Повышающий преобразователь на TL5001

[Alex31]

Имеется блок питания на 48В, хочу это напряжение повысить с переключением шага: 50В, 90В, 130В. Нагрузка примерно 22Ом.

В наличие имеется ШИМ контроллер TL5001, даташит:
китайский клон https://www.lcsc.com/datasheet/C7509624.pdf
американский от Ti: https://static.chipdip.ru/lib/328/DOC000328488.pdf

Драйвер под рукой UCC27524A, даташит: https://www.lcsc.com/datasheet/C185857.pdf

Силовой мосфет (под рукой пока нет), пока подобрал два варианта:
азиатский NCE60NF031T, даташит: https://www.lcsc.com/datasheet/C7462062.pdf
американский IPW60R037CSFD даташит: https://www.lcsc.com/datasheet/C454260.pdf

Силовой диод Шоттки, SiC GC3D10065H, даташит: https://www.lcsc.com/datasheet/C21547380.pdf

Начальная схема:



1. R2 задаёт частоту ШИМ, 80кГц. R1 и C1 компенсация, узел FB в работе не используется, т.к. этот узел нужен только для низковольтных схем. У FB крайне узкий диапазон, поэтому в моём случае он не годится, и поэтому на массе.

2. На выводе SCP сделана защита от КЗ в нагрузке. Когда на этом выводе напряжение ниже 185мВ, микросхема работает, если выше - генерация ШИМ прекращается и микросхема самоблокируется до перезапуска питания. Если использовать шунт R20 0.01Ом, то при рабочем токе на шунте около 60мВ, а если подключить к нагрузке резистор 5Ом, то 300мВ. Защита от КЗ и перегрузки надёжная.

3. На выводе DTC реализована стабилизация напряжения. Когда на этом выводе напряжение 1В, скважность ШИМ сигнала на выходе 50%. Интервал скважности 0..100% равен примерно 1.4-0.6В. Группа высокоточных резисторов на выходе задаёт нужное напряжение, формируя нужную скважность, и, сл-но нужное выходное напряжение. Резисторы R3-R4 110кОм формируют делитель, чтобы во время переключения тумблера S1, когда на миллисекунды пропадает напряжение с делителей - вся схема продолжала работать. Внутри микросхемы есть источник опорного напряжения 2.5В. При подключенном между DTC и массой резисторе 110кОм, на выводе будет 1В, то есть микросхема в момент переключения контактов тумблера S1 продолжит работу.

4. ШИМ контроллер имеет выход с ОК, поэтому он подключён к подтягивающему резистору R5, с которого сигнал поступает на драйвер. Драйвер двухканальный, поэтому ненужный канал отключён. Затворный резистор R6 замедляет (наклоняет) фронт открытия транзистора, тем самым снижая ВЧ звон на стоке. Его нужно подобрать опытным путём в реальной схеме на выбранном силовом мосфете.

5. Между сток-исток стоит снаббер для снижения ВЧ звона, нужен он или нет, покажет практика. То же самое касается снаббера на силовом диоде Шоттки, нужен он или нет? И если да, как правильно его рассчитать под нужную частоту, напряжение и ток?

6. После диода П-образный LC фильтр для фильтрации пульсаций.

Вопрос, который интересует больше всего. Как правильно рассчитать накопительный дроссель L1? Пробовал прогонять в Мультисиме разные варианты, он показывает, что выше 27мкГн уже нет смысла. Но, симулятор не учитывает много чего в дросселях, поэтому вопрос открыт. Так же буду рад, если укажете на какие-либо ошибки.

И ещё один вопрос интересует. При выходном напряжении 130В, какое примерно максимальное напряжение будет на стоке силового мосфета, с учётом ВЧ звона? А то я выбрал полевики на 650В С-И, может быть перебор?)

[mmom]

Alex31, задание так не выдают!

