Conversor Buck, indutor rangido / choramingar


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Estou com um problema no meu conversor de buck caseiro. Ele é baseado em um chip de controle TL494 com meu driver MOSFET discreto. O problema é que meu indutor chia e lamenta, quando a corrente de saída excede um determinado valor.

Como indutor, usei primeiro um estrangulamento toroidal comum de uma antiga ATX PSU (cor amarela com uma face branca). No entanto, notei que estava realmente ficando quente, e isso não foi a perda no meu fio de cobre, era o núcleo que não era adequado para a aplicação de comutação, mas para fins de filtragem. Então desmontei um pequeno transformador de ferrite, enrolei meu próprio indutor nele, mas ele estava rangendo novamente.

Então eu pensei que poderia ser devido ao fato de os núcleos não estarem idealmente colados, então decidi fazer isso em um transformador maior (provavelmente EPCOS E 30/15/7 com parte central redonda, mas infelizmente não tenho idéia sobre o material usado neste núcleo e se estiver com folga ou não), mas desta vez com enrolamentos cuidadosamente removidos sem desmontar o núcleo.

O resultado foi aceitável (meu gerador de sinal ainda não chegou, por isso não posso medir com precisão a indutância, mas está na região de 10uH, 6 voltas (de alguns fios para reduzir o efeito da pele)). Ele ainda está rangendo, mas apenas em voltagens e correntes que provavelmente não serão alcançadas com a minha iluminação LED (basicamente quero criar meu próprio conversor DC-DC para controlar a voltagem aplicada aos LEDs em vez de usar o PWM, o que gerou muito EMI )

Aqui estão as formas de onda (corrente que flui através do indutor, queda de tensão medida em um resistor de 0,082 ~ ~ 0,1 Ω), que eu capturei quando estava usando o núcleo de pó de ferro (amarelo-branco) como núcleo do indutor. Cada forma de onda é acoplada à CC.

Corrente de saída baixa: ca. 1A

Corrente - 1A fluindo através de um indutor


Corrente de saída média: ca. 2A

Corrente - 2A fluindo através de um indutor


Corrente de saída alta: ca. 3A. Nesse nível, o chiado começa. Mas devo enfatizar que o núcleo do indutor foi aquecido a ca. 90 ° C. Basicamente, parecia uma forma de onda de cima, mas modulada por uma onda senoidal de baixa frequência.

Corrente - 3A fluindo através de um indutor


Não consegui fazer com que a forma de onda atual oscilasse entre um certo nível sem tocar em 0A. Vi que ele não deveria alcançá-lo em fotos de formas de onda online e em um conversor buck OSKJ XL4016 com um osciloscópio. Ficou assim: (Desculpe pela forma de onda pintada, mas infelizmente não a salvei; apenas prova o ponto)

CCM

Aqui estão as formas de onda que obtive com meu atual indutor de transformador de ferrite no momento em que começa o chiado.

Tensão e corrente através de um indutor

Canal 1 (amarelo): corrente
Canal 2 (azul): tensão no indutor.

Nesse ponto, rangidos aparecem. Tentei aumentar e diminuir o capacitor de saída, mas geralmente não resolvia o problema. Além disso, o toque fica umedecido. Quando toco no dissipador de calor MOSFET não isolado, não faço ideia do por que esse toque existe.

Este é o meu esquema (não é completamente o que tenho na minha PCB, mas as alterações são sutis, como o potenciômetro em vez de 2 resistores e o valor do capacitor ajustado para obter uma frequência de 100 kHz). O pino 2 está atualmente conectado ao Vref e o pino 16 ao GND para ligar permanentemente o conversor, tensão de entrada de Vin = 24V. Devido ao alto pico de corrente observado pelo diodo D5, ele foi substituído por um mais durável para 5A:

Meu esquemático

D4, C2, R15 foram finalmente substituídos por uma solução melhor e mais robusta, mas não influencia as formas de onda no indutor L1. Este é o meu layout de PCB, ele foi projetado para uma aplicação diferente (exigindo 0,5 A - 1 A no máximo, então não adicionei nenhum dissipador de calor). Além disso, os valores de alguns resistores e capacitores foram ajustados manualmente para compensar uma boa eficiência de ~ 86% em carga máxima, a maior parte da energia desperdiçada acontece no MOSFET Q7, provavelmente devido à lenta subida e descida do sinal de porta e Rds (on), sendo de 0,3 Ω.

