Пусть он скажет мне: «Ты старый осел, ты не так жил, я буду жить по-другому».
Я пойму, но пусть говорит! Но он молчит. Недавно один мой молодой коллега (ММК) попросил меня посмотреть на непонятные вещи, происходящие в его разработке.
Изделие представляло собой повышающий преобразователь 5В в 5В, основной целью которого была компенсация падения напряжения на кабеле, соединяющем внешний DVD-привод с интерфейсом USB. Преобразователь был построен на основе микросхемы MAX669 в режиме «самоподдержка», схема соответствует рекомендованной и, тем не менее, устройство не заработало — выходное напряжение составило 4 В, то есть питание 5 В.
минус падение на проводах, минус прямое падение на диоде.
Смотрим осциллограмму на затворе транзистора, видим там 90% заполнения при амплитуде сигнала 4В, но транзистор не открывается.
Здесь следует уточнить, что ММК использовал отечественные транзисторы типа 2П?208А.
Сами транзисторы неплохие, параметры вполне приличные, но напряжение открытия по характеристикам от 2,5В до 4В, поэтому транзистор имеет право не открываться при 4В на затворе - mea maxima culpa. Первый крик Ярославны (пЯ): как я уже говорил выше, параметры транзистора вполне приличные, но (естественно) есть один небольшой недостаток (по крайней мере в документации) - если статические параметры указаны в необходимом объёме, то динамические параметры (за исключением обобщенного емкостного затвора) указаны чуть больше, чем ничего.
Причем само время задержки включения и выключения есть в документации и конкретный транзистор показал себя вполне неплохо по производительности (когда мы увеличили входное напряжение так, что он начал открываться и схема начала работать), но эти параметры приведены в технических характеристиках в разделе «справочные данные», причем называются «стандартными значениями», то есть на них нельзя опираться при проектировании устройства, «от слова вообще», которое резко ограничивает возможную сферу применения вышеперечисленных компонентов.
Причина такого решения разработчиков транзисторов для меня остается загадкой, если кто-то из них читает этот пост, поясните, пожалуйста, в комментариях.
Ладно, меняем транзисторы на импортные (импортозамещение не получилось) типа IRF7103 (они как раз были на руках) с напряжением открытия от 1,0В до 3,0В, схема начинает работать, но немного странно - затвор все равно 90 % полный, транзистор работает, но выходное напряжение 3,5В, при этом от 5В потребляется почти 2А.
Отключаем привод, картина не меняется, потребление сосредоточено в нашем продукте.
Видим, что микросхема TUSB9261, отвечающая за преобразование интерфейса USB в IDE, греется, начинаем смотреть осциллограммы на ее ножках, начиная (естественно) с тактового генератора и.
внешнее потребление чудесным образом снижается до 0,2А.
Повторяем включение, снова видим дефект, припаиваем конденсаторы с обоих концов кварцевого резонатора и плата начинает нормально включаться - mea culpa. Второй момент: конечно, нельзя надеяться, что генератор будет работать без конденсаторов, но цепь сброса присутствует (RC-цепь) и функционирует, так почему же микросхема висит в каком-то промежуточном и явно неработоспособном состоянии - я могу Не скажу, что я понимаю мотивы разработчиков из Texas Instruments. Поскольку вероятность того, что они читают этот пост, не очень велика, я не буду предлагать объяснять причины такого поведения микросхемы.
Снова включаем плату - выходное напряжение стабилизируется на уровне 5В, подключаем привод и включаем снова - выходное напряжение становится равным нужным 5В, но через некоторое время падает до 3,5В, затем восстанавливается и цикл повторяется.
Подключаем выход стабилизированного лабораторного блока питания (ЛИПС) вместо питания USB и наблюдаем резкий скачок потребления тока в момент запуска двигателя привода с 0,3А до 1,2А.
Ага, понятно, гарантированный ток питания интерфейса не может быть выше 0,5А, для удвоения тока нужен второй шнур, ну это общепринятая практика, mea maxima culpa. Вроде всё понятно и работает, решаем провести серию экспериментов по определению динамических параметров источника разрабатываемого устройства с использованием ЛИПС и гарантированной нагрузки в виде резистора сопротивлением 4 Ома.