[vadim_d]

если укажете на какие-либо ошибки

Куча RC цепочек в петле ОС по напряжению не приведет к ее возбуду? При переключении S1 ОС просто разрывается - силовая часть такое потянет?

[Alex31]

При переключении S1 ОС просто разрывается - силовая часть такое потянет?

При переключении, на доли миллисекунд, когда S1 не подключён ни к одному из делителей, на выводе DTC остаётся подключённым к массе только нижний резистор 110кОм R3. Когда этот резистор подключён к выводу DTC, на самом выводе формируется напряжение ровно 1В. 1В на этом выводе создаст 50% скважность ШИМ сигнала, что на выходе даст около 95В.

Ползунок был в 1 положении, на выходе 50В. Переключаемся на следующее положение в 90В. На долю мс, пока S1 в воздухе, на выходе появится скачок в 95В. Или может чуть меньше, учитывая инерционность схемы + ёмкость фильтрующих электролитов, которые физически не могут мгновенно зарядиться.

Ползунок был во 2 положении, на выходе 90В. При переключении на 50В, так же будет скачок до 95В или чуть меньше. При переключении на 130В, тоже будет скачок до 95В.

Ползунок в 3 положении, на выходе 130В. При переключении на любое другое положение будет кратковременная просадка до 95В.

В общем, с учётом того, что нагрузка рассчитана на 130В, этот кратковременный скачок будет не опасен.

[Alex31]

При переключении S1 ОС просто разрывается - силовая часть такое потянет?

Смоделировал конденсаторы по 10нф между центральным выводом переключателя и контактами, идущими к делителям. Теперь в момент переключения положений, когда за короткое время ни один делитель не подключён к DTC, время перехода к 50% скважности станет плавнее.



На делителях постоянное напряжение, поэтому делители не будут влиять друг на друга.

[cuneum]

Куча RC цепочек

Согласен, я бы упростил, хотя бы до такого ..
Ещё лучше было бы первое звено переключателя (12.1к) запаять на постоянку, а два других резистора подключать в параллель (5,1к и 2к), что позволит заменить галетник на переключатель со средним положением.
Такое включение переключателя будет безопасней (подключён относительно массы), а с постоянно включённым 12.1к не будет возникать разрыва цепи при переключениях контактов, а значит скачка 50В.

При переключении, на доли миллисекунд

Мечты и фантазии, разрыв контактов может достигать десятые доли секунды.

[Alex31]

Согласен, я бы упростил, хотя бы до такого ..

Думал про такой вариант, но отказался, т.к. в момент переключения, когда ни один контакт не подключён к делителю, на вывод DTC пойдёт весь потенциал выходного напряжения, что неизбежно спалит контроллер.

Ещё лучше было бы первое звено переключателя (12.1к) запаять на постоянку, а два других резистора подключать в параллель (5,1к и 2к), что позволит заменить галетник на переключатель со средним положением.
Такое включение переключателя будет безопасней (подключён относительно массы), а с постоянно включённым 12.1к не будет возникать разрыва цепи при переключениях контактов, а значит скачка 50В.

При таком подключении, картина будет такая. Например, у нас выставлено 90В на выходе. На вывод DTC поступает 1.03В, всё нормально:



Но, как только мы попытается с 90В переключиться на любое другое положение, на выводе DTC появится 1.87В:



Преобразователь мгновенно выключится и на выходе будет провал до 0В, т.к. генерация ШИМ сигнала прекращается, если напряжение на выводе DTC выходит за диапазон 0.6...1.4В.

[cuneum]

генерация ШИМ сигнала прекращается, если напряжение на выводе DTC выходит за диапазон 0.6...1.4В.

