Erzeugung von Hochspannung (100 V+) aus 5 V USB-Versorgung

Aufwärtswandler können klein gemacht werden. Und es gibt nicht viele andere Möglichkeiten. Eine Ladungspumpe wäre größer, und ein Transformator ist nicht einmal der Rede wert.

Lassen Sie uns also einen kleinen Aufwärtswandler bauen, der für diese Anwendung geeignet wäre. Es gibt jedoch ein paar Dinge, die sich von den typischen Boost-Anforderungen unterscheiden: Der vom USB gezogene Strom muss innerhalb der Spezifikationen liegen (500 mA, oder der Computer trennt möglicherweise die Versorgung Ihres Schlüssels), und Sie kümmern sich nicht um Spannungsgenauigkeit und Lastregelung , Versorgungsunterdrückungsverhältnis oder irgendetwas, das normalerweise für typische Regler wichtig ist. Auch die Startzeit ist unwichtig (hoffentlich, denn bei 5 V 500 mA max dauert es ziemlich lange, einen großen Kondensator auf 100 V aufzuladen).

Eine letzte Sache: Die Anzahl der Kondensatoren, die Sie aufladen möchten (Sie sagten 5), ist natürlich irrelevant. Was Sie uns hätten sagen sollen, ist die Gesamtkapazität (ich nehme 4,7 µF an, was ungefähr der Kapazität des USB-Killers entspricht , denke ich, da dies anscheinend das ist, was Sie tun möchten).

Hier ist die Schaltung (ja, es ist fast ein vollständiges Design, das ich gemacht habe ... Fragen zum vollständigen Design sind hier nicht immer willkommen, aber in diesem Fall hat es Spaß gemacht):

Hier ist das Pastebin für die Simulation auf LTSpice (Simulation dauert viel Zeit mit einer so großen C4-Reservoirkappe - Sie können C4 auf etwa 100 nF senken, um es viel schneller zu machen, aber "IC = 0" beibehalten).

So funktioniert es. Die Schaltung besteht aus zwei Teilen:

Der Spannungserhöhungsteil

Da die Anforderungen, wie gesagt, andere sind als bei typischen Boost-Versorgungen, habe ich mich entschieden, keinen Standard-Boost-Regler-IC zu verwenden, sondern ein einfacheres Schema. Dadurch wird auch das Design kleiner.

Ziel ist es, C4 kontinuierlich aufzuladen. Wir überwachen tatsächlich den Strom durch die Induktivität (durch R3) und gehen mit einem einfachen Komparator (U1) mit Hysterese wie folgt vor: Schalten Sie M1 ein und warten Sie, bis der Induktivitätsstrom etwa 600 mA erreicht (wir gehen tatsächlich über 500 mA hinaus, aber der durchschnittliche Strom ist unten). Dann wird M1 abgeschaltet und der Induktor entlädt sich über C4, wodurch seine Spannung erhöht wird. Wenn der Strom durch die Induktivität unter 100 mA fällt, wiederholen wir. Das wird C4 nach und nach aufladen. Sie können damit eigentlich jede beliebige Spannung erreichen, vorausgesetzt, Sie bleiben unter den Nennwerten der gewählten Komponenten (aber es wird natürlich immer schwieriger, C4 mit steigender Spannung zu laden). Es dauert ungefähr 30 ms, um mit einer 4,7-µF-Kappe 100 V zu erreichen (wenn die Kappe kleiner ist, dauert es weniger).

Der Entlastungsteil

Dieser Teil verwendet auch einen Komparator mit Hysterese (U2). Wenn die Spannung etwa 100 V erreicht, löst der Komparator den Entlade-PFET (M2) aus und hält seine Gate-Spannung niedrig, bis die Spannung auf etwa 25 V abgefallen ist. Es stoppt dann und der Vorgang wiederholt sich möglicherweise, wobei C4 durch den Boost erneut geladen wird (solange die 5-V-Versorgung vorhanden ist). Sie können daher die angesammelte Spannung auf einen beliebigen Signalpfad (wahrscheinlich D+/D- des USB) entladen.

Komponentenauswahl

Die Komponentenauswahl ist entscheidend. Natürlich sollten L1, C4, D1, M1, M2 und Q1 mehr als die Zielspannung aushalten (vielleicht mindestens 120 V - 150 V). Beachten Sie in Bezug auf C4, dass es schwierig ist, einen solchen Hochspannungskondensator im Bereich von wenigen µF in SMT mit kleinen Abmessungen zu finden. Das wahrscheinlich kleinste ist tatsächlich die Verwendung eines Elektrolyten (anstelle von 5 SMT-Keramiken). Die Induktivität wurde hier mit einem niedrigen Wert (10µH) gewählt, um ihre Abmessungen klein zu halten. Beachten Sie, dass ein kleiner Wert an sich kein Problem darstellt, der U1-Komparator jedoch schneller sein muss (das Laden muss mit einer höheren Frequenz erfolgen, um unter dem USB-Nennstrom zu bleiben). Beim aktuellen Induktivitätswert ist der U1-Komparator eigentlich kritisch. Die Simulation funktioniert mit LTC6752, aber möglicherweise gibt es billigere Alternativen (vielleicht MCP656x?). Wenn Sie eine 100-µH-Induktivität verwenden, Ich werde sicherlich viel mehr Auswahl haben. Außerdem muss der Eingangsspannungsbereich des Komparators Masse umfassen. Und der Ausgang muss hoch genug sein, um den FET auslösen zu können. Es gibt weniger Einschränkungen für den U2-Komparator (natürlich würde die Verwendung eines einzigen Chips für beide Komparatoren die Lösung kleiner machen). Beide Komparatoren müssen Gegentaktausgänge haben.