Напряжение с ЛИПС подаём на вход устройства не втыкая бананы, а включив выходное напряжение источника с подключённым устройством.
Вообще говоря, этот метод проверки нельзя рекомендовать для каких-либо ЛИПС, некоторых из них, например ереванских (марку не помню, сейчас их, конечно, не найти) в момент включения они выдавали перенапряжение с перенапряжением до 40В, но в этом ЛИПСе мы уверены, поэтому можем себе это позволить.
Третий момент: вообще не понимаю, чем движут разработчики бананов с вращающейся контактной группой.
Я ни разу не видел из них нормально работающих - то есть таких, которые не надо постоянно регулировать в месте контакта (не считая тех, которые превращаются в нормальные бананы добавлением нескольких капель олова в зону скольжения поворотная часть).
Если кто-то из конструкторов этого технологического чуда читает этот пост, объясните в комментариях смысл вашего гениального изобретения, я не в состоянии его постичь самостоятельно.
И совершенно неожиданно мы обнаруживаем, что устройство не возвращается в рабочий режим, а оказывается в том же непонятном состоянии, а ЛИПС стабилизирует выходной ток на уровне 2,2А, сбрасывая напряжение до 3,2В.
При этом на выходе мы наблюдаем 3,5В, несмотря на то, что скважность по-прежнему 90% и транзистор переключается стабильно.
Получается, что коэффициент повышения напряжения составляет 3,5/3,2=1,1, что явно меньше ожидаемого 1/(1-0,9)=10, а КПД источника равен (3,5*3,5/4)/(3,2*2,2)= 43% и это прямо скажем немного.
Налицо явное проявление черной магии (энергия уходит в никуда) и нарушение законов электроники.
Поскольку на первый взгляд нет оснований говорить mea culpa и тем более mea maxima culpa, разберемся в проблеме подробно и начнем с теории.
Схема силового каскада повышающего преобразователя представлена на следующем рисунке: теория его работы рассмотрена в многочисленных материалах (лично мне очень нравится курс Роберта Риксона, откуда взята картинка), результаты используем без вывода (каждый может найти в упомянутом источнике или получить самостоятельно - Очень рекомендую второй способ).
А главный результат заключается в том, что преобразователь способен повышать напряжение до бесконечности (по формуле 1/(1-d)) только «в сферическом вакууме» и только в том случае, когда «вакуумные сгустки» не мешают его работа, но в реальной схеме с реальными компонентами имеет предельный коэффициент нарастания напряжения Kmax~1/2*sqrt(R/(Rl+Rds)) и это достигается при коэффициенте заполнения d=1-sgrt((Rl+Rds)/R).
Четвертый момент: не могу понять, почему в итоговую формулу оптимального коэффициента заполнения были включены два «паразитных» сопротивления симметрично, если в исходном выражении сопротивление транзистора было умножено на d, в отличие от дросселя, но математика, как и гравитация, беспощаден.
(ну вы поняли) и не допускает неточностей, с непониманием приходится смириться.
Пнп получение аналитических выражений для повышающего преобразователя (да и для всех остальных топологий преобразования) существенно упрощается, если воспользоваться дидактическим приемом того же Риксона и использовать виртуальный элемент «трансформатор постоянного тока».
Для рассматриваемого нами случая Rl = 0,17 Ом и R = 4 Ом имеем Км = 2,4 и соответствующее d = 0,8. Кажется, этого достаточно, чтобы повысить напряжение до 5В при входном напряжении начиная с 4, а с 1,8В, когда стабилизатор в микросхеме контроллера MAX669 начинает работать, не все так хорошо, но нам не нужно такое низкое входные напряжения.
Но мы не учли еще один источник потерь (точнее два, второй - сопротивление диода, но в данном случае он малозначителен) коэффициента передачи, а именно падение на открытом транзисторе.
Что за чушь, скажете вы после ММК, выбранный транзистор имеет Rds порядка десятых долей Ома (конкретно 18 мОм) и существенного влияния на работу схемы оказать не может, но вы будете не правы.
К сожалению, многие производители транзисторов дают этот показатель, когда напряжение на затворе относительно истока (управляющее напряжение) существенно превышает напряжение открытия.
