продолжение творческого зуда или сумашедшая идея N2

Паяльник далеко, а мозг не остановишь, поэтому он продолжает рожать новые и новые варианты схем источника тока…

Сразу уточню, если вдруг кто еще не догадался, это не рабочая схема, только попытка зафиксировать идею на бумаге. Часть схемы полностью отсутствует (питание и разъемы), часть номиналов вписана от балды. Так что не стоит пытаться повторить ее «в лоб», не разобравшись что к чему. Пощу в расчете на то, что найдутся грамотные люди, которые увидят прорехи в самой идее и/или ошибки в схеме.

Немножко теории
В классической схемотехнике ключевых преобразователей напряжения используется много разных вариантов управления — по напряжению, по пиковому току, с постоянным временем выключения, с постоянным временем включения, токовое управление «по диапазону» и еще целая куча комбинаций и вариаций на тему. Все разрабатывались для стабилизации напряжения и практически вся найденная мной информация с анализом этих схем управления исходит из того, что стабилизируется именно напряжение. С этой же точки зрения рассматриваются и характеристики этих схем управления. Замечу, эти критерии не всегда имеют тот же вес когда разрабатывается источник тока, так что читая сравнение различных схем управления этот момент надо иметь в виду.

Наиболее простая и интуитивно понятная схема управления — управление по напряжению. Принцип простой — генерируем «треугольник» или «пилу» и сравниваем компаратором этот сигнал с выходом усилителя ошибки. На выходе компаратора получаем ШИМ пригодный для управления синхронным преобразователем. С точки зрения стабилизации напряжения эта схема имеет существенные недостатки. Во-первых, для защиты от перегрузок по току в ней надо делать отдельные цепи. Во-вторых, скорость реакции такого стабилизатора на изменение входного напряжения или нагрузки относительно не велика и определяется инерционностью петли обратной связи и тем, что регулирование происходит опосредствовано — полумост по сути является источником тока который управляется напряжением, так что меняя ШИМ мы меняем ток через нагрузку, а это, в свою очередь вызывает изменение напряжения на ней. Наибольшее распространение приобрела другая схема управления — управление по пиковому току в нагрузке. Причина такой популярности проста — такие стабилизаторы имеют отличные показатели времени реакции на изменение нагрузки или входного напряжения. Не лишены они и недостатков. В первую очередь это принципиальная нестабильность при коэффициентах заполнения ШИМ > 0.5. Второй существенный недостаток — необходимость иметь две петли обратной связи, одна по току, вторая по напряжению. Принцип работы такой схемы управления не менее прост, чем у схемы с управлением по напряжению:
(картинка взята вот отсюда)

Генератор коротких импульсов устанавливает триггер, а когда ток в нагрузке достигает установленного пика, триггер сбрасывается по сигналу компаратора. На один вход компаратора поступает сигнал с датчика тока (чуть ниже я опишу какие есть варианты), а на другой — усиленный сигнал ошибки между выходным напряжением и напряжением опоры. Кстати, совершенно аналогичная схема часто используется в драйверах шаговых двигателей для ограничения тока через обмотку.
(описывать другие схемы управления я, пожалуй, не стану, хотя тема и интересная)

Что в этой схеме интересного с точки зрения создания источника тока. Во-первых, она напрямую регулирует ток в нагрузке. Во-вторых, ток регулируется не «в среднем по больнице», а цикл за циклом. В-третих, генератора PWM в ней в явном виде нет, нарастаюшее напряжение нужное для работы компаратора генерится непосредственно током через индуктивность. В-четвертых, поскольку регулируется именно ток и весьма точно, то появляется возможность относительно просто реализовать многофазный преобразователь. Собственно, все микросхемы многофазных преобразователей, даже те, которые декларируют схему управления по напряжению внутри обязательно используют отдельную петлю обратной связи по току для балансировки тока между фазами.

