Regulador de comutação Buck baseado em ATtiny84a - por favor, critique!

Aqui está uma tentativa de projetar um regulador de buck baseado em um ATtiny84a como o controlador PWM. Ele deve passar de uma bateria 4S LiPo (12,8 - 16,8 volts) para uma saída de 12V razoavelmente regulada, usada para acionar servomotores que aceitam entradas de 10-14V. O LiPo 4S é um pouco alto demais e o LiPo 3S é um pouco baixo demais, especialmente porque eu quero o torque nominal de 12V. O projeto destina-se a fornecer o pior caso de 40 amperes (impedindo a maioria dos motores).

Não posso comprar um desses, porque assim que saio da faixa de 10 a 15A, todos os conversores DC DC são projetados para uso industrial e têm estojos pesados, são muito caros, exigem entrada de 24V ou outros erros de correspondência com meus requisitos atuais.

A idéia é usar o comparador analógico embutido no AVR para detectar acima / abaixo da tensão alvo e gerar um pulso de duração definida quando a sub-detecção for detectada.

Eu construiria isso em uma placa de ensaio com 20 fios de bitola soldados nos fios dos componentes para os caminhos de alta potência.

Eu sei como manter o "nó de comutação" e o caminho de feedback o mais curto possível, ao tentar fazer o layout. Eu também aterraria todos os vestígios de tábua de pão que não são usados, para criar o plano de terra de um pobre homem.

Eu tentei escolher um estrangulamento em que a corrente de saturação corresponde à minha corrente de saída máxima e um indutor buck em que a corrente de saturação é maior que a minha saída máxima.

A frequência de canto de 94 uF e 3,3 uH é de cerca de 9 kHz, e imagino que o AVR funcione muito mais rápido que isso. Estou pensando em um pulso de 5 nós cada vez que a subtensão é detectada e, em seguida, basta voltar a procurar por subtensão novamente. Isso fornece uma frequência máxima (em quase 100% do ciclo de trabalho) de 200 kHz.

E aqui está o esquema: https://watte.net/switch-converter.png

Além das preocupações levantadas nos comentários (polaridade P-FET incorreta, sem diodo de captura / MOSFET), tenho algumas preocupações de relance rápido:

• O microcontrolador não conseguirá acionar o portão do Q1 com muita força (normalmente os pinos GPIO podem obter apenas alguns miliamperes), portanto, a ativação e desativação serão muito lentas. Isso limitará o desempenho do seu interruptor superior.

• Você não possui um resistor de porta a fonte no primeiro trimestre, portanto depende exclusivamente do GPIO para manter o MOSFET ativado ou desativado. Se o pino GPIO for de alta impedância, o MOSFET poderá se ligar se o portão captar uma carga do ambiente.

• Se o seu resistor de porta P de canal 70R estiver solidamente ligado (se Q1 estiver saturado), ele queimará

  $D \cdot \dfrac{(16V)^2}{70 \Omega} = D \cdot 3.65W$

  que é uma alta potência, já que D será alto (a entrada está próxima da saída). Além disso, os 225mA ou mais que fluirão também serão queimados no primeiro trimestre, o que não é saudável, pois é um dispositivo relativamente pequeno.

  $V_{GS}$$V_{GS}$

  • Sua rede de feedback puramente resistiva é uma má ideia. Você realmente precisa de alguma compensação e / ou filtragem. Seu comparador será hiper-rápido e poderá reagir à mudança de ruído, captação, ondulação, etc. - como você não parece estar usando um amplificador de erro com compensação para controlar o ganho e a fase, precisará de alguns recursos através do R5 (e um pouco de sorte).

  • Você não possui nenhum monitoramento ou proteção contra sobrecorrente atual no seu trem de força.

  • Você não possui proteção contra sobretensão no seu trem de força.

  • Você não possui nenhuma proteção contra temperatura excessiva no seu trem de força.

  • Você não possui proteção contra polaridade reversa e fusível no seu trem de força. Grande não, não, especialmente quando a fonte é baseada em bateria (grande capacidade de fornecimento de curto-circuito).

Este é um projeto mais simples se você usar um controlador buck síncrono analógico de prateleira. Não entendo por que você gostaria de usar o ATtiny para isso.

Dito isto, este não é um projeto simples, de forma alguma. Seu esquema é bastante incompleto e carece de proteção básica de segurança que qualquer fonte de alimentação (especialmente aquelas que operam em níveis altos de energia como o seu) precisará.