В конкретной технической документации (ТД) мы видим максимальное напряжение затвор/исток (напряжение открытия) 2,5В (в другом своем посте я показал, почему следует брать максимальное значение этого параметра, а не минимальное и тем более не типичное.
отойди, Сатана), а сопротивление 18 мОм дано при управляющем напряжении 10В.
Между тем широко известно (хотя, к сожалению, не так широко, как хотелось бы), что сопротивление открытого полевого транзистора (насколько уместно об этом говорить, поскольку этот показатель реального транзистора явно нелинейный) обратно пропорционален разности управляющего напряжения и напряжения открытия.
То есть при управляющем напряжении 3,5В мы будем иметь сопротивление переключателя (10-2,5)/(3,5-2,5) = в 7,5 раз больше, чем указано в ТД, 18*7,5~140 мОм, что вполне сопоставимо.
к сопротивлению индуктивности.
А вот при управляющем напряжении 2,5В, а тем более при 2,5-0,4=2,1В (у нас схема «самоподдержка») транзистор вообще имеет полное право не включаться, запомним это на будущее.
Теперь мы можем уточнить достигнутые максимальные параметры и получаем Kmax=1/2*sqrt(4/(0,17+0,14)=1/2*sqrt(12,9)=1,8 (достигается при d=0,72) и становятся очевидными два ужасных факта: 1 - о повышении напряжения до необходимого номинала при входе 2,5В можно и не мечтать; 2 – коэффициент заполнения более 0,72 недопустим.
Если проблема, связанная с первым фактом, очевидна, то о влиянии второго следует поговорить подробнее и мы сделаем это чуть позже.
Но сначала исправим допущенные ошибки - заменим индуктивность на более подходящую сопротивлением 60 мОм и транзистор на CSD16342Q5A, сопротивление открытого ключа которого составляет 12 мОм при управляющем напряжении 2,5 В (максимальное напряжение открытия 1,1).
В).
Тогда ожидалось Kmax=1/2*sqrt(4/0,06+0,012)=3,7 и достигается при d=0,94, поэтому можно рассчитывать на достаточно стабильную работу преобразователя, начиная с входного напряжения (5+0,6)/3,7= 1,5 В.
Не совсем верно, поэтому без номера: найти на сайте TI транзистор с нужным гарантированным сопротивлением на низком контроле не так просто, как могло бы быть в идеальном мире с идеальными сайтами.
Вы можете отсортировать нужные транзисторы по среднему открытию, а затем вам придется открывать транзистор по одному и смотреть соответствующую техническую документацию.
А на идеальном сайте я бы мог запросить дополнительный параметр «Минимальное сопротивление при Ugs=2,5В» и сразу получить ответ. Действительно, после замены указанных элементов, повышающий источник начинает работать нормально и выдает 5В/1,2А при входном напряжении от 2,5В до 5В.
Обратите внимание, что рабочее входное напряжение на самом деле оказалось выше расчетного из-за особенностей микросхемы управления, которая в диапазоне от 1,8 до 2,5В работает с фиксированным коэффициентом заполнения 0,5 и только после этого начинает регулировать напряжение.
выходное напряжение.
Мы также отмечаем, что мы не можем никоим образом гарантировать, что преобразователь будет работать ниже проектных характеристик, независимо от поведения конкретного экземпляра(ов).
Вы можете спросить, а как же нам удается получить 5 из 5, ведь у нас есть повышающий преобразователь - по факту мы получаем 5,4-5,8 (в зависимости от тока нагрузки) и после диода напряжение падает до необходимых 5В.
Сейчас все хорошо и проблемы решены - к сожалению, не полностью.
Если бы все было именно так, я бы не писал пост, рассказывающий только о своих ошибках (кроме них мы пока ничего не исправили).
Возвращаемся к исходным компонентам схемы, поскольку они гарантировали нам работу при входном напряжении 3В, а при входном напряжении 3,2В мы попадаем в наш «любимый» режим – скважность 90%, выходное напряжение 3,5В, входной ток 2,2А.
Да, с «более правильными» компонентами такого явления не наблюдалось, но тогда каковы пределы «правильности» компонентов.
Мы последовательно ответим на основные вопросы.
«Кто виноват».