Letzte Sache: Kleine SMT-Induktivitäten haben normalerweise keine Nennspannung. Das ist traurig. Hier sind Stackexchange-Antworten dazu:

• Spitzenspannungsnennwerte von SMD-Induktivitäten
• Sollte ich Bedenken haben, handelsübliche Induktivitäten in Hochspannungsschaltanwendungen zu verwenden?

Mängel

Dieses Design ist nicht kugelsicher. Es gibt mehrere Dinge, die verbessert werden sollten:

• Der Boost-Teil arbeitet weiter, selbst wenn der Entlade-PFET eingeschaltet ist. Dies hat unerwünschte Auswirkungen, vor allem, dass dies beim Entladen eine große Stromaufnahme aus dem USB 5V (mehrere Ampere) erzeugt. Hier besteht die Gefahr, dass der Computer die USB-Versorgung abschaltet und Sie nicht mehr weiterkommen.
• Aus dem gleichen Grund (der Boost-Teil funktioniert weiterhin), wenn kein Entladungspfad vorhanden ist (z. B. die D+/D--Drähte sind gebrochen), steigt die Spannung der Reservoirkappe unendlich weiter an und sprengt irgendwann Ihren eigenen USB-Stick ( Selbstmord!).
• Wenn Sie tatsächlich erfolgreich Sachen auf dem Host-Computer zerstört haben, ist es möglich, dass die 5-V-USB-Versorgung trotzdem vom Computer abgeschaltet wird, wodurch der Entlade-PFET abgeschaltet wird und Sie daran gehindert werden, möglicherweise mehr Dinge zu beschädigen (wollen Sie mehr Schaden! wollen Sie mehr Schaden !). Es sollte ein großes 5-V-Reservoir vorhanden sein, um die Versorgung des Entlade-Operationsverstärkers für zusätzliche Zeit aufrechtzuerhalten, selbst wenn die Haupt-5-V-Spannung wegfällt.
• Ihre Schaltung selbst ist bei der 5-V-Versorgung nicht geschützt. Da Sie Hochspannung einspeisen, von der Sie nicht wissen, wohin, geht sie vielleicht zu Ihnen zurück und tötet Ihren eigenen USB-Stick. Ein Überspannungsschutz (das Mindeste, was Sie tun sollten, ist ein Zener) sollte hinzugefügt werden.
• Alle auf Komparatoren verwendeten Spannungsreferenzen werden von der 5-V-USB-Versorgung abgeleitet. Das ist möglicherweise nicht sehr klug, insbesondere wenn die 5 V möglicherweise ausfallen können.
• Wahrscheinlich viele andere Dinge ... Der Hauptfehler ist: Warum um alles in der Welt würdest du das tun wollen? . Nun ja...

Bei diesem relativ hohen Übersetzungsverhältnis (1:20) würde ich zunächst einen Sperrwandler betrachten. Dies hat den zweiten Vorteil, dass der Ausgang inhärent vom Eingang isoliert ist. Das ist nützlich, wenn dieser Ausgang jemanden ernsthaft verletzen kann, wie es 100 V können.

In einem Sperrwandler wird ein Transformator verwendet, um Leistung vom Eingangsteil zum Ausgangsteil zu übertragen. Der Transformator wird wirklich als zwei gekoppelte Induktivitäten verwendet, da Primär- und Sekundärspule nicht gleichzeitig leiten.

Die Eingangsseite verbindet die Primärseite des Transformators für eine feste Zeit mit der Eingangsspannung. Eine Diode in Reihe zur Sekundärseite ist so ausgerichtet, dass dort während dieser Zeit kein Strom fließt. Die Primärspule ist daher nur eine Induktivität für die Ansteuerschaltung. Die Impulszeit ist alles, was erforderlich ist, um den Induktor bis nahe an sein Maximum aufzuladen.

Der Primärstrom wird dann schlagartig abgeschaltet. Die von der Sekundärseite erzeugte Spannung kippt nun um und die Diode in Reihe dazu kann leiten. Die Sekundärseite sieht jetzt aus wie ein Induktor, aber einer, der vollständig aufgeladen ist. Ein Stromimpuls geht durch die Diode und lädt einen Kondensator auf. Der Impuls beginnt hoch und fällt dann exponentiell ab, wenn sich der Induktor entlädt. Wenn dieser Ausgangsimpuls stoppt, wird der gesamte Vorgang wiederholt.

Ein Teil der hohen Spannung am Ausgang relativ zum Eingang kommt vom Übersetzungsverhältnis des Transformators, das relativ einfach über einen weiten Bereich hergestellt werden kann. Dieses Verhältnis ist in einem einfachen Aufwärtswandler nicht verfügbar, weshalb Sperrwandler mit hohen Spannungsverhältnissen einfacher hergestellt werden können.