[Proyecto] - Step UP 12V a 19V para notebook - Finalizado

[Chaly29]

Hola micro_pepe, ese rizado tan notorio, lo que conseguirá y no en muy largo plazo, es agotarte "secar" los capacitores electrolíticos, tantos de la propia fuente, como los de la portátil en su recorrido hacia la batería.

Sería interesante que comentaras que esquema estás usando y cual es el valor de ESR del capacitor de filtrado de salida (0.1 ohms como máximo). Igualmente, por el tipo de señal, yo diría que es una auto-oscilación a la salida de la propia fuente, ya que la frecuencia es muy elevada y el formato de la misma coincide con esto.

Una prueba que deberías de hacer es conectar en serie con la salida, una inductancia de buen valor, y luego de esta un capacitor de unos 1000uF o más, junto con uno de unos 0.1uF (clásico filtro LC), y luego alimentar la portátil. Y con osciloscópio en mano, tomar el oscilograma anterior y posterior a la inductancia colocada, así sabrás si la oscilación es producida por la fuente o por la portatil.

Un saludo.

Atte. CARLOS.

[Picuino]

Hola micro_pepe
Quería confirmar algunos datos que no me quedan claros mirando tu gráfica.
1. Parece que la frecuencia de conmutación es de unos 87kHz (aproximadamente la que saldría con una resistencia de 10k y un condensador de 2nF)
¿Eso es así?

2. El ciclo de trabajo parece del 50% cuando debería ser del 36% para las tensiones de entrada y salida que comentas.
Eso no me cuadra del todo. Con ese ciclo de trabajo debería estar duplicándose la tensión de entrada.
¿Están bien las tensiones y el ciclo de trabajo?

3. La disipación me parece un poco alta. Tienes un rendimiento del 85% y creo que se puede mejorar un poco.
¿Cuál es el componente que se calienta mucho? ¿o está repartido?  ¿Mosfet, diodo?

Un saludo.

[Picuino]

Captura de pantalla.jpg
(91.38 kB, 1298x493 - visto 508 veces)

¿Has utilizado este esquema con estos valores?

Un saludo.

[Picuino]

Ese ruido tan alto (+-3v) se debe a que a la salida no hay condensadores de filtro de altas frecuencias (10nF y 100nF)
Si quieres reducir aún más el ruido de alta frecuencia, prueba a aumentar un poco R4. De esta forma la conmutación será más lenta, el transistor Q1 se calentará un poco más pero el ruido se reduce.

Q1 se calienta solo con la conmutación porque tiene una Rdson muy baja.
Si el calentamiento se aprecia, se puede reducir disminuyendo la frecuencia de conmutación hasta 20kHz.
Con esa bobina y ese condensador tan grandes, funcionará bien y apenas aumentarán las corrientes de pico o el rizado de salida, mientras que la disipación por conmutación se reducirá a una cuarta parte.

Imagino que la bobina L1 es de 8 Amperios o más. Si solo tiene los 0.49A del esquema, ya debería estar todo quemado.

En esa gráfica no se observa el rizado de media frecuencia (los 87kHz de conmutación). Si haces zoom en voltaje, podrás ver una señal cuadrada a la salida del condensador de unos 0.5Vpp.

Si el condensador C8 se calienta mucho, habría que poner varios condensadores de menor capacidad en paralelo (eso es lo habitual) para bajar la ESR y repartir el calentamiento entre los dos.

Un saludo.

PD. Se me olvidaba comentar que esas frecuencias que observas tienen varios megahercios. A esa frecuencia las señales son ondas de radio y no se comportan como las de baja frecuencia. Es muy importante saber qué sonda estás utilizando y dónde y cómo tomas la masa.
En estas notas de aplicación puedes ver algunas técnicas para medir señales de alta frecuencia: http://cds.linear.com/docs/en/application-note/an47fa.pdf
Aquí más notas de aplicación sobre convertidores conmutados: http://www.linear.com/designtools/app_notes.php#power

Un saludo.

[micro_pepe]

Bueno, vamos por partes.