Еще раз внимательно посмотрим на график изменения выходного напряжения в зависимости от скважности (скважности) и обнаружим на нем два участка – восходящий и нисходящий (наш случай 0,05).
Если провести прямую, соответствующую необходимому выходному напряжению при фиксированном входном напряжении, то мы увидим две точки пересечения с этим графиком (возможно, одну или вообще ни одну, но это, прямо скажем, не режимы работы), при которых происходит необходимое преобразование.
коэффициент достижим.
Тем не менее, работает только точка, расположенная левее максимума (с меньшей скважностью) по следующим причинам: 1) закон регулирования, заложенный в микросхему, предполагает прямую зависимость (чем больше, тем больше) регулируемого параметра (выходного напряжения) от регулирующего параметра (коэффициента заполнения), а на нисходящем участке кривой зависимость обратная, что было бы не так плохо, если бы не следующее обстоятельство; 2) если построить график КПД повышающего источника в зависимости от скважности, то мы увидим, что его значение падает с увеличением скважности во всем диапазоне обнаружения первоначально плавно, так что в точке максимального преобразования КПД равен 50 %, а потом просто катастрофически до нуля.
Совершенно очевидно, что если можно получить то же выходное напряжение с КПД 80% или 20%, то второй вариант не должен иметь перспектив практической реализации.
Этот эффект объясняется увеличением падения паразитных сопротивлений дросселя и транзистора, причем падение растет явно нелинейно, поскольку ток через эти компоненты связан с выходным током, который растет с ростом выходного напряжения через коэффициент преобразования - рабочий цикл.
Выше я уже указал методы борьбы - снижение устойчивости паразитов, но речь сейчас не об этом.
Итак, мы убеждены, что скважность не следует увеличивать выше определенного значения, определяемого параметрами нагрузки и реальными параметрами компонентов схемы.
Однако чип может выдать управляющий сигнал с коэффициентом заполнения до 90%, если сочтет это необходимым.
И именно из-за этой особенности, учитывая способность микросхемы работать начиная с напряжения 2,5В, мы сталкиваемся с очень неприятным процессом под названием «защелкивание».
"Как это произошло".
Сценарий неисправности: 1. Включить ЛИПС с преобразователем, подключенным к нагрузке, напряжение на его выходе начинает медленно увеличиваться, до напряжения 1,8 ничего не происходит. 2. При входном напряжении от 1,8 до 2,5 микросхема выдает управляющий сигнал с скважностью 50%, транзистор может начать работать (а может и не запуститься, зависит от удачи), выходное напряжение увеличивается, хотя его стоимость неизвестна.
3. После достижения напряжения 2,5 микросхема начинает управлять преобразователем, добиваясь выходного напряжения 5+0,6В, что требует увеличения напряжения в 5,6/2,5=2,24 раза, что явно превышает заданный нами предел.
Таким образом, скважность достигает максимального значения 0,9, выходное напряжение становится равным 2,5*4*0,1/(4*0,1*0,1+0,17+0,14)=2,8В, при этом КПД составляет менее 20%.
4. Входное напряжение увеличивается дальше, вместе с ним увеличиваются выходное напряжение и выходной ток (а вместе с ним и входной ток), в какой-то момент входной ток (в девять раз превышающий выходной ток, кстати) превышает предел защиты и LIPS переходит в текущий режим стабилизации.
Вот мы и подошли к нашей «рабочей точке», где будем оставаться на неопределенный срок.
Пнп: И это лучший сценарий, потому что если у нас на ЛИПС не установлена токовая защита, то после того, как входное напряжение достигнет 5,6/1,12=5В, микросхема увидит, что напряжение стало больше требуемого, будет начать уменьшать скважность и вернуться в левую часть кривой управления, предварительно пройдя через пик 5*1,8=9В с непредсказуемыми последствиями для питаемых компонентов.
"Что делать".
Поскольку мы не уверены в корректной (точнее, уверены в некорректной) работе нашей схемы при низких (менее 3В) напряжениях питания, следует принять меры, исключающие перемещение схемы в правую часть кривой.
при низких входных напряжениях; мы наметим возможные способы сделать это: 0) "Улыбаемся и машем" - делаем вид, что ничего страшного не происходит и еда всегда будет подаваться "с перерывами" и сбоев не будет - ну в общем, вы понимаете, почему аквапарки рушатся, ракеты взрываются, самолеты неуправляемо входят в пикирование, и машины неудержимо ускоряются.