Pense em seus requisitos, calcule todas as perdas, projete algumas proteções e volte com rev. 2)

Você está projetando um regulador Buck para:

• Vin de 12,8 a 16,8 Volts a partir de uma bateria LiPo de alta capacidade.
• Vout de 12V a 40 Amp.
• A técnica de controle é constante no tempo e variável no tempo de inatividade.

Mesmo após a boa resposta de Madmanguruman, há outras coisas que devem ser observadas. A principal dificuldade desse projeto será a alta corrente sendo processada. Prestarei atenção principalmente aos componentes de processamento de energia, modulador de energia e filtragem.

• $\text{D } \text{Iout}^2 \text{Rds}$

• Gate Drive. Não há acionamento de portão adequado neste projeto. Especialmente para desligar. Com 70 Ohm desativando um FET com Ciss de 3500pF, o tempo de desativação será de pelo menos 500nSec. Isso significará uma enorme perda de comutação no FET, provavelmente pelo menos 15W de perda adicional no FET. Esse design precisa ter uma unidade de portão muito melhor. Desde que a movimentação da porta precisa ser melhorada de qualquer maneira; seria muito benéfico mudar para um FET de comutação de canal N e usar um retificador síncrono correspondente com um IC de unidade de porta (como IR2104 ou LM5104 ou algo assim).

• Controle histerético. Não há nenhum problema com o controle constante no tempo, variável fora do tempo. O controle histérico pode (se você for cuidadoso) funcionar bem e ter excelente resposta transitória. Mas, o problema aqui é usar o comparador no uC. É necessário ter acesso ao comparador para fornecer uma histerese adicional. Portanto, é necessário adicionar um comparador com histerese e com um tempo de resposta menor que 500nSec. Você gostaria de adicionar histerese de cerca de 100mV.

• Filtro de saída. Bom indutor, L1. Com 40A mais corrente de ondulação, estará à beira da saturação. Seria melhor ter uma parte atual mais alta, mas não é uma grande preocupação. Parece que os capacitores de saída C1 e C2 são cerâmicos, o que é uma boa escolha, deve ter uma ESR total de menos de 20 mOhms para uma tensão de ondulação de ~ 100mV. É interessante que a resistência da carga na carga máxima (~ 0,3 Ohms) esteja muito próxima da impedância característica do filtro de saída (~ 0,2 Ohms). Isso é uma sorte, pois significa que o filtro está bem amortecido, mais sobre isso mais tarde. Se você estiver dirigindo apenas motores com esta fonte, não será necessário o filtro do segundo estágio (L2, C3).

Existem algumas funções deixadas de fora que precisam estar lá:

• Limite atual, precisa haver um, para sua própria segurança, se nada mais. Com a quantidade de corrente sendo manipulada, as surpresas podem surgir às pressas. Você não viveu até que a parte superior do interruptor se separasse explosivamente da parte inferior e voasse para ficar no teto. Enfim, algum tipo de limite de corrente, mesmo que seja apenas um fusível.

• Filtro de entrada. Não está claro o resto do sistema, mas a entrada desse suprimento será a fonte de grandes quantidades de EMI. Normalmente, isso seria um grande problema.

A impedância de entrada também é uma preocupação aqui. Os reguladores de comutação têm impedância de entrada negativa e podem produzir bons osciladores (infelizmente). A impedância da fonte, do LiPo e da rede de distribuição, deve ser menor que 1/2 da impedância de entrada da fonte, para evitar oscilação. Acho que as baterias LiPo de alta capacidade têm impedância de cerca de 20 mOhms (embora isso aconteça com a idade). A impedância de entrada em carga máxima (40A) desta fonte com seu filtro de saída de corrente (L1 com C1 e C2) tem um mínimo de cerca de 100mOhms (a 9KHz), o que parece bom se a impedância da rede de distribuição de fonte for mantida baixa. Mas lembre-se do amortecimento do filtro de saída que parecia tão bom na carga de 40A, bem, se a carga cair para 10A, não é tão bom. Isso significa que, na carga de 10A, a impedância de entrada mínima cai para cerca de 50 mOhms (a 9KHz), o que tornaria a distribuição de fontes realmente restrita e problemática. Que paradoxo, que esse seja um problema de carga leve causado pelo amortecimento do filtro de saída variável.