MOSFET-Treiber für digital gesteuerten, batteriebetriebenen Aufwärtswandler

Ich denke, Sie haben die meisten Optionen abgedeckt, obwohl ich mir vorstellen kann, dass Sie eine Ladungspumpe manuell erstellen, die Sie nicht explizit aufgeführt haben. Es ist nicht unmöglich, da Sie einen Mikrocontroller haben. Wenn Sie Zugang zu billigen Passiven haben, könnte dies billiger sein als ein Ladungspumpen-IC.

Die billigste, kleinste und effizienteste Option wird jedoch wahrscheinlich die integrierte Lösung sein. Es ist auch einfacher und hat eine bessere Chance, unter allen Bedingungen richtig zu arbeiten. Halbleiterunternehmen verdienen viel Geld mit der Entwicklung von Schaltregler-Controllern, die billiger und kleiner sind, als Sie sie manuell erstellen könnten. Allerdings spricht einiges für die zusätzliche Kontrolle, die durch das Selbermachen entsteht.

Aber mir fällt keine andere mögliche Lösung ein, und ich kenne sie auch nicht, also lassen Sie uns nur zum Spaß die Rube-Goldberg-Maschine untersuchen und sehen, ob sie wirklich zu kompliziert ist.

Hier ist eine schnelle Simulation, die ich von der kompletten Schaltung zusammengestellt habe:

Hier sind die Bootstrap- und Ausgangsspannungen (beachten Sie die 100-mA-Last oben):

Hier ist die Gate-Treiber-Wellenform (100 kHz), sobald sie sich stabilisiert hat:

LTSpice meldet die folgenden durchschnittlichen Leistungen:

• Q2: 11,478 mW (9 W Spitzen)
• Q3: 17,457 mW (2,7 W Spitzen)
• M1: 26 mW (60 W Spitzen am Anfang, ~10 W Spitzen sobald stabil)
• D5: 4,74 mW (60 mW Spitzen sobald stabil)
• V1-V4: 71,931 mW + 1,448 W + 70,483 mW + 1,6649 mW Durchschnitt
• R5: Durchschnittlich 1,152 W, was uns eine durchschnittliche Effizienz von 72,3 % über 40 ms gibt.

Oben in der oberen linken Ecke haben wir unseren Bootstrap-Spannungserzeuger (Dickson-Ladungspumpe). Es ist nicht das beste Design, aber in der Simulation gibt es Ihnen 9-12 V bei einer niedrigen Spannung von zwei GPIOs (V1 und V3) auf Ihrem Mikrocontroller PWMming gegenüber. Laut LTSpice beträgt der durchschnittliche Strom von V1 und V3 1,3 mA, aber die Spitze liegt bei etwa 120 mA. Ich bin sicher, Sie könnten es so optimieren, dass es viel stärker ist (verwenden Sie einen dieser nicht invertierenden Gate-Treiber-ICs als Puffer für das 0-3-V-Signal in die Kondensatoren). In Bezug auf die Komponenten werden die Schottky-Dioden oft in Zweierpaketen geliefert, also zweieinhalb SOT-23 und fünf MLCC-Kappen. Alternativ könnten Sie stattdessen einfach den Ladungspumpen-IC verwenden.

In der Mitte haben wir unseren Totem-Pole (auch bekannt als Emitter-Follower) Gate-Treiber und einfachen Level-Shifter. Jemand hat mir einmal gesagt, dass Gate-Fahrer wie Kisten in Kisten stecken. Sie beginnen mit einer kleinen Box (Leistungs- und Spannungsfähigkeit), stecken diese Box in eine größere Box und so weiter, bis Sie die erforderliche Antriebsstärke und die erforderlichen Spannungspegel erreichen. Der Totempfahl (Q2 und Q3) sollte dem ZXGD3009DY, den Sie in Option 2 erwähnt haben, unheimlich ähnlich sein und kann durch einen einzelnen IC ersetzt werden. Der Level Shifter (Q1, Q4, R1-R4) ist eine sehr einfache, unsymmetrische Anordnung (die Low-Level-Impedanz ist um einiges höher als die High-Level-Impedanz ... aber dieser Totempfahl stört nicht allzu sehr). was in dieser Situation gut genug funktioniert. Wenn benötigt,

Alternativ könnte ich anstelle des diskreten Gate-Treibers etwas wie den MCP1406 vorschlagen, da er eine Pegelverschiebung integriert und mit 3-V-Logik (2,4 V min Vih, 0,8 V max Vil) arbeiten sollte.

Alles andere ist die Boost-Schaltung (M1, L1, D6, C6) und der Mikrocontroller (alle V's außer V2).

Insgesamt würden Sie die folgenden Komponenten benötigen (abgesehen von den Aufwärtswandlerteilen):

• 3x Dual-Dioden, 5x MLCC 10uF-Kappen (oder 1 Ladungspumpen-IC).
• 1x NPN und 1x passender PNP (oder 1 Emitterfolger-IC).
• 1x NPN, 1x PNP und 4x Widerstände.

Das sind 8-14 ziemlich kleine Komponenten und ich würde das nicht als zu einschüchternd oder Rube Goldberg-artig betrachten. Die vollständig integrierte Lösung enthält im Grunde alle diese Komponenten (außer den Kappen) plus Feedback-Logik und dergleichen.

Ich denke wirklich, die einzige Frage ist, ob Sie die Steuerung einer diskreten Schaltung oder die Effizienz und den kleinen Formfaktor einer vollständig integrierten Lösung benötigen oder nicht.

Nach langem Suchen habe ich folgende Schaltung gefunden:

( Kredit )

Es erfüllt meine Anforderungen: Null Stromverbrauch außer während Zustandsübergängen), ziemlich geringe Anzahl von Teilen (insbesondere wenn mit MOSFET-Arrays gebaut), Vollbereichsspannung am Ausgang und Ansteuerung aller MOSFETs mit niedriger Impedanz - keine Pull-ups hier, um widersprüchliche Anforderungen zu stellen zwischen Ruhestrom und Gate-Ladegeschwindigkeit.

Die Simulation der Schaltung war nicht erfolgreich, aber eine Version wurde auf sehr improvisierte Weise gