Proyecto: Diseño optimizado de una etapa Step Up

[Picuino]

La bobina hay que estudiarla bien. En principio, si compras una del tipo 26 (la más común con colores amarillo-blanco) un poco más grande, te dará más juego que la que tienes. Pero ocupará más espacio.
Otra solución es utilizar ferrita en vez de polvo de hierro. Se calienta menos, creo que genera menos ruido eléctrico y tiene una permeabilidad magnética más homogenea en DC y en AC, pero tienes que colocar un toroide más grande para conseguir la misma inductancia.

Otra fuente de toroides para conmutación son las placas base y las fuentes de alimentación de ordenadores. Están llenas de toroides que pueden ser útiles. El problema es que suelen ser más pequeños de lo que necesitas así que tendrías que colocar dos en paralelo de 200uH 4A o dos en serie de 50uH 8A.

El varistor creo que solo sirve para cortocircuitar picos de sobretensión de la red eléctrica que pueden dañar el circuito. En este caso las tensiones son bajas. No veo la utilidad.

[Picuino]

Otro tema.
Los condensadores smd junto al diodo creo que son demasiado pequeños. Sólo sirven para quitar pulsos de muy alta frecuencia, pero hace falta añadir un condensador smd de 10uF para las frecuencias intermedias

La teoría:
Tenemos a la salida picos de corriente de +- 4 amperios.
Queremos pulsos de rizado o de ruido menores de 0.1 V
Necesitamos una impedancia en los condensadores como máximo de:
   Z = V / I = 0.1 / 4 = 25 mili ohmios

Para frecuencias bajas (40kHz) nos sirven los condensadores electrolíticos. Su ESR conjunta debería ser menor de 25mOhmios, para lo que necesitas buenos condensadores.
La impedancia capacitiva de estos es:
   Z = 1 / (2·pi·f·C) = 1 / (6.28 · 40kHz · 3000uF) = 1.3 mili Ohmios 
Que es mucho menor y no dará problemas.

Esto significa que podrías poner condensadores más pequeños, siempre que la resistencia serie equivalente (ESR) se mantenga pequeña. Lo puedes conseguir con condensadores de tantalo. El problema es que son más caros, difíciles de conseguir y al ser más pequeños disipan peor el calor.


Para frecuencias altas (>50MHz) tenemos los condensadores de 10nF y 100nF
   Z = 1 / (2·pi·f·C) = 1 / (6.28 · 50MHz · 0.100uF) = 31 miliOhmios
Funcionan


Pero para frecuencias medias (1Mhz) no hay nada. Es demasiada frecuencia para los electrolíticos y muy baja frecuencia para que filtren los de 100nF. Es necesario poner uno de 10uF para que funcione bien:
   Z = 1 / (2·pi·f·C) = 1 / (6.28 · 1MHz · 10uF) = 16 miliOhmios


La regla práctica:
Conviene poner condensadores con valores que no estén demadiado separados entre sí.
3000uf (valdría uno de 500uF con baja ESR de 25mOhm)  --> 50 kHz
10uf  (50 veces menos)  -->  1MHz
220nF (50 veces menos)  --> 50 MHz
22 nf (10 veces menos)  --> 500 MHz

Así todos los rangos de frecuencia se ven cubiertos.

Un saludo.

[Picuino]

Otra cosa. No es lo mismo valores eficaces que valores de pico
1 V eficaz = +- 1.4 V de pico = 2.8V de pico a pico.

De manera que los +- 4 Amperios de salida son 8A de pico a pico con onda cuadrada, que equivalen a una onda senoidal de unos 12.6 Amperios pico a pico.

Una impedancia capacitiva de 25 mili Ohmios a la que le llegue esa señal cuadrada de corriente va a tener una tensión de:

   V = R · I = 0.025 Ohmios · 12A
      = 0.314 Voltios pico a pico en señal triangular
      = 0.16 V de pico
      = 0.10 V eficaces.

Si quieres conseguir valores menores, tendrás que sobredimensionar todas las capacidades.

Un saludo.

[micro_pepe]

La regla práctica:
Conviene poner condensadores con valores que no estén demadiado separados entre sí.
3000uf (valdría uno de 500uF con baja ESR de 25mOhm)  --> 50 kHz
10uf  (50 veces menos)  -->  1MHz
220nF (50 veces menos)  --> 50 MHz
22 nf (10 veces menos)  --> 500 MHz

Así todos los rangos de frecuencia se ven cubiertos.

Otra cosa. No es lo mismo valores eficaces que valores de pico
1 V eficaz = +- 1.4 V de pico = 2.8V de pico a pico.

De manera que los +- 4 Amperios de salida son 8A de pico a pico con onda cuadrada, que equivalen a una onda senoidal de unos 12.6 Amperios pico a pico.

Una impedancia capacitiva de 25 mili Ohmios a la que le llegue esa señal cuadrada de corriente va a tener una tensión de:

   V = R · I = 0.025 Ohmios · 12A
      = 0.314 Voltios pico a pico en señal triangular
      = 0.16 V de pico
      = 0.10 V eficaces.