El esquema empleado:

esquema.png
(81.75 kB, 6495x3457 - visto 505 veces)

El diseño de la PCB:

PC_12V_4.png
(137.3 kB, 1260x742 - visto 478 veces)

Los valores que dí son erroneos, copia pega del sitio equivocado, los correctos son estos:

Vin = 12.76V
Iin = 6.45A
Pin = 82.3w
------------------
Vout = 23.8V
Iout = 2.96A
Pout = 70.45w
------------------
Rendimiento 82%

La carga a la que corresponde esa gráfica son dos lamparas en serie de 35w y 12v.

El condensador de salida de 3300uF, al tacto tan solo templa un poco, no es de baja ESR, pero es de buena calidad de 105ºC (marca lelon, si no recuerdo mal).

El transistor y el diodo van en el mismo disipador, no sé decir cual calienta más, pero el disipador al tacto estará como a unos 50ºC (se soporta bien sin quemarse).

En el fusible hay pérdidas, en el caen unos 300mV (1.93w). Y en las resistencias del shunt de corriente también, se calientan un poco.

La bobina está fabricada con hilo de 1.3mm de diametro, y tiene un valor de 30uH. No noto que se caliente mucho.

Para medir el rizado uso una sonda de 200MHz en x10, y coloco la pincita de masa en el terminal de salida negativo, y la "garra" del vivo en el terminal de salida positivo. Creo que por aquí vienen algunos errores, sería mejor medir directamente en el condensador, y sacando la masa del osciloscopio, en lugar de la sonda.

Gracias, un saludo!!!

[micro_pepe]

Bueno, vengo con más pruebas. He recordado una forma de medir el rizado en fuentes conmutadas, consiste en enrrollas un trocito de cable rígido en la masa de la sonda, la parte de la punta al quitar el capuchón, de forma que queden dos pinchos, el del vivo de la sonda, y el del cablecito rígido.

Además he soldado un condensador de 10nF y otro de 100nf de polyester en paralelo con el condensador de 3300uF de la salida.

Resultado de la medición:

rizado-23.8v-2.96A_____12.76v-6.45A_++10nF--100nF.gif
(18.06 kB, 800x480 - visto 439 veces)

Ahora voy a dejarlo un tiempo funcionando y medir temperaturas.

Gracias, un saludo!!!

[Picuino]

El layout de tu PCB no está tan optimizado como el otro de elgarbe. Eso puede crear resonancias de alta frecuencia que es lo que ves en el osciloscopio.
Pero también se puede deber al método de medida. Prueba con el cable de masa mas corto posible. Si puedes utilizar un sistema diferente que conecte la sonda directamente a masa sin el cable, mejor. Las medidas pueden cambiar mucho.

Desde luego lo primero que necesitas poner es un condensador de desacoplo de alta frecuencia a la salida (no lo veo en la PCB).


A propósito de la bobina ¿Cómo sabes que es de 30uH?
El hilo, para esas frecuencias, es mejor fabricarle con muchos hilos más finos en paralelo. Por ejemplo 4 hilos paralelos de 0.6 mm de diámetro.
A la bobina se le pueden dar más vueltas, por ejemplo el doble. Así consigues 120uH y mejor filtrado. Dentro del toroide los hilos estarán un poco apretados, pero caben.

Un saludo.

[Picuino]

Bueno, vengo con más pruebas. He recordado una forma de medir el rizado en fuentes conmutadas, consiste en enrrollas un trocito de cable rígido en la masa de la sonda, la parte de la punta al quitar el capuchón, de forma que queden dos pinchos, el del vivo de la sonda, y el del cablecito rígido.

Además he soldado un condensador de 10nF y otro de 100nf de polyester en paralelo con el condensador de 3300uF de la salida.

¡¡¡Menuda diferencia!!! Eso está mucho mejor.

Ahora se aprecia el rizado del condensador. Es muy bajo, está bastante bien. Debe ser un condensador de baja ESR.

[Picuino]

Calculo que el rizado es de unos 0.1V con una diferencia de corriente de 6.45A, lo que da una ESR de 0.016 Ohmios
La potencia disipada en el condensador debería ser más o menos P= 3.4A^2 * 0.016 = 0.18W casi inapreciable.

Deberías separar los disipadores del mosfet y diodos. Para saber si el mosfet se calienta. En caso negativo, puedes subir la resistencia de puerta.
Así a cambio de un menor rendimiento y un pequeño calentamiento del mosfet, conseguirás menos rizado de salida.