Еще чуть-чуть о недостатках схемы управления по току. Как я уже писал выше, она принципиально не стабильна при коэффициентах заполнения ШИМ > 0.5. Это вызвано тем, что индуктивность в этом случае не успевает полностью отдать энергию в нагрузку в течении длительности второго полупериода, а на следующем полупериоде в нее «заливают» еще, в итоге схема выходит за пределы регулирования. Что бы этого не случилось применяют дополнительную компенсацию (по сути — «антипила») которая заставляет компаратор срабатывать раньше и таким образом давать возможность индуктивности «сливать» запасенную энергию в нагрузку. Есть и более простой способ решить эту проблему — достаточно ограничить ШИМ на уровне 0.5 и тогда схема никогда не переступит порог стабильности. На практике это означает, что на выходе нельзя будет получить напряжение выше половины питания, что не играет существенной роли для источника тока. Во всяком случае для любительских целей.

Проблема номер два
Одна из ключевых вопросов при разработке преобразователя — выбор частоты преобразования. Этот параметр, по сути, определяет всю конструкцию. От него зависят габариты, масса, конструкция и тепловой режим индуктивности, тепловой режим транзисторов преобразователя, разводка печатной платы и так далее. С точки зрения уменьшения потерь на сопротивлении индуктивности, минимизации ее габаритов и массы частоту имеет смысл повышать. Но с частотой линейно растут и потери в транзисторах преобразователя, увеличивается их нагрев. Кроме того, от частоты зависит будет ли переходить преобразователь в режим прерывистых токов при малых токах. А это, в свою очередь, влияет на минимальный ток, который сможет выдать преобразователь без увеличения пульсаций. Если вспомнить, что в любительской практике платы бывают самых разных размеров, минимальный ток, по сути, задает минимальный размер платы, с которыми можно будет работать. Вот такой вот набор противоречивых требований. После долгих попыток выбрать компромисс, я решил не выбирать, а обойти эту проблему. Обходится она одним простым способом — надо иметь разную частоту преобразования в разных режимах. Должен заметить, что идея отнюдь не нова и достаточно широко применяется для снижения потерь в преобразователях при малых нагрузках. Там для этого с падением нагрузки снижают частоту преобразования. Для источника тока этот вариант не годится, нужно наоборот, повышать частоту, что бы при заданной индуктивности оставаться в пределах непрерывного регулирования. Потери в преобразователе тут играют значительно меньшую роль.

Сольем все вместе и хорошенько перемешаем

Исходя из описанного выше, была нарисована следующая схема источника (по клику открывается в полный размер):


Предполагается, что она будет работать так:
1. Генератор импульсов собран на компараторе IC7 и транзисторе T1. Схема почти стандартная, за исключением одного момента — на вход опорного напряжения подается сглаженный сигнал от датчика тока. Поскольку частота импульсов определяется временем необходимым конденсатору, что бы зарядиться до опорного напряжения, то сдвигая вверх опорное напряжение мы уменьшаем частоту импульсов. Диод формирует небольшую зону нечувствительности в характеристике регулирования, так что до определенного момента генератор работает на максимальной частоте и только после превышения порога (падение на диоде + базовая опора) сигнал с датчика тока начинает влиять на частоту генератора. Предполагается, что генератор должен быть настроен (путем выбора порогов и номиналов), что в диапазоне от 0 до максимального выходного тока частота будет меняться в 4 раза — от ~1МГц до ~250кГц. Такой диапазон позволяет использовать индуктивность около 1мкГн (даже 0.68мкГн) без перехода в режим разрывных токов. При этом с фазы можно снимать ~20-30А (в зависимости от транзисторов, драйвера и так далее).

2. IC4B используется как RS триггер, который, собственно, и формирует ШИМ. В начале цикла по сигналу от генератора триггер устанавливается в 1, затем, когда пиковый ток превышает порог компаратора, триггер сбрасывается в 0 до следующего импульса генератора.

3. На IC4A собран классический делитель на 2. Его выходы используются (с помощью IC6 и IC13) для распределения ШИМ на входы двух полумостов. Одновременно переключается и вход компаратора с помощью IC11.

4. На IC9 и IC10 собраны усилители сигнала датчика тока, которые меряют ток снимая напряжение на соответствующих шунтах. В принципе, можно было мерять ток используя внутреннее сопротивление индуктивностей, но из-за высокого ТКС меди точность таких измерений будет желать лучшего, кроме того, установленный ток будет «плыть» по мере нагрева индуктивностей. Замечу, что использовать датчики тока на основе эффекта Холла тут не получится из-за их относительно низкого быстродействия — информацию о токе в нагрузке нужно получать «в реальном времени», а не «в среднем по больнице».