Никакого "провала до 0" не будет, вы не забывайте, что обсуждается случай переключения с 90V на 50V, контроллер и должен вырубить выход позволяя спадать напряжению на сглаживающем конденсаторе выпрямителя, а затем включить его в соответствии с просадкой. Так ведёт себя ЛЮБОЙ преобразователь, даже на 555 таймере. Тоже самое будет, если вы отключите нагрузку, преобразователь перейдёт в режим коротких пачек импульсов и это нормально.
Более того, вы не учитываете RC двойную цепь по входу сравнения. Конденсатор параллельно резистору 12.1к в момент переключения будет 1.06V и стремиться зарядится до 3,3V, но контроллер будет снижать напряжение выхода, то есть скачка не будет, процесс определён постоянной времени RC-цепи. Далее работает вторая RC-цепь, замедляя рост напряжения. Контроллер свободно переварит до 2.5V, то есть равное Vref. Если такой испытываете сильный "испуг", то поставьте стабилитрон 2V4 параллельно 110к на массу.

Вызывать опасение должно не превышение по входу сравнения, а появление там "нуля", что будет означать нерегулируемый максимальный выход преобразователя и возможный "дымок" из запитанной схемы. Вам придётся повозится с подбором емкостей RC-цепи, чтоб избежать "качелей" при переключениях.

[Alex31]

Вызывать опасение должно не превышение по входу сравнения, а появление там "нуля",

А вот это да, опасно. Сейчас проверил на живом контроллере, если на выводе DTC меньше 0.6В, то на его выходе логическая 1. Драйвер в схеме прямой, не инвертированный, а значит логическая 1 будет и на затворе. Транзистор полностью откроется, тем самым подвергая себя риску прожига сквозным током. Радует то, что на выходе, а значит и на нагрузке будет 0, то есть нагрузке ничего не грозит.

Исходя из такого поведения нам нужно, чтобы ни при каких условиях на выводе DTC напряжение не падало ниже 0.6В. А что происходит в момент включения? На делителях 0В, т.к. 47мкФ конденсаторы фильтра через дроссель L1 и диод Шоттки не могут зарядиться мгновенно. Выходит, что горизонтальный 110кОм резистор делителя, через низкое сопротивление нижних резисторов делителя дополнительно шунтирует вход DTC на массу. А к этому входу подключён ещё один резистор 110кОм на массу. Мало того, между DTC и массой включён фильтрующий конденсатор 1нф, который не может мгновенно зарядиться.

В итоге, в момент подачи питания примерно 70мкс микросхема будет выдавать логическую 1, то есть выходной мосфет будет 70мкс открыт и закорочен сквозным током. Это не очень хорошо.



То есть, фильтрующий 1нф кондёр с ноги DTC убираем. Он особой погоды и так, в принципе не делал. Следующая проблема. Резистор 110кОм и любой нижний резистор делителя создают на выводе DTC в момент включения схемы всего 622мВ:



Это практически на пороге отключения ШИМ и появления лог 1 на выходе, что - опасно. Решение - горизонтальный 110кОм резистор увеличить до 150кОм. В итоге, на выводе DTC в момент запуска схемы будет 690мВ.



Это уже гарантированно будет означать стабильную и постоянную работу ШИМ. Изменение со 110кОм до 150кОм потребует немного подкорректировать нижние резисторы делителя.

По поводу тумблера со средним положением. Нет, не лежит у меня душа к такому решению. Ведь получается в среднем положении у нас будет 50В на выходе, щёлкнули вверх - стало 90В, а чтобы включить 130В, нужно снова щёлкнуть вниз до 50В, а потом опять вниз до 130В. Не, это не дело. Так что, пока останавливаюсь на первом варианте, где для своего напряжения, свой делитель. И переключение галетником, слева на право, от 50В до 130В. Для снижения выброса в момент переключения, параллельно контактам галетника 10нф конденсаторы.



Если никто фундаментальных ошибок не заметит, начну разрабатывать плату.

[vadim_d]

А на сам чип какие-то типовые схемы в даташите приводятся? Что там в ОС нарисовано? Имеет смысл в первом приближении срисовать оттуда, две RC цепочки каскадом точно ликвидируют стабильность петли целиком и полностью