaje para la regulación de corriente y voltaje. No puedo encontrar ningún regulador LDO que sea de un solo pin ajustable hasta casi 0 V que no sea el LT3083 de Linear Technologies, pero el LT3083 tiene algunas fallas en sus clasificaciones máximas, particularmente en el voltaje de entrada. Por lo tanto, un regulador de bricolaje.

El por qué está en las especificaciones de mi diseño de suministro y en la arquitectura:

  • Suministro de riel único para carga de prueba
  • Regulación lineal de corriente y voltaje.
  • Voltaje de salida ajustable de 0V (o lo más cerca posible) a 20V
  • Límite de corriente ajustable de 0A (o lo más cerca posible) a 2A
  • Control por microcontrolador

Aquí hay un desglose de la arquitectura actual de la fuente de alimentación:

  • Arquitectura de seguidor de voltaje que utiliza prerregulador de modo de conmutación de 4 interruptores buck-boost
    • La salida de voltaje es de 2 V-22 V a una corriente máxima de 2,5 A.
    • Este máximo de 22 V del prerregulador excede la entrada máxima de 18 V en el LT3083 si la salida tiene un cortocircuito a tierra
  • Tensión y corriente de entrada y salida detectadas mediante amplificadores operacionales
    • Los sensores de voltaje usan un simple seguidor de voltaje no inversor de un divisor de resistencia de 1/10
    • Los sensores de corriente utilizan amplificadores diferenciales con una ganancia de 5 en resistencias de derivación de 200 mΩ
  • Toda la detección directa y el control del suministro de modo de conmutación y el regulador lineal son manejados por el μC a través de ADC, DAC y ePot en el bus I²C
  • Los amplificadores operacionales se alimentan a través del mismo suministro de 12 V que el prerregulador smps para garantizar un funcionamiento estable del amplificador operacional

Partes que no se muestran en la captura de pantalla adjunta que juegan un papel:

  • Microcontrolador: Atmel ATMega328P (la familiaridad con Arduinos influyó en esta elección)
  • DAC: máximo MAX5815
    • DAC de 12 bits y 4 canales
    • Configurado para usar una referencia interna de 4.096 V, conectado al pin de referencia de ADC
    • Controles I_SET y V_SET
  • ADC: Texas Instruments ADC128D818 (ADC de 12 bits y 8 canales)
    • Recibe VIN_SENSE, IIN_SENSE, ILIM_SENSE, IOUT_SENSE y VOUT_SENSE

CAPTURA DE PANTALLA

Para explicar lo que debería estar pasando en cada uno de los amplificadores operacionales, de izquierda a derecha (los sensores de voltaje no se muestran):

  1. El VCC que ingresa desde la parte superior izquierda varía de 2 V a 22 V a un máximo de 2,2 A del prerregulador SMPS y pasa a través de la derivación de 200 mΩ, lo que se traduce en una caída de 0 V a 440 mV a través de la derivación que es amplificada por el amplificador diferencial (Amp 1) con una ganancia de 5 a 0V-2.2V
  2. IIN_SENSE, salida de Amp 1, alimenta el ADC y la entrada no inversora del limitador de corriente (Amp 2, un amplificador diferencial de ganancia unitaria). I_SET, una señal de 0 V a 4,096 V del DAC, alimenta la entrada inversora de Amp 2. I_SET se resta de IIN_SENSE y la salida de Amp 2 (ILIM_SENSE) permanece bloqueada en 0 V hasta que IIN_SENSE supera I_SET (y entra en el modo de limitación de corriente) . Cuando ILIM_SENSE supera los 0 V, se activa el pin de interrupción del ADC, lo que alerta al μC de que el modo de limitación de corriente está activo y monitorea activamente IOUT_SENSE para garantizar que se mantenga constante.
  3. ILIM_SENSE alimenta el ADC y la entrada inversora del limitador de voltaje (Amp 3). La entrada no inversora del Amp 3 recibe la señal V_SET (también 0V-4.096V) del DAC. ILIM_SENSE se resta de V_SET para reducirlo cuando ILIM_SENSE sube por encima de 0V. Cuando ILIM_SENSE es 0V, Amp 3 emite pistas con V_SET.
  4. La salida Amp 3 alimenta la entrada no inversora del regulador lineal (Amp 4). La entrada inversora de Amp 4 es alimentada por un divisor de voltaje de 1/10 de la salida de Q_REG (IRF520 MOSFET), y la salida de Amp 4 alimenta la puerta de Q_REG para regular tanto el voltaje como la corriente simultáneamente.
  5. Amp 5 es un sensor de corriente separado, idéntico en diseño al Amp 1, que retroalimenta al ADC. El microcontrolador utiliza la retroalimentación de los cuatro sensores para ajustar I_SET y V_SET en consecuencia a medida que cambian las características eléctricas de las resistencias de derivación y Q_REG mientras una carga está conectada a la fuente de alimentación, para garantizar una regulación constante y estable de voltaje y corriente.