0*) «Проблема не на нашей стороне» - мы явно требуем в технической документации «скачкового» питания и отсутствия провалов напряжения ниже рабочего.
Метод явно лучше предыдущего; мы не спрятали проблему под ковер, а четко обозначили ее.
Другое дело, что специально для нас никто не будет устанавливать «очиститель» блока питания (не уверен, что в требованиях на это вообще обратят внимание) и доказать несоответствие требованиям к подключение нашего продукта.
Тем не менее, есть принципиальная возможность снять с себя ответственность за произошедшие происшествия, хотя пострадавшим от этого легче не станет. 1) «Если приходится платить, джентльмен всегда платит с улыбкой» — компоненты схемы подбираем с большим запасом, обеспечивающие работу при низких напряжениях.
Метод понятен и мы по нему пошли, заодно немного увеличили КПД в рабочем режиме, но «за все в этом мире надо платить» и придется увеличивать массогабаритные параметры и/ или стоимость нашего продукта.
Пнп: При этом надо учитывать, что ограничения все равно остаются, просто их границы сместились.
Для рассматриваемой замены при сопротивлении индуктивности 60 мОм, транзисторе 12 мОм и необходимости нормальной работы при входном напряжении 2,5 получаем Кmax> =5,2/2,5=2,24, тогда максимальное сопротивление нагрузки R> =4 *Kmax*Kmax*(Rl+Rds)=1,44 Ом, или, другими словами, ток, потребляемый от преобразователя, не должен быть более 3,5А во всех режимах, в том числе и в момент включения.
Понятно, что лучше не приближаться к опасному пределу и сделать полуторакратную, а то и двухкратную защиту по критическим параметрам, но это уже по вкусу.
2) «Ветром управлять нельзя, но парусом вполне можно» — заблокировать ошибку, то есть исключить возможность подачи малых входных напряжений на вход преобразователя.
Мы не можем гарантировать поведение внешнего источника, но мы можем контролировать наши входные цепи.
Способ хороший, но требует корректировки схемы, поэтому не сейчас.
2*) запретить работу схемы при малых входных напряжениях - это направление выглядит более перспективным, чем предыдущее, поскольку не требуются силовые элементы и особенно с учетом наличия на микросхеме разрешающего входа.
Но не сейчас, как предыдущий метод. Пнп: реализовать блокировку работы можно по-разному: здесь можно использовать резистивный делитель и применение стабилитрона/трехполюсного стабилитрона и биполярного транзистора с формированием открывающего напряжения вышеуказанными способами и реальным компаратор и так далее.
их тысячи.
Единственное, что неприемлемо, так это RC-цепочка, так как эта схема решает не главную нашу задачу (напоминаю, это запрет работы схемы до достижения определенного значения входного напряжения), а какую-то другую (формирование заданного интервала времени после достижения определенного напряжения, не совпадающего с контролируемым) и отсылает нас к варианту 0*.
В то же время такая цепочка может быть полезна после схемы сравнения вышеуказанного типа для устранения дребезга вблизи точки переключения.
Пнп: Если вы решили использовать RC-цепь, не забудьте предусмотреть цепь разряда конденсатора, шунтируя либо резистор, либо конденсатор с диодом, иначе сбои в питании подготовят нас ко многим «чудесным открытиям» с негативным эмоциональным фоном.
Ну вот и настало (мои постоянные читатели уже нервничали, совершенно зря, так получилось) пришло время длинного пятого ПЯ: нельзя сказать, что разработчики микросхемы не осознавали возможность такого поведения источников на ее основе , о чем свидетельствует следующее предложение из технической документации «Другими (нежелательными) характеристиками работы с начальной загрузкой являются… пониженная способность запускаться с высоким током нагрузки при низких входных напряжениях», что я склонен перевести как «Нежелательным аспектом автономной работы.
является снижение способности запускаться с высоким током нагрузки при низких входных напряжениях».
На мой взгляд, такое предупреждение совершенно недостаточно и требует ссылки на инструкцию по использованию, небольшую часть которой должно составлять содержание данного поста.