Si quieres conseguir valores menores, tendrás que sobredimensionar todas las capacidades.

Tengo condensadores SMD cerámicos tamaño 1206, de 10uF, 470nF y 47nF, en circuitos de RF he visto que a veces ponen uno encima de otro, si duplico los valores mencionados ¿el de 10uF, valen uno encima de otro de 10uF? Por ahorrar un poco de espacio.

Otra fuente de toroides para conmutación son las placas base y las fuentes de alimentación de ordenadores. Están llenas de toroides que pueden ser útiles. El problema es que suelen ser más pequeños de lo que necesitas así que tendrías que colocar dos en paralelo de 200uH 4A o dos en serie de 50uH 8A.

Toroides de fuentes y placas base de PC tengo unos cuantos, la bobina actual es uno de ellos, voy a mirar si tengo uno grande, aunque creo que no, si no puedo comprar el de TME (T106-26B).

El varistor creo que solo sirve para cortocircuitar picos de sobretensión de la red eléctrica que pueden dañar el circuito. En este caso las tensiones son bajas. No veo la utilidad.

Hay varistores de baja tensión, sobre 30Vcc, si por un fallo la salida sube, imagino que se ponga en baja impedancia y funda el fusible.

Gracias!!! Un saludo.

[micro_pepe]

Tengo este par de bobinas:



La de la derecha es de polvo de hierro, y tiene un valor de 140uH, es un poco más grande que la actual, pero para 100uH seguiría necesitando muchas espiras, la de la izquierda es de ferrita, y tiene un valor de 44uH, es de hilo doble, con hilo simple llegaría facilmente a 100uH sin muchas espiras.

[Picuino]

La inductancia no importa mucho. Se puede cambiar con facilidad. Lo que importa en un núcleo es la energía que puede almacenar. Eso depende de la inductancia multiplicado por la corriente al cuadrado. Esa corriente máxima es lo que no sabemos.
A falta de datasheet, se puede estimar la corriente a partir de las dimensiones y el material del núcleo.
Qué dimensiones tienen los núcleos?

[micro_pepe]

La inductancia no importa mucho. Se puede cambiar con facilidad. Lo que importa en un núcleo es la energía que puede almacenar. Eso depende de la inductancia multiplicado por la corriente al cuadrado. Esa corriente máxima es lo que no sabemos.
A falta de datasheet, se puede estimar la corriente a partir de las dimensiones y el material del núcleo.
Qué dimensiones tienen los núcleos?

La de ferrita (izquierda):

- Diámetro externo: 24.8mm
- Diámetro interno: 13.8mm
- Altura: 12.3mm

La de Polvo de hierro (derecha):

- Diámetro externo: 27mm
- Diámetro interno: 13.5mm
- Altura: 11.4mm

Adjunto el diseño del pcb total.

boceto7bucle.png
(64.66 kB, 970x832 - visto 563 veces)

La resistencia R8 la he conectado de la salida negativa, quizás debería ir en el punto común de GND de la parte de control, y el punto de esta GND hacia el control lo he tomado del centro de la isla de masa, no sé si es lo más correcto.

Gracias!!! Un saludo.

[micro_pepe]

Creo que así está mejor:

boceto8bucle.png
(64.78 kB, 970x832 - visto 558 veces)

¿El mejor punto para unir las masas de potencia y control? Había en el hilo unos ejemplos de diseños de PCB, pero no los veo.

Gracias!!! Un saludo.

[Picuino]

En los datasheet tienes varios ejemplos.
He colgado más en este hilo: http://www.todopic.com.ar/foros/index.php?topic=44997.0
Si encuentras algún otro, lo cuelgo también.


Sigo con los toroides.

ECUACIONES DEL TOROIDE MAGNÉTICO:

Dimensiones:

Do = 27mm     Diámetro externo
Di = 13.5 mm   Diámetro interno
H = 11.4 mm    Altura

Am = 0.95 · H · (Do - Di) / 2 = 73mm2   Sección del toroide. Área del flujo magnético.

   El factor 0.95 depende del redondeo de las esquinas.
   Para toroides así de pequeños suele ser un poco menor.

L = (Do + Di) · pi / 2 = 63,6 mm    Longitud media del flujo magnético

V = L · A = 4650 mm3   Volumen del toroide


Inductancia y energía:

N = 40      Número de espiras del toroide

L = 140uH   Inductancia de la bobina

AL = L / N^2  = 0.088  uH    Inductancia por vuelta

I = B · Am / ( N · AL )

   B = inducción magnética en Teslas
   
   B_max = 400 mT   para que no llegue a saturación y no baje mucho la permeabilidad.
   Iron Powder and Alloys. Ferroxcube

   I_max = 8.36 Amperios
 
E = (L · I^2 ) / 2 = ( 140uH · 8.36^2 ) / 2 = 4.9 mJulios

Esta energía es sólo una estimación para un núcleo de hierro porque su inductancia cambia con el aumento de la intensidad.