Meu layout pcb

Agora (durante o teste) o indutor está suspenso acima da camada de solda (porque é muito grande para caber no espaço designado, quando eu estava projetando esta placa, não sabia que não podia usar um núcleo de pó de ferro comum, na minha outra conversor, com base no LM2576 funcionou bem, mas há problemas com a regulação de tensão, então eu queria projetar isso). Por fim, registrei a tensão e a corrente na referida tensão, na qual o indutor começou a chiar audivelmente, eis os resultados:

  • 5 V - 0,150 A ← tensão de saída mínima
  • 6 V - 0,300 A
  • 7 V - 0,400 A
  • 8 V - 1 A
  • 9 V - 2,5 A
  • 10 V - 2,7 A
  • 11 V - 3.1 A ← corrente de saída projetada
  • 12 V - 3,1+ A
  • 13 V - 3.1+ A ← tensão máxima de saída

Depois disso, diminuí a indutância desenrolando 1 volta e ela começou a chiar em correntes muito mais baixas. O mesmo acontece quando adiciono mais enrolamentos. Quando mudo a frequência, nada de interessante acontece. Também calculei os valores do capacitor e do indutor usando as fórmulas fornecidas na folha de dados do TL494, mas estava rangendo com elas também. Todas as medições de corrente foram feitas no lado de saída do indutor. Eu medi o ESR do meu capacitor de saída e o testador LCR-T4 mostrou 0,09 Ω.

Para resumir: Eu tenho um problema com o indutor choramingar / guinchar e não sei como corrigi-lo.

Em todos os níveis, minhas luzes LED consomem menos corrente, o que é necessário para fazer o indutor chiar, mas meu coração realmente quer saber por que isso está acontecendo e o que eu não entendo ou entendo errado. Por favor me ajude. Se eu perdi algum detalhe, escreverei em um comentário a esta pergunta. Desculpe por qualquer erro no meu "Ingrish", não é minha língua nativa. Não tenho experiência neste campo, então, por favor, perdoe-me se cometi alguns grandes erros.

Editar: "Em todos os níveis, minhas luzes LED consomem menos corrente, o que é necessário para fazer o indutor chiar" - quero dizer, que os LEDs sempre devem consumir menos corrente, isso é necessário para fazer o indutor chiar ⇒ durante a operação normal, o indutor não deve rangido. Enviei um vídeo mostrando formas de onda no YouTube enquanto alterava a corrente de saída, alternando a frequência e a tensão de saída. A carga é minha "carga de corrente constante" improvisada, feita a partir de um MOSFET e uma tensão de regulação do potenciômetro no portão do MOSFET, é bruto, mas funciona. Como mehmet.ali.anil escreveu (mas agora vejo que ele excluiu sua resposta), aumentei a indutância para aproximadamente 200uH enrolando um novo fio e no final do vídeo Você pode ver que sintonizei acidentalmente a frequência para um valor "perfeito", que resultou em um trabalho bem-sucedido do CCM, mas chia silenciosamente o tempo todo e, especialmente, durante a alteração da tensão de saída. Além disso, a frequência está realmente perto do limite, sendo ~ 300 kHz. Eu deveria ter enviado um vídeo semelhante antes, desculpe. Aqui está o link para isso:https://youtu.be/tgllx-tegwo


Eu apaguei minha resposta por entender mal o caso.
mehmet.ali.anil

Se o chiado ocorre a uma corrente alta, a corrente de saturação pode ser a culpada? Após uma corrente limiar, a indutância abruptamente chega a zero, pois o campo não pode mais criar dipolos magnéticos. Essa corrente depende fortemente da temperatura e é determinada pelo material do núcleo.
mehmet.ali.anil

Escorra para a fonte de capacitância do dissipador de calor: ecee.colorado.edu/~ecen5797/course_material/layout.pdf Minha fonte real no dissipador de calor era esta na EMC: learnemc.com/pcb-layout Eu pensei que era interessante, por isso me lembrei isto.
mehmet.ali.anil