Например, в разделе «Выбор индуктивности» вообще не упоминаются требования к ее сопротивлению.
Понятно, что эти требования должны быть известны инженеру, но тогда и требования к минимальной индуктивности должны быть ему известны не меньше, а последние тщательно изложены в этом документе.
Ну и как вишенка на торте, в документации есть раздел «выбор транзистора», где говорится о необходимости учитывать необходимость работы при малых напряжениях, при этом в этом же документе приводятся типовые схемы повышения напряжения.
преобразователя на выход 12В/0,5А (или 5В/1А, как раз в нашем случае), указывают на схеме диапазон входного напряжения 1,8-5В и совершенно забывают, что: 1) до 2,5В микросхема работает с нерегулируемым коэффициентом заполнения 0,5, поэтому выходное напряжение будет не более 5В, что несколько не равно 12В (и даже не равно 5В); Пнп: Меня вообще несколько удивляет позиционирование микросхемы (по всему тексту документа, начиная с заголовка) как готовой к работе, начиная с 1,8В, что совершенно не соответствует действительности; минимальное рабочее напряжение 2,5В было бы правильнее.
2) используемый транзистор типа FDS6680 имеет полное право не открываться до тех пор, пока на него не поступит управляющее напряжение 3В, а с учетом наличия диода в «самоподдерживающейся» схеме это минимальное входное напряжение 3,5В, что явно превышает указанное минимальное входное напряжение 1,8 В.
Пнп и заодно шестой пЯ: сначала я думал, что это просто ошибка (да, такое случается со всеми, не только со мной и ММК), но одно маленькое обстоятельство заставило меня передумать.
Это обстоятельство кроется в пункте 5 раздела «подбор транзистора», а именно: «5) Минимальное пороговое напряжение (VTH(MIN)».
То есть авторы документа, описывающего продукцию солидной компании, твердо уверены, что при выборе типа полевого транзистора важно знать только минимальное напряжение открытия.
А я даже не знал, что такое возможно.
На мой взгляд, это очень опасное заблуждение, из которого следуют весьма сомнительные выводы и рекомендации.
Кстати, второй транзистор IRF7401, рекомендованный к использованию в его технической документации, дает именно минимальное пороговое напряжение (0,7В) и ничего больше, что несколько настораживает. Я не могу исключить вариант, когда максимальный порог (ну типичный, я не против того, чтобы он был указан в документации, я только против того, чтобы его использовали при расчете схемы) совпадает с минимальным, но хотелось бы увидеть эту информацию указывается явно в документации, так как иной подход загоняет нас на «зыбкую почву догадок и предположений», а это никак не может быть надежным фундаментом для честной инженерной работы.
Если авторам критикуемой в посте документации (или их сочувствующим) есть что сказать в свою защиту, чтобы объяснить свою позицию и пристыдить маловерных, прояснив какие-то сомнительные моменты, прошу прокомментировать.
Скажу сразу: «сначала добейтесь» лично мной не будет рассматриваться как убедительный аргумент. Что ж, черная магия, как всегда, была разоблачена, мы нашли естественно-научное объяснение наблюдаемому поведению схемы (как сказал один замечательный персонаж: «Я материалист») и нам не пришлось переходить на темную сторону.
Надеюсь, что мои заметки были кому-то полезны в практической деятельности или хотя бы развлекли во время чтения.
В опросе могут участвовать только зарегистрированные пользователи.
Войти , Пожалуйста.
Материал, который вы читаете: 6,72% ничего не поняли, этому не место на Хабре 9 44,03% освещают интересный аспект очень известных вещей 59 38,06% потрясающе интересно описывают малоизвестные вещи 51 5,22% содержат только тривиальные вещи , этому не место на Хабре 7 5,97% надо больше котов (соответствий 1) Проголосовало 8 134 пользователя.
13 пользователей воздержались.
Теги: #Производство и разработка электроники #электроника #разработка электроники
-
Все О Ноутбуке Acer Aspire-As3820Tg-373G32N
19 Oct, 24 -
Международная Финансовая Корпорация (Ifc)
19 Oct, 24 -
Aol Намеревалась Создать Новый Тип Медиа
19 Oct, 24 -
Единый Вход - Теперь Для Всех
19 Oct, 24