Схему не обязательно использовать в двухфазном режиме, можно, например, спокойно выбросить одну фазу, заодно исключив и переключатель входов (сигнал от усилителя сигнала датчика в этом случае подается напрямую на вход компаратора). При необходимости количество фаз можно увеличить. Это можно сделать двумя путями. Во первых, увеличивая коэффициент деления и расширяя коммутатор входов и распределителя ШИМ. Тут следует помнить, что при таком подходе пропорционально уменьшается максимальный коэффициент заполнения и, соответственно, максимальное выходное напряжение. Кроме того, для сохранения режимов работы полумоста придется увеличить тактовую частоту вдвое. Другой вариант — использовать несколько RS триггеров для формирования ШИМ и, соответственно, такое же количество компараторов и переключателей входов. Это «синхронный вариант», при котором сразу несколько фаз «наливают» ток в нагрузку, при этом будет две группы фаз, обе группы будут работать в противофазе.

Еще раз напоминаю — это не рабочая схема, многие номиналы взяты с потолка, их надо пересчитывать. В схеме наверняка есть не замеченные мной ошибки. Да, тем кто будет делать что-то свое на основе этой схемы, стоит иметь в виду, что компараторы должны быть высокоскоростными. Указанные на схеме — одни из самых быстрых (а то и самые быстрые) из числа доступных (как по наличию, так и по цене).

Вроде бы все. Комментарии по делу категорически приветствуются.
  • +1
  • 16 декабря 2012, 11:51
  • evsi

Комментарии (37)

RSS свернуть / развернуть
lmv7219 конечно хороши, но такими уж доступными их не назовешь они мало где есть и стоят по 80 р за штучку
тогда уже более бюджетный вариант поставить lm319 или какой-нить быстродействющий ОУ у maxima за меньшие деньги такой есть
0
Остальных просто не достать и стоят они совсем уж запредельных денег :(
0
Да, среди микрочиповской продукции есть такая штука как MCP1630V. Там компаратор, усилитель ошибки и RS триггер в одном флаконе. Правда, как у него с доступностью я не в курсе.
0
Все это конечно хорошо. Но меня мучают жуткие сомнения…

Как я понял, вы это делаете всего лишь для регулировки тока в процессе осаждения меди при металлизации отверстий в печатных платах.
Процесс сам по себе не простой, много от чего зависит. Так стоит ли овчинка выделки? Так заморачиваться проблемами стабилизации тока и всякими заумными ШИМ, когда промышленные процесы зачастую с простейшими регуляторами типа ЛАТР или реостата дают результаты ничуть не хуже (а глядя на китайские платы, сделанные чуть ли не под навесом в курятнике, но по отработанным технологиям) — и гораздо лучше?

И без того ваш техпроцесс повторит далеко не каждый со стабильными результатами, а тут еще и эти заморочки с питанием… Когда плюс — минус лапоть по величине тока в ванне не играют такой уж особой роли, на фоне других параметров…

В целом же — часто куда быстрее и проще десяток проволочек в переходные отверстия запаять. А если уж сильно навороченная плата, и оно того стоит — так проще сейчас заказать тем, кто делает это профессионально, на промышленном оборудовании, и с гарантией качества.
Все равно весь завод в квартире не разместить… А тягаться с заводскими технологиями в тазике на кухне — занятие бесперспективное.

Когда — то, в далекой молодости, я тоже баловался гальваникой, хромировал, серебрил, золотил, анодировал, фосфатировал, все подряд, пробовал металлизацию пластмасс, разные технологии печатного монтажа…
Интересно, не спорю.
Но постепенно все это прошло, вытесненное более насущными и полезными задачами. Не стоит на это время терять…
0
  • avatar
  • SWG
  • 16 декабря 2012, 17:24
Так заморачиваться проблемами стабилизации тока и всякими заумными ШИМ, когда промышленные процесы зачастую с простейшими регуляторами типа ЛАТР или реостата дают результаты ничуть не хуже (а глядя на китайские платы, сделанные чуть ли не под навесом в курятнике, но по отработанным технологиям) — и гораздо лучше?
Я так думаю, вы сильно недооцениваете техническую оснащенность тех «курятников». Да и регулировку ЛАТР-ом в промышленности сейчас, думаю, никто не делает, по крайней мере там, где делают платы высоких классов точности. Во-первых потому, что ЛАТР придется иметь совсем не детских размеров. Во-вторых потому, что ЛАТР-ом реверс не сделаешь, а многослойка с переходными заполненными медью требует как раз реверсивных, да еще и импульсных режимов осаждения. Понятно, что врядли я дома буду делать многослойные платы, но и для обычных двусторонних реверсивные и импульсные режимы будут полезны.