Un saludo.

P.D. No le vendría mal algún otro condensador de 100nF.

[micro_pepe]

Desde luego lo primero que necesitas poner es un condensador de desacoplo de alta frecuencia a la salida (no lo veo en la PCB).

Hay dos cocndensadores SMD de 100nF, tamaño 1206, en paralelo con C2; y ahora a mayores uno de 10nF y otro de 100nF de polyester.

A propósito de la bobina ¿Cómo sabes que es de 30uH?

La medí con un tester de componentes de esos de los chinos, no sé la precisión de medida, pero hice pruebas con bobinas axiales de señal, del 10%, y hace medidas dentro del rango. (Uno igual que este:  medidor  ).

El hilo, para esas frecuencias, es mejor fabricarle con muchos hilos más finos en paralelo. Por ejemplo 4 hilos paralelos de 0.6 mm de diámetro.
A la bobina se le pueden dar más vueltas, por ejemplo el doble. Así consigues 120uH y mejor filtrado. Dentro del toroide los hilos estarán un poco apretados, pero caben.

Probaré ha hacer otra con con cuatro hilos.

Ahora se aprecia el rizado del condensador. Es muy bajo, está bastante bien. Debe ser un condensador de baja ESR.

No viene marcado como baja ESR, pero es de buena calidad de 105ºC, la marca confirmo que es lelon, creo que es buena marca.

Las temperaturas medidas con un termometro de infrarrojos, tras media hora de funcionamiento son las siguientes:

- Condensadores de entrada: 37ºC.
- Condensador de salida: 44ºC.
- Bobina: 55ºC.
- Resistencias shunt: 55ºC.
- Diodo: 41ºC.
- Transistor: 46ºC.
- Fusible: 45ºC.
- Temperatura ambiente, a 3cm de la placa: 27ºC.

Creo que si puedo subir un poco la resistencia de puerta del mosfet, aunque quizás si subo de valor la bobina no sea necesario.

Gracias!!! Un saludo.

PD: La forma de medir el rizado es como en este video (sobre el minuto 9)

Me cae bien este tipo, es muy sonriente, y tiene algún ensallo interesante.

[Picuino]

Si el valor de L es de 30uH, entonces la bobina creo que soportará más vueltas.
Los cálculos son:
Reluctancia = N^2 / L = 23^2 / 30uH = 17.6 * 10⁶ Henrios^-1

Sección magnética: 
   A = 9.7mm * 9.4mm * 0.95 = 87 * 10^-6 m²

Inducción magnética:
   B = N * I / (R * A) = 23 * 7.5A / (17.6 * 87) = 0,112 Tesla

Una bobina de hierro no está hecha para esas frecuencias tan altas, pero por lo que veo no se calienta mucho y el hierro puede soportar bastante más inducción. Si quieres puedes aumentar el número de vueltas y su L.


La inductancia no tiene que ver con el ruido de salida. Ahora tienes un rizado de corriente de unos 2 amperios sobre una media de 6.5 Amperios. Ese rizado no es grande, está bastante bien.
Reducir el rizado de corriente de la bobina a 0.5A no va a conseguir que el ruido de salida mejore.

El problema en la salida es que la bobina en ciertos momentos está desconectada y en otros está inyectando 6.5 Amperios de media. Esa es una variación de corriente que no puedes evitar, es muy grande y brusca (señal cuadrada). Eso es lo que produce los pulsos en el condensador de salida.

En la entrada es distinto. Ahí la bobina está siempre conectada y el rizado actual es de 2 amperios con señal triangular (mucho más suave que la cuadrada) por eso en la entrada apenas verás rizado.

Lo que si puedes conseguir con una bobina más grande es bajar la frecuencia de conmutación, mejorando así las pérdidas por conmutación y el ruido eléctrico (porque habrá menos pulsos por segundo)

La conexión y desconexión lenta del mosfet (por ejemplo en 200 o en 200ns) va a aumentar su calentamiento, pero eliminará ese pico tan brusco de unos 100ns en la salida. Combinado con una frecuencia menor de conmutación, el calentamiento casi no aumentará y el ruido disminuye.
No es una solución ideal, pero funciona.

Un saludo.

[Picuino]

Hay dos condensadores SMD de 100nF, tamaño 1206, en paralelo con C2; y ahora a mayores uno de 10nF y otro de 100nF de poliester.