Provavelmente não é o problema, mas apenas capacitores eletrolíticos para entrada e saída estão longe de ser sempre uma aposta segura. Você percebe alguma diferença se colocar um filme de 1 uF em paralelo com cada um? Que frequência é o guincho? Está próximo da constante de tempo LC da sua saída?
winny

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3A / us di / dt. Gostaria de verificar novamente o seu valor de indutância. Para um indutor di / dt = V / G
sstobbe

Respostas:


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Atualizar

Embora o 594 tenha uma tolerância de 5V em GBW e muito mais alta que o 494, ele ainda possui um design de referência que usa 20 kHz em oposição a 100 kHz para a velocidade de comutação. Também permite um valor C mais baixo para o controle f. Todo o resto parece ser idêntico para que você possa fazer o 494 funcionar melhor com algumas alterações.

Seu design parece ter tempos de espera estranhos, talvez devido à fraca corrente de tração ou tensão no tempo morto. O design do seu driver push-pull possui uma combinação de f / 2 (sub-harmônico) de f com corrente de base fraca, causando alguma instabilidade. Portanto, sugiro que você reduza os resistores de base para 330 Ohms em vez de 10 K e use 20kHz de extremidade única para Rc = 10x Rb para acionar o FET com um divisor de tensão ou Zener, se necessário, para limitar Vgs a 20V.

Essa combinação permite 1% de tempo morto e regulação mais rigorosa de 0% de PWM a 99%. Mas verifique a configuração do prazo final.

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Os componentes magnéticos podem produzir ruído audível, pois contêm muitos elementos móveis, como bobinas, fitas de isolamento e bobinas. A corrente nas bobinas produz campos eletromagnéticos que geram forças repulsivas e / ou atraentes entre as bobinas. Isso pode produzir uma vibração mecânica nas bobinas, nos núcleos de ferrite ou nas fitas de isolamento, e os ouvidos das pessoas conseguem ouvir o ruído quando a frequência de comutação da fonte de alimentação está na faixa de 20Hz a 20 KHz.

Possíveis correções

  • abaixe o fluxo oscila Bpp por escolhas de Imax / Imin e taxa de comutação
  • evite reversões de fluxo se estiver sendo usado no modo CC com corrente CM com uma carga mínima> = 5%. ( Não é ideal)
  • minimizar a resistência L, o DCR, que causa um aumento de passo antes da rampa de corrente e efetivamente adiciona ondulação, assim, ruído ao circuito de controle. Calcule a razão L / R e compare com a constante de tempo C * ESR para um limite baixo de ESR, reduzindo assim as constantes de tempo do reator.

A ferrita possui domínios magnéticos que causam histerese quando a direção inversa atual. Emocioná-los com a corrente e retornar 0 A estimula alguma vibração, mas por quê?

Hipótese

Se o f / 2 sub-harmônico for instável, resultando na largura de pulso modulada e se misturar com os 100kHz f principais usados ​​na taxa de ciclo inferior, pode haver um guincho selvagem de áudio superhet de 100k - 50k produzindo esse som de 0 a 50kHz.

  • as alterações no filtro Feedback são filtro de lead-lag podem melhorar isso.

Atualização # 2

A Op descobriu acidentalmente como criar um filtro Lead de fase para melhorar a estabilidade https://m.imgur.com/nBEd18F , a próxima melhoria é um "filtro lead-lag" de fase para otimizar a margem de estabilidade. Poderia usar duas tampas e uma série R em vez de 1 tampa. Uma tampa é 10x maior com uma série de cerca de 1/10 do R usado para controlar Vdc. Possui um C maior e um R menor para reduzir a faixa de tensão de correção do condutor de pulso, mas não amplifica muito a ondulação, em vez de uma tampa de derivação 1/10 menor. em // com o feedback R que age como um HPF para reduzir o conteúdo de frequência mais alta em pulsos para reduzir a ondulação da saída. (Desculpe, nenhum esquema com o dedo na tela sensível ao toque)

  • atualização final

Quando a corrente para no indutor, dizemos que está operando no modo descontínuo (DCM) e o comutador deve estar aberto nesse momento e pouca carga de corrente é aplicada. O comutador apresenta uma pequena capacitância em série com L, que cria uma ressonância paralela de alta impedância // de 6MHz em sua última curva decaindo em <10us. Isso é amortecido pela resistência da pele e menor frequência pela capacitância pele + corpo. (? 100k // 200pF ??) quando o dissipador de calor é tocado, mas não há problema com ruído.