Но постепенно все это прошло, вытесненное более насущными и полезными задачами. Не стоит на это время терять…
Я вроде никого и не призывал терять на это время. К тому же полезность и насущность задач у каждого своя. Так что если вам это не нужно и не интересно — паяйте проволочками переходные и дальше.
0
Я вроде никого и не призывал терять на это время. К тому же полезность и насущность задач у каждого своя. Так что если вам это не нужно и не интересно — паяйте проволочками переходные и дальше.
Думаю, вам это тоже скоро надоест. Сколько уже было таких энтузиастов, думавших, что они кустарными методами сделают что-то проще и лучше заводских, отработанных годами на миллионах изделий, технологий…

Немаловажный фактор, кроме трудоемкости, — еще и надежность.
Пока вы только сделали не так много плат, и прошло не так много времени, чтобы набрать статистику по отказам. Но со временем они у вас появится…
0
Думаю, вам это тоже скоро надоест. Сколько уже было таких энтузиастов, думавших, что они кустарными методами сделают что-то проще и лучше заводских, отработанных годами на миллионах изделий, технологий…
Я, кстати, не думаю, что сделаю проще и лучше заводских. Да и уровень своих технологий я представляю очень даже хорошо. Так что вброс не по адресу. Кроме того, в ваших словах присутствует классическое ожидание чуда от промышленных технологий. Сейчас, когда я в этих вопросах разбираюсь достаточно хорошо, я с уверенностью могу сказать, что чудес там никаких нет, все вполне реально достижимо в лабораторных условиях (для домашних оборудования многовато).

Немаловажный фактор, кроме трудоемкости, — еще и надежность.
Пока вы только сделали не так много плат, и прошло не так много времени, чтобы набрать статистику по отказам. Но со временем они у вас появится…

Для меня ключевой фактор вовсе не надежность, а время. Второй, не менее важный, стоимость единицы в малых партиях. Пока платы нельзя заказать и получить в течении суток по паре баксов за плату, делать их самому будет иметь смысл.

Еще раз: вы пытаетесь применять (полу)профессиональные мерки к любительским решениям. Если уж пытаться это делать, но ближайшим аналогом будет прототипирование в промышленной разработке. Там точно так же важнее время, чем надежность, а уровень технологий должен позволять делать устройства максимально близкие к конечным изделиям. К слову, для промышленного прототипирования используются технологии и оборудование, которые практически неотличимы от качественных любительских. Что, как бы, намекает еще раз, что никакого чуда в промышленных технологиях нет и любитель не обязан пропаивать переходы проволочками.
0
Для меня ключевой фактор вовсе не надежность, а время. Второй, не менее важный, стоимость единицы в малых партиях.

