Regulator switching Buck berdasarkan ATtiny84a - mohon kritik!

Berikut ini adalah upaya merancang regulator uang berdasarkan ATtiny84a sebagai pengontrol PWM. Itu harus pergi dari baterai LiPo 4S (12,8 - 16,8 volt) menjadi output 12V yang diatur secara wajar, yang digunakan untuk menggerakkan motor servo yang menerima input 10-14V. 4S LiPo sedikit terlalu tinggi, dan 3S LiPo sedikit terlalu rendah, terutama karena saya ingin torsi 12V terukur. Desain ini dimaksudkan untuk menghasilkan case terburuk 40 amp (mematikan sebagian besar motor.)

Saya tidak dapat membeli salah satunya, karena begitu saya meninggalkan kisaran 10-15A, semua konverter DC DC dirancang untuk keperluan industri dan memiliki case berat, benar-benar mahal, memerlukan input 24V, atau kesalahan pencocokan lainnya dengan persyaratan saya saat ini.

Idenya adalah untuk menggunakan komparator analog bawaan dalam AVR untuk mendeteksi tegangan target di atas / di bawah, dan menghasilkan pulsa dengan durasi tertentu ketika di bawah terdeteksi.

Saya akan membangun ini di atas papan tempat memotong roti dengan 20 kabel pengukur yang disolder melintasi lead komponen untuk jalur berdaya tinggi.

Saya tahu tentang menjaga "switching node" dan jalur umpan balik sesingkat mungkin, ketika mencoba melakukan tata letak. Saya juga akan tanah semua jejak papan tempat memotong roti yang tidak digunakan, untuk membuat untuk tanah pesawat orang miskin.

Saya sudah mencoba memilih choke di mana arus saturasi cocok dengan arus keluaran maks saya, dan induktor uang di mana arus saturasi lebih tinggi daripada output maks saya.

Frekuensi sudut 94 uF dan 3.3 uH adalah sekitar 9 kHz, dan saya membayangkan AVR akan berjalan lebih cepat dari itu. Saya pikir pulsa 5 us setiap kali di bawah tegangan terdeteksi, dan kemudian kembali untuk mencari di bawah tegangan lagi. Itu memberikan frekuensi maksimal (mendekati siklus kerja 100%) dari 200 kHz.

Dan inilah skemanya: https://watte.net/switch-converter.png

Selain kekhawatiran yang muncul dalam komentar (polaritas P-FET salah, tidak ada dioda tangkap / MOSFET), saya memiliki beberapa perhatian sekilas:

• Mikrokontroler tidak akan mampu menggerakkan gerbang Q1 dengan sangat keras (biasanya pin GPIO hanya dapat sumber beberapa miliamp) sehingga nyala dan nyala akan sangat lambat. Ini akan membatasi seberapa baik pergantian sisi tinggi Anda akan berperilaku.

• Anda tidak memiliki resistor gerbang-ke-sumber pada Q1, jadi Anda hanya bergantung pada GPIO yang mempertahankan atau menonaktifkan MOSFET. Jika pin GPIO memiliki impedansi tinggi, MOSFET dapat menyala dengan sendirinya jika gerbang menerima muatan dari lingkungan.

• Jika 70R P-channel gate resistor Anda aktif (jika Q1 jenuh), itu akan terbakar

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

  yang gila daya tinggi karena D akan menjadi tinggi (input mendekati output). Juga, 225mA atau lebih yang akan mengalir juga akan dibakar di Q1, yang tidak sehat karena itu adalah perangkat yang relatif kecil.

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

  • Jaringan umpan balik Anda yang murni resistif adalah ide yang buruk. Anda benar-benar membutuhkan kompensasi dan / atau penyaringan. Komparator Anda akan sangat cepat dan dapat bereaksi terhadap peralihan kebisingan, pikap, riak, dll. - karena Anda sepertinya tidak menggunakan penguat kesalahan dengan kompensasi untuk mengontrol penguatan dan fase, Anda akan memerlukan beberapa penutup melintasi R5 (dan sedikit keberuntungan).

  • Anda tidak memiliki pemantauan saat ini atau perlindungan kelebihan arus di power train Anda.

  • Anda tidak memiliki perlindungan kelebihan tegangan di power train Anda.

  • Anda tidak memiliki proteksi suhu berlebih di power train Anda.

  • Anda tidak memiliki perlindungan polaritas balik input dan sekering input pada power train Anda. Besar tidak-tidak, terutama ketika sumbernya berbasis baterai (kemampuan sumber arus pendek yang besar).

Ini adalah proyek yang lebih sederhana jika Anda menggunakan pengendali uang sinkron analog yang tidak digunakan. Saya tidak mengerti mengapa Anda ingin menggunakan ATtiny untuk ini.

Yang sedang berkata, ini bukan proyek sederhana dengan peregangan apa pun. Skema Anda sebagian besar tidak lengkap dan tidak memiliki perlindungan keselamatan dasar yang diperlukan catu daya apa pun (terutama yang beroperasi pada tingkat daya tinggi seperti milik Anda).