Este é o diagrama esquemático atual do meu driver MOSFET: imgur.com/VWLBdt3 . No antigo, tive quedas de tensão (não consegui encontrar a fonte, acima de certa corrente a tensão caiu magicamente, mesmo quando usei um regulador LM317 em vez de um diodo zener), este corrigiu o problema.
KamilWitek 06/02/19

Se funcionar, OK, mas a redução da impedância BJT é sub-óptima 3K2 tp 2k para 2k para FET, quando poderia ser de 330 ou 470 para FET
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Acontece que eu não tinha nenhum tempo morto adicionado, por causa do resistor puxando o pino para o chão. Agora, que adicionei um potenciômetro para regular a tensão de 0V a 5V, fui capaz de ajustar o tempo morto em uma tensão e corrente de saída específica, ele removeu o gemido completamente, mas quando diminui a tensão, o assobio voltou, Aumentei o tempo morto, ok, mas não consegui voltar à tensão mais alta devido à diminuição do tempo de operação. Outra questão é que posso escolher a tensão desejada e depois aumentar a corrente; Quando eu faço o contrário, assobios retornam.
KamilWitek 07/02/19

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O assobio costuma ser alto, o ESR da tampa é muito alto, portanto, ondulação do indutor A corrente fica muito alta.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75 07/02/19

Adicionei um capacitor de filme em série (verifiquei seu ESR com meu testador LCR-T4 e ele mostrou 0,00 Ω), mas ele não fez nada. Tentei novamente com um núcleo de pó de ferro, mas desta vez no CCM, mas é a mesma história de antes: com certa potência de saída, mas com outra, ele chia. Por fim, voltei ao meu último estado "de trabalho", sendo transformador de ferrite, 6 voltas de fio, DCM. Isso meio que funciona, mas não como eu gostaria que funcionasse. Definitivamente voltarei a esta questão no futuro, mas agora não tenho ideia do que poderia fazer de diferente (além de usar o segundo comparador como limitador de corrente).
KamilWitek

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A solução para resolver esse problema é adicionar um feedback negativo, conforme explicado neste vídeo https://youtu.be/wNnOfF1NkxI?t=1584. Em primeiro lugar, adicionei um capacitor entre a saída e o pino de feedback do TL494, parece que resolveu o problema, mas não funciona tão bem quanto adicionar um feedback negativo adequado. Fiz alguns testes que comprovam o seguinte: Inicialmente, aumento a corrente de 0A para 3A e depois altero a frequência do oscilador de ~ 170 kHz para ~ 20 kHz e depois subo para a "falha" (suponho) de TL494 ⇒ além de 300 kHz e depois retorne a ~ 170 kHz. Traço - tensão amarela no capacitor do oscilador, Traço - corrente azul fluindo através do indutor. O indutor agora não está choramingando, mas sibilando, depende do núcleo usado, porque quando tentei com a EI era menos perceptível (durante a noite a fita afrouxou e o indutor começou a chiar, agora estou experimentando o esmalte como maneira de colar o núcleo e ainda ser capaz de desmontá-lo), Este teste foi realizado com um núcleo de EE colado na fábrica. A captura de tela de um aplicativo "espectróide" é feita quando a corrente de saída está em 3A e na parte inferior. Você pode ver o momento de 20 kHz e no topo de 300 kHz.

Feedback negativo + capacitor https://youtu.be/S9KfA9NNXkE feedback negativo + capacitor

Feedback negativo https://youtu.be/h1AN7rQTDa4 avaliação negativa

Capacitor https://youtu.be/7h7OzDj9q8Y capacitor

Nada (problema inicial) https://youtu.be/nVOfPynJRGE nada

Por feedback negativo e capacitor, quero dizer: explicação

Mais tarde, vou verificar se meu driver MOSFET push-pull funciona bem agora. Se houver necessidade, posso fazer uma gravação mais avançada e mostrar a frequência gerada pelo indutor correspondente à frequência do oscilador.

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