Al menos, así es como creo que se supone que debe funcionar. Estoy cuestionando todo esto, y necesito un control de cordura. Estoy tratando de evitar usar otro IRF520 (para evitar introducir otro R DS en el riel), pero después de examinar el gráfico V DS vs. I D en la hoja de datos del IRF520 (fig. 1, página 3), tengo la sensación de que bajar el voltaje de salida del regulador para regular también la corriente no va a funcionar simplemente porque el voltaje de salida y la corriente de mi proyecto se mantienen dentro de la región de saturación del mosfet.

Ya busqué diseños para usar un amplificador operacional y un mosfet como fuente de corriente constante, y si necesito absolutamente un segundo mosfet en el lado alto de Q_REG como regulador de corriente, podría usar la salida de Amp 5 como el sentido de la resistencia. Pero quiero evitar usar un segundo mosfet si es posible.

Todavía no he probado nada de este diseño. No tengo configurado mi banco de trabajo y tampoco tengo una fuente de alimentación suficiente para usar en las pruebas.

Cualquier entrada aquí sería muy apreciada.

Demasiado largo: considere llegar al punto de manera más sucinta si desea respuestas.
Puede conducir fácilmente la salida de voltaje a 0V. Pero necesitará un pequeño suministro de voltaje negativo disponible para que pueda reducir su salida hasta 0V. ¿Por qué no hacer arreglos para un suministro negativo de peso ligero a, digamos, -5V, con su corriente positiva pasando por un circuito de retorno a tierra donde puede monitorear la corriente y controlarla también?
@jonk De hecho, estoy considerando usar un TI LM324N para los amplificadores operacionales. Puede oscilar hasta 0 V en un solo suministro de riel. No es un amplificador operacional de riel a riel, pero está bien siempre que pueda alcanzar 0V.
Me gusta un 0V exacto para un suministro de laboratorio y haré un esfuerzo adicional para eso. Pero ese soy yo. ¿Planea usar un microcontrolador para usar PWM para establecer dos voltajes de control diferentes, uno para el voltaje y otro para el límite de corriente? ¿Quieres una forma de calibrar los ceros ? Finalmente, creo que debe comenzar con un paso más corto: un suministro de voltaje regulado simple (sin límite de corriente, sin micro) para que también pueda hacer algunas pruebas. No entraría directamente en todo esto sin una unidad algo más simple con la que trabajar en el banco.
@jonk Iba a usar el MUC para eso, pero la filtración necesaria en el PWM se convirtió en un dolor de cabeza. Así que elegí un DAC para él y el MAX5815 tenía características que ni siquiera sabía que estaba buscando... fueron útiles para esto. Al igual que sus referencias de voltaje interno. ¡Cosas realmente bonitas! Además, ya estoy bastante familiarizado con el uso de un LM317 como regulador de voltaje y corriente, por lo que ya hice el paso corto. :) ¡Dando un gran salto para aprender cosas con esto!
Un diseño de suministros de laboratorio debería verse mucho más simple, con un micro. Usaría un PBJT en lugar de un NMOS para poder acercarme al riel (tal vez), y usaría un opamp para aceptar un control PWM VSET y un voltaje de retroalimentación. Un opamp para monitorear la corriente del lado de retorno y aceptar otro control PWM ISET y conducir un BJT para alejarse en la línea VSET. Si quisiera molestarme, entonces dos amplificadores operacionales más para corregir el control de voltaje por la caída de unos cientos de milivoltios, en el peor de los casos, para la resistencia del lado de retorno utilizada para monitorear la corriente. 2 o 4 amplificadores operacionales, microcontrol, ese es el siguiente paso por encima de lo básico.
Haría un esfuerzo adicional para usar un LDO en la etapa de salida. Por todos los medios, implemente el control de voltaje y el límite de corriente con amplificadores operacionales que controlan el voltaje de retroalimentación del LDO, pero la protección térmica que brindan la mayoría de los LDO es muy valiosa para mí. Puede perder mucho tiempo obteniendo la protección térmica correcta, lo que puede ser difícil, o usar un LDO y un disipador de calor de tamaño razonable y olvidarse de eso.
Comentario de paso: presumiblemente sabe esto, pero la redacción dejó y la ambigüedad. Esto es trivial pero no siempre obvio: puede regular el voltaje O la corriente al mismo tiempo, pero no ambos. (El Sr. Ohm lo dice). Si tiene CC establecido en, digamos, 1A y aumenta el voltaje en el modo VC desde 0, entonces el suministro entrará en el modo de regulación actual cuando V_set/Rload > I_CC_set. De manera similar, un suministro en modo VI con Vset establecido en algún valor entrará en VC cuando Iset x Rload > Vset. Tu lo sabías :-).