Resultado:
Creo que esa bobina de hierro tal y como está te servirá para la fuente.
Otra cosa distinta es que se caliente mucho. El polvo de hierro no admite bien las altas frecuencias, tiene pérdidas y se calienta más que la ferrita.
Pero por probar no pierdes nada.


El toroide de ferrita ni lo miro. Es más pequeño y la ferrita apenas soporta 200mT de inducción (la mitad del anterior) por lo que a igualdad de corriente máxima, tendrá la mitad de inductancia. Lo bueno es que se calentará menos y que su inductancia no se modifica con la corriente. Si quieres hacemos pruebas con él.

Un saludo.

[micro_pepe]

La Imax supongo que la calculas de aquí:

I = B · Am / ( N · AL )

A mi me sale 8.29A = 400 · 73 / ( 40 · 88 )

No es relevante, pero es por saber por donde viene.

Resultado:
Creo que esa bobina de hierro tal y como está te servirá para la fuente.
Otra cosa distinta es que se caliente mucho. El polvo de hierro no admite bien las altas frecuencias, tiene pérdidas y se calienta más que la ferrita.
Pero por probar no pierdes nada.

A esta conclusión supongo que llegas por el valor de Imax, comparando con lo que necesita el circuito.

El toroide de ferrita ni lo miro. Es más pequeño y la ferrita apenas soporta 200mT de inducción (la mitad del anterior) por lo que a igualdad de corriente máxima, tendrá la mitad de inductancia. Lo bueno es que se calentará menos y que su inductancia no se modifica con la corriente. Si quieres hacemos pruebas con él.

Esto explica porqué en otros experimentos con convertidores DC-DC, las bobinas de ferrita no me funcionaban bien, y las de polvo de hierro daban mejores resultados, me hacía falta una "señora" bobina de ferrita de buen tamaño para que todo fuese bien.

[micro_pepe]

en esta nota:

http://www.ti.com/lit/an/slva773/slva773.pdf

en la pagina 6 conecta las masas en el condensador de filtro más cercano al integrado, en mi caso son los condensadores SMD cerca del diodo.

en esta otra nota:

http://rohmfs.rohm.com/en/products/databook/applinote/ic/power/switching_regulator/converter_pcb_layout_appli-e.pdf

en la página 7, explica la forma de conectar las líneas sensoras, de la forma que lo he echo, se cumple que sean paralelas, pero no que no esten paralelas a la linea de alimentación en un trozo, pero segun la figura 7b, puede verse afectado por la regulación de carga, no sé cual es mejor.

Lo he puesto como en la figura 7-a:

boceto9bucle.png
(64.69 kB, 966x832 - visto 525 veces)

La nota de aplicacion 4.7 no funciona:

http://www.todopic.com.ar/foros/index.php?topic=44997.0

Los condensadores que tengo son cerámicos multicapa, y tendrán las inducciones parasitas que comenta ahí.

Gracias!!! Un saludo.

[Chaly29]

Hola Picuino, pequeño aporte, conseguir capacitores de ESR tan baja como las mencionadas, pues no creo que sea nada sencillo, estamos hablando de unos pocos mili ohms, cuando la mayoría de los condensadores electrolíticos tienen normalmente fácilmente arriba de los 100 mili ohms.

Un saludo.

Atte. CARLOS.

[Picuino]

El que utilizó micro_pepe de 3000uF no estaba mal. Si los de 1000uF son iguales no tendrá problemas.
Ten en cuenta que están en paralelo. Con que cada uno tenga 0,075 Ohm, entre los tres llegarán a 0,025 Ohm.
Para condensadores de baja ESR de 1000uF no es tanto. Este modelo cuesta 0,25 Eur y tiene ESR = 0,38 miliOhms el solo:
http://www.mouser.es/ProductDetail/Panasonic/EEU-FM0J102/?qs=sGAEpiMZZMvwFf0viD3Y3VIP%252bWhfym5m5AUhYsbLccQ%3d

[Picuino]

Las rutas de control también son delicadas.
Yo tomaría la masa del negativo de los condensadores de salida (los SMD).

El integrado de control tiene que tener una buena capacidad cerámica SMD para desacoplar la alimentación.
El bucle de la puerta del mosfet es importante hacerlo muy pequeño. Por él puede pasar hasta 1 Amperio al conmutar, de manera que tienes que considerarle como si fuese de potencia. Los dos cables (masa y puerta) deben ir paralelos y cercanos.

La resistencia pequeña de puerta a masa podrías colocarla en la parte de control para que no moleste en la zona de potencia (desde la salida del integrado a masa por ejemplo).

El sensado de corriente también es delicado, pero como luego va filtrado antes de llegar al integrado, no creo que tenga problemas. De todas formas no viene mal leer las recomendaciones de las notas de aplicación.

Voy a buscar alguna que resuma lo más importante.

Un saludo.

[Picuino]

La nota de aplicacion 4.7 no funciona:
http://www.todopic.com.ar/foros/index.php?topic=44997.0

Arreglado.