Pikirkan kebutuhan Anda, hitung semua kerugian, rancang dalam beberapa perlindungan dan kembalilah dengan rev. 2.

Anda merancang regulator Buck untuk:

• Vin 12,8 hingga 16,8 Volts dari baterai LiPo berkapasitas tinggi.
• Vout dari 12V @ 40 Amps.
• Teknik kontrol adalah Constant on time, dan variable off time.

Bahkan setelah jawaban yang baik dari Madmanguruman, ada hal-hal tambahan yang harus diperhatikan. Kesulitan utama dengan desain ini adalah arus tinggi yang sedang diproses. Saya akan memperhatikan komponen pemrosesan daya, modulator daya, dan penyaringan.

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

• Gate Drive. Tidak ada drive gerbang yang memadai dalam desain ini. Terutama untuk mematikan. Dengan 70 Ohm mematikan FET dengan Ciss 3500pF, waktu mematikan setidaknya 500nSec. Ini akan berarti kerugian switching yang sangat besar di FET, mungkin setidaknya 15W dari kerugian tambahan di FET. Desain ini harus memiliki drive gerbang yang jauh lebih baik. Karena drive gerbang perlu ditingkatkan pula; itu akan sangat bermanfaat untuk mengubah FET switching saluran N, dan menggunakan penyearah sinkron yang cocok dengan IC drive gerbang (seperti IR2104 atau LM5104 atau semacamnya).

• Kontrol Histeris. Tidak ada masalah dengan konstan waktu, variabel waktu lepas kendali. Kontrol histeretik dapat (jika Anda berhati-hati) bekerja dengan baik, dan memiliki respons transien yang sangat baik. Tapi, masalahnya di sini adalah menggunakan komparator di UC. Perlu ada akses ke pembanding untuk memberikan histeresis tambahan. Jadi, pembanding dengan histeresis, dan dengan waktu respons kurang dari 500nSec perlu ditambahkan. Anda ingin menambahkan histeresis sekitar 100mV.

• Filter keluaran. Induktor yang bagus, L1. Pada 40A ditambah arus riak itu akan berada di ambang kejenuhan. Akan lebih baik untuk memiliki bagian saat ini yang lebih tinggi, tetapi itu bukan masalah utama. Sepertinya kapasitor keluaran C1 dan C2 adalah keramik, yang merupakan pilihan yang baik, harus dapat memiliki ESR total kurang dari 20 mOhms untuk tegangan riak ~ 100mV. Sangat menarik, bahwa hambatan beban pada beban maksimum (~ 0,3 Ohm) sangat dekat dengan impedansi karakteristik dari filter keluaran (~ 0,2 Ohm). Ini beruntung, karena itu berarti bahwa filter teredam dengan baik, lebih lanjut tentang ini nanti. Jika Anda hanya mengendarai motor dengan suplai ini, tidak perlu filter tahap kedua (L2, C3).

Ada beberapa fungsi yang harus dilewati:

• Batas saat ini, perlu ada satu, untuk keselamatan Anda sendiri jika tidak ada yang lain. Dengan jumlah penanganan saat ini, kejutan bisa muncul dengan tergesa-gesa. Anda belum hidup sampai bagian atas saklar daya secara eksplosif terpisah dari bagian bawah dan terbang untuk menempel di langit-langit. Bagaimanapun, semacam batas saat ini, bahkan jika itu hanya sekering.

• Filter input. Tidak jelas tentang sisa sistem, tetapi input dari pasokan ini akan menjadi sumber sejumlah besar EMI. Biasanya ini akan menjadi masalah besar.

Impedansi input juga menjadi perhatian di sini. Switching regulator memiliki impedansi input negatif, dan dapat menghasilkan osilator yang baik (sayangnya). Impedansi sumber, dari LiPo dan jaringan distribusi harus kurang dari 1/2 impedansi input pasokan untuk mencegah osilasi. Saya pikir baterai LiPo berkapasitas tinggi memiliki impedansi sekitar 20 mOhms (meskipun ini naik seiring bertambahnya usia). Impedansi input pada beban penuh (40A) dari pasokan ini dengan filter output saat ini (L1 dengan C1 dan C2) memiliki minimum sekitar 100mOhms (pada 9KHz), yang terlihat bagus jika impedansi jaringan distribusi sumber dijaga tetap rendah. Tapi, ingat redaman filter keluaran yang tampak begitu baik pada beban 40A, nah jika beban turun ke redaman 10A tidak begitu baik. Itu berarti pada saat beban 10A minimum impedansi input turun menjadi sekitar 50 mOhms (pada 9KHz), yang akan membuat distribusi sumber benar-benar ketat dan bermasalah. Apa paradoks, untuk ini menjadi masalah beban ringan yang disebabkan oleh redaman filter keluaran variabel.