Respuestas (1)

Es trivial usar un elemento de paso único (en este caso, el MOSFET IRF520) en una fuente de alimentación con voltaje y corriente ajustables. Todo lo que necesitas es un diodo.

El regulador de voltaje debe poder accionar la puerta agregando o quitando carga, o en otras palabras, accionando la puerta con más o menos voltaje, según lo que se necesite para mantener la regulación de voltaje.

El regulador de corriente, por otro lado, es de una manera: solo reduce la corriente. Aumentar la corriente requeriría forzar el voltaje más alto dada una carga fija, y luego perdería la regulación del voltaje. El regulador de voltaje establece el voltaje 'máximo', pero el regulador de corriente solo se preocupa si la corriente excede un máximo establecido. En todas las situaciones posibles, solo necesita hacer una cosa: reducir el voltaje, lo que finalmente reduce la corriente. Entonces solo necesita bajar el voltaje. Nunca forzarlo.

Así que usa un diodo. Ponga uno en serie con la salida del regulador de corriente. Use resistencias en serie (que dependen de los amplificadores operacionales y sus valores nominales de corriente y potencia) de modo que el regulador de corriente siempre pueda absorber más corriente de la que puede generar el regulador de voltaje, y eso asegurará que el regulador de corriente siempre pueda sobrecargar el regulador de voltaje. lo desea cuando lo necesita, pero no puede forzar el voltaje más alto (lo que requeriría que el regulador de corriente genere corriente, lo que evita el diodo).

Algo como esto:

Esquemático

Esta es solo una de las muchas maneras de hacerlo. Otra opción sería usar un BJT en lugar de un MOSFET como elemento de paso y conducir su base usando una fuente de corriente constante. Coloque diodos tanto en el regulador de voltaje como en el regulador de corriente, y solo necesitan absorber más o menos corriente lejos de la base para aumentar o disminuir el voltaje. De esta manera, el regulador de corriente ni siquiera necesita dominar al regulador de voltaje, ya que ninguno puede generar corriente, por lo que cualquiera de los reguladores solo necesita poder absorber la misma corriente máxima que puede proporcionar la fuente de corriente constante.

Esto es solo lo que se me viene a la cabeza, probablemente hay una docena de otras formas de lograrlo. Otra forma popular es usar el regulador de corriente para controlar el voltaje de entrada del regulador de voltaje, por lo que regula la corriente al reducir el voltaje que el regulador de voltaje está tratando de producir. Pareces demasiado obsesionado con una parte de esto que no es un problema y tiene muchas soluciones diferentes, todas las cuales funcionan. No hay nada extraño o difícil en usar un elemento de pase.

No existe una ley física que diga que solo debe tener un bucle de control que controle la puerta de un transistor.

Ahora, esta es la razón por la cual su circuito definitivamente nunca funcionará.

Odio ser el portador de malas noticias, pero ahí está el problema. No tengo tiempo para criticar todo su circuito, pero aquí están las fallas fatales obvias que evitarán que funcione:

1. Debe conducir una puerta MOSFET de canal N con varios voltios, generalmente 5-10 V por encima del voltaje de la fuente. Esto significa que su amplificador operacional debe emitir 30 V si desea obtener una salida de 20 V. Si está alimentando su amplificador operacional desde un riel de 12 V, solo obtiene una salida máxima de unos pocos voltios del IRF520. Necesita 5 V más que el voltaje de la fuente para conducir 1 A, y caerá 50 V al hacerlo. No tiene 50 V, por lo que se necesitará aún más voltaje para encenderlo lo suficiente. Parece que piensa que la caída de los reguladores de voltaje tiene que ver con el elemento de paso. no lo hace Los MOSFET son resistivos en su región de saturación, por lo que es una resistencia de muy bajo valor. A 2A, suponiendo que se le proporcionen 10 V por encima de la fuente en su puerta, tendrá una resistencia de 270 mΩ, por lo que caerá 540 mV.