Этим все сказано…
0
Простите, а чего вы ожидали? У меня не военка, а любительские разработки. И ваши сомнения по поводу надежности непосредсвенно проистекают из вашей веры в магию промышленного производства. Которой просто не существует и две одинаковым платы сделанные по одинаковым технологиям из одинаковых материалов, но в разных местах имеют одинаковую надежность.
0
У меня разработки как раз не любительские, а очень даже коммерческие, но вот макетировать приходится часто и быстро. Время жизни макета не имеет существенного значения — лишь бы успеть отладить. А промсерию Тайвань сделает в лучшем виде, неспешно — месяц-два.
Попутно, схемка на TPA2001 в качестве задающего генератора в первом приближении устроила. Операционник в ОС таки понадобился, ввиду недостаточного усиления самой TPA. Силовая часть почти что исходная — HIP4081 плюс 4 штуки IRF7842 (ибо это было давно куплено и жаль выбрасывать). Драйвер греется несколько подозрительно, градусов 70-75, но, поскольку нагрев от выходного тока никак не зависит и вписывается в допустимые рамки, решил пока что забить.
0
Да, попутно выяснилось, что внутреннее сопротивление тестера M890G с родными щупами составляет около 0,5 Ом и тем самым фатально херит КПД источника. ;)
0
Схему не хочешь опубликовать? Кстати, я так нигде и не нашел в доках на TPA2001 как там задается частота генератора. Какая она в реальной жизни получилась? И какой максимальный ток?
0
RC-цепочкой она задаётся. Резистор на 13-м выводе и конденсатор на 14-м. Точных формул не нашёл, экспериментально — 100 кОм и 1 нФ дают где-то 120 кГц, что малость неожиданно. Прикольно было, когда нахомутал и поменял их местами — генератор заводился, но посредством пинка (кажись, 14-й кратковременно на землю. Каким чудом — хз ;) )
Ток на выходе догонял до 6 А, больше мне пока не надо. На мосфетах градусов 45 при 25 в окружающей среде, что более чем терпимо.
Усиление задрал на максимум, подвесил GAIN0 и GAIN1 на единичку. Ну и пока что там ОУ стоит LM2904, а таки нужен честный rail-to-rail. 2904 по верху недотягивает. Хотя можно и забить до поры.
Схемку выгружу в дропбокс, по некоторым причинам блог здесь открывать пока не буду и в тематических тоже поучаствовать не получится.
0
Да, я тоже формулы не нашел. По поводу операционников, думаю, имеет смысл присмотреться к MCP6L91/92/94 (одно и то же, только разное количество усилителей в корпусе).

P.S. как приеду, поделюсь LM27222 и транзисторами подходящими. если на таможне не отберут.
0
Ну, на американской скорее всего пропустят по зелёному коридору, а от нашей всего можно ожидать… Ждём! ;)
0
А как увидеть схему? Вы выложите сюда ссылку, как будет готово?
0
У меня не военка, а любительские разработки. И ваши сомнения по поводу надежности непосредсвенно проистекают из вашей веры в магию промышленного производства. Которой просто не существует и две одинаковым платы сделанные по одинаковым технологиям из одинаковых материалов, но в разных местах имеют одинаковую надежность.
Напротив, мои сомнения как раз проистекают из богатого опыта с отказами аппаратуры, сделанной на заводах, как раз по причине металлизации. Кольцевые трещины, обрывы дорожек возле площадок, обрывы внутри самого пистона…

И как раз, даже совершенно одинаковая технология, но на разных заводах, давала разные результаты.

Надежность аппаратуры, сделанной, например, в Калуге или Минске, отличалась от сделанной в Абовяне, Ереване, а тем более, в Тбилиси, даже не в разы, а на порядки…

И в основном — за счет разного качества паек, и особенно — дефектов металлизации… Это был кошмар.
Хотя технологические карты на всех заводах были едиными… Как и оборудование, и химикаты.

Потому я и не верю, что у вас все будет идеально. Вы ж не китаец. Или все же китаец? Тогда, может, и получится…
0
И как раз, даже совершенно одинаковая технология, но на разных заводах, давала разные результаты.
Это вы, простите, чушь сказали. Разные результаты были вызваны, как раз, отличиями в технологиях.
Хотя технологические карты на всех заводах были едиными… Как и оборудование, и химикаты.
Помимо всего перечисленного есть еще технологические режимы и точность их выдержки. Вот тут собака и порылась.

К слову, с тех пор технологии сильно улучшились и при этом они вполне доступны любителям.

Потому я и не верю, что у вас все будет идеально.
Кто ж говорит, что идеально? Будет нормально. Более того, уже есть нормально. И не только у меня одного.

Вы ж не китаец. Или все же китаец? Тогда, может, и получится…
Иначе говоря, у вас ничего не получается только потому, что вы не китаец? Но это ваши личные особенности, с чего вы решили, что они обязательны для всех?