De todas formas, al poner doble condensador ha mejorado mucho el pico y si pones más condensadores mejorará más. Ten en cuenta que filtrar unos 7.5 Amperios de pico al conmutar no es poca cosa.

Las temperaturas medidas con un termometro de infrarrojos, tras media hora de funcionamiento son las siguientes:

- Condensadores de entrada: 37ºC.
- Condensador de salida: 44ºC.
- Bobina: 55ºC.
- Resistencias shunt: 55ºC.
- Diodo: 41ºC.
- Transistor: 46ºC.
- Fusible: 45ºC.
- Temperatura ambiente, a 3cm de la placa: 27ºC.

Alguna temperaturas me llama la atención. Los condensadores de entrada deberían estar frios. ¿El cobre está conduciendo calor entre componentes?

La bobina puede reducir su temperatura si pones más sección de cable.
Ahora que lo pienso, con el poco rizado de corriente que tienes en la bobina no creo que mejore mucho si pones hilos finos en paralelo. Eso mejora la disipación cuando hay grandes variaciones de corriente, pero este no es el caso. No hace falta que te molestes en cambiar la sección del hilo.


Un saludo.

[micro_pepe]

Alguna temperaturas me llama la atención. Los condensadores de entrada deberían estar frios. ¿El cobre está conduciendo calor entre componentes?

Pues seguramente sí, las pistas de conexión que manejan altas corrientes las reforcé soldando pequeños hilos de cobre, tiene una buena masa que conducirá el calor tras un tiempo funcionando.

La bobina puede reducir su temperatura si pones más sección de cable.
Ahora que lo pienso, con el poco rizado de corriente que tienes en la bobina no creo que mejore mucho si pones hilos finos en paralelo. Eso mejora la disipación cuando hay grandes variaciones de corriente, pero este no es el caso. No hace falta que te molestes en cambiar la sección del hilo.

Probaré entonces a poner más vueltas, aumentar la resistencia del GATE, y bajar la frecuencia de conmutación, quizás subiendo C6 a 3.3nF, la frecuencia andará por los 50KHz.

Gracias!!! Un saludo.

[Picuino]

El diseño de la bobina no es sencillo. Hay muchos factores que tienen efectos contrarios entre sí y que no es sencillo evaluar, así que hay que hacer ensayos.

Yo probaría un cambio un poco mayor. El doble de espiras (46), la cuarta parte de frecuencia (8.2nF) y vigilar mucho el calentamiento de la ferrita.

Con ese cambio, la inducción se va a duplicar y las pérdidas por histéresis por lo tanto se multiplicarán por tres.
Por otro lado, al bajar la frecuencia a un cuarto, las perdidas por histéresis se dividen por cuatro o más, porque los núcleos de hierro se calientan mucho a esas frecuencias tan altas (mejor que no pasen de 20kHz).
Además el efecto películar se reduce mucho al bajar la frecuencia y bajan las pérdidas en el cobre un poco.
Por otro lado al ser el cobre más largo, las pérdidas por resistencia se duplican.

El efecto total no lo sé con exactitud. Creo que debería bajar un poco el calentamiento, pero por si acaso lo mejor es vigilar de cerca el núcleo y no probarlo de repente a toda potencia.

Un saludo.

[Picuino]

Fíjate en la página 63 (2ª hoja) lo sensibles que son a la frecuencia y a la inducción los núcleos de hierro:
http://www.ferroxcube.com/FerroxcubeCorporateReception/datasheet/2p.pdf

Con una inducción de 100 mTesla, se calienta tres veces más a 20Khz que a 10kHz

Por otro lado al aumentar la inducción al doble (a la misma frecuencia) las pérdidas aumentan 3.5 veces más.

Y todo esto depende mucho del material. Así que al aumentar al doble la inducción y disminuir la cuarta parte la frecuencia espero que baje un poco el calor generado, pero depende del material.

Las pérdidas en el cobre aumentarán casi al doble (depende del efecto pelicular) y espero que no sean mayores de 2 W (R=0.035m Ohmios o un poco más con una corriente efectiva algo mayor de 6.5 Amperios). También están al límite, así que hay que vigilar todo al probar.

Un saludo.