La caída en los reguladores lineales proviene del amplificador de error (amplificador operacional), no del elemento de paso. Si conecta el amplificador operacional directamente al riel de voltaje de entrada, que es de 22 V, entonces solo podrá oscilar dentro de un par de voltios más o menos de esto, y de ahí es de donde proviene su caída. Por supuesto, eso es si estuvieras usando un BJT. Dado que está utilizando un MOSFET, su caída es básicamente un mínimo de 10V. Por lo tanto, debe alimentar su amplificador operacional con 10 V por encima del voltaje de salida máximo, o 30 V, para lograr el rango de voltaje deseado. No hay ningún truco para evitar esto. Aún necesitará alimentar el amplificador operacional desde el riel de entrada con un par de voltios adicionales si usa un BJT. Además, se necesitan muchas cosas para garantizar un funcionamiento estable del amplificador operacional, pero un riel de voltaje constante no es una de ellas. Si lo fuera, los reguladores lineales de 3 terminales no podrían existir.

2. A los amplificadores operacionales no les gustan las cargas capacitivas. En otras palabras, no les gusta que se conecten puertas MOSFET a sus salidas. La puerta de un MOSFET es un capacitor, y cargarlo es lo que enciende y apaga el FET. Ahora, afortunadamente, ha elegido un FET de capacitancia de puerta relativamente baja, lo cual es bueno. Pero aún necesitará realizar una compensación de frecuencia significativa para garantizar que sus amplificadores operacionales sean estables en todas las condiciones de carga. En otras palabras, necesita saber cómo hacer diagramas de Bode, averiguar el margen de fase, saber qué significan las palabras cero y polo y, en general, sentirse cómodo haciendo análisis de dominio de frecuencia de su circuito. Hasta que lo haga, no podrá producir una fuente de alimentación de laboratorio estable y que funcione, excepto quizás accidentalmente. E incluso entonces, nunca lo sabrássi es estable, solo conocerá un subconjunto de cargas que no lo harán oscilar o sobrepasar (y probablemente destruirá lo que esté conectado a él).

Pero, dijiste que esto era para que pudieras aprender, ¿verdad? Bueno, una fuente de alimentación de laboratorio es una forma fantástica de aprender todo lo que acabo de mencionar. Mientras eso suene como las cosas que quieres pasar tu tiempo aprendiendo (y todas son muy útiles en mi opinión), ¡entonces no te rindas! Simplemente no espere construir esto y que realmente funcione pronto o sin un poco más de aprendizaje y trabajo.

3. No puede regular hasta 0 V sin una fuente de voltaje negativo o tierra virtual. Que es más o menos lo mismo de todos modos.

Ningún regulador de voltaje puede regular hasta 0 V sin algún tipo de fuente de voltaje negativo para absorber la corriente de polarización. Para que un regulador regule, la corriente debe fluir y no hay corriente que fluya a 0V. Esto es física de corte. Si desea 0V, necesita un riel de voltaje negativo. Fin de la historia. Y no, el LT3083 no es más inmune a este requisito que cualquier otra cosa. De la página 11 de la hoja de datos LT3083:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Por lo tanto, necesitará repensar su estrategia de riel de voltaje para sus amplificadores operacionales para empezar. Pero esa es la parte fácil. Sobre todo regulando a 0V. Simplemente encienda el pin de alimentación negativo del amplificador operacional desde un par de voltios bajo tierra, y no tendrá problemas para cambiar a 0V, y podrá regularse a 0V. No se necesitan otros cambios. No necesitas rieles eléctricos simétricos ni nada. Los amplificadores operacionales no saben ni les importa qué potencial arbitrario ha decidido llamar a tierra. Los amplificadores operacionales van a ser amplificadores operacionales (sí, estoy usando amplificador operacional como verbo) sin importar cómo estén alimentados. A menos que estén alimentados por un potencial más amplio que su rango de voltaje, entonces los amplificadores operacionales van a explotar. Pero de lo contrario, van a funcionar como amplificadores operacionales.

De todos modos, sigue así: en realidad, esta es una excelente manera de aprender mucho sobre el lado analógico de la electrónica. Por favor, no se desanime, este es un buen proyecto y se alegrará por él en el futuro si se apega a él hasta su conclusión. ¡Haz un futuro sólido y sigue trabajando para lograr este objetivo, incluso si está más lejos de lo que esperabas!

Regulador de voltaje y corriente de transistor único
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