P.S. китайцы в этой области пользуются готовыми наработками. и эти наработки вовсе не китайские. что, как бы, намекает.
0
По-моему, нынче как раз китайцы есть функциональные аналоги тех почти уже былинных армян — и даже превзошли весьма по качестку халтуры. ;) Хотя не все. Тайвань, так уж точно исключение, от Японии уже почти не отличается.
0
Валер, да хрен с этими трещинами. Для прототипа пойдет ему срок жизни один фиг дня два-три. Проверить работу и в ведро. А для более серьезного заказ в китае.
0
Кстати, трещины в значительной мере зависят от пластичности гальванически осажденного слоя меди, а пластичность, в свою очередь, полностью определяется режимами гальваники, то есть составом электролита и режимами нанесения. Современные блескообразователи (в том числе те, которые применяются в промышленности при производстве печатных плат) вполне можно приобрести (хотя, конечно, и не валяются на каждом углу). Рекомендуемые производителем режимы осаждения тоже не секретная информация и вполне воспроизводимы в домашних/лабораторных условиях. И качество будет ничем не хуже заводского.
0
Сколько уже было таких энтузиастов, думавших, что они кустарными методами сделают что-то проще и лучше заводских, отработанных годами на миллионах изделий, технологий…
Так вроде эти самые технологии и пытаемся освоить. Никто особо велосипедов не изобретает. Все уже изобрели, нам осталось адаптировать все это до любительских условий и возможностей. Мне не понятно, чем односторонняя плата, выпущенная на производстве отличается от любительской, изготовленной с использованием фоторезиста и двухкомпонентной маски. Кроме затраченного времени — ничем. И там и там одни и те же технологии.
0
ИМХО, Вы слишком скептически подходите к вопросу. Согласно Вашей позиции, получается, что если ты не можешь сделать что-то лучше чем современная промышленность, то и браться за это не стоит.

Но, во-первых, есть просто удовольствие от самого процесса (это хобби, оно не всегда должно быть рациональным).

Во-вторых, даже повторяя что-то (в данном случае промышленный тех. процесс) приобретается опыт.

Да и практическое применение наработкам evsi однозначно имеется. И даже не только в среде «радиолюбителей». В некоторых компаниях ранние прототипы изготовляются самостоятельно (в «кустарных» условиях). И дело не в попытке сэкономить деньги, а в том, что таким образом можно существенно сэкономить время. Время «срочного» изготовления плат на производстве исчисляется днями, а локально, прототип можно изготовить за несколько часов.
+2
В своё время алхимик-любитель, неймед Геннинг Бранд, в очень даже любительских условиях (страшное дело, из собственной мочи) получил белый фосфор и в буквальном смысле на нём озолотился. Стоит заметить, что до него сие вещество не то что не производилось промышленно, а вообще было неизвестно. ;)
А тут всё почти готовенькое, почему ж не сделать.
Насчёт критичности сроков более чем согласен, выше высказался.
+1
>даже повторяя что-то (в данном случае промышленный тех. процесс) приобретается опыт

Для чего коню камуфляж?
0
Прошу прощения, если не совсем по теме… Не проясните один момент — у нижнего транзистора преобразователя зачастую ставят параллельно ему диод Шоттки. Почему вы так не делаете? Несущественный выигрыш получается?

Насколько я понимаю, пока транзистор не открылся — работает Шоттки, который лучше, чем получающийся в транзисторе обратный диод.
0
Выиграш получается существенный, так что смысл ставить вполне есть. А на этой схеме я их просто забыл дорисовать.
0
Данная схема будет в каждом такте менять направление тока в нагрузке — а это, кажется, не то, что нам надо?
Почему не использовать phase shift pwm, как здесь
здесь?
0
Хмм. С чего бы ей менять направление тока в нагрузке?

За ссылку спасибо, но врядли это упростит схему.
0
сорри, немного перепутал линии(
0
правда, я не понимаю, почему выходы дросселей не соединены в паралель?
0
Да, должны быть, это в процессе перерисовки потерялось.

P.S. придумал схему еще проще (и в смысле количества компонентов и в смысле их доступности)…
0
ждем-с))
0
(описывать другие схемы управления я, пожалуй, не стану, хотя тема и интересная)
заранее прошу прощения за излишнюю наглость, но рас уж Вы перелопалити столько информации, может накатаете обзорную статейку по этим самым принципам управления? :)
0
Не обещаю, но постараюсь.
0
Кто-нибуть бы опубликовал рабочую схему что ли… для слоупоков вроде меня… :( Знаний не хватает, чтобы понять описание и сделать рабочую схему самому…
0
В последнем топике на эту тему есть более простая для повторения схема. Как доберусь до дома, сделаю прототип и проверю.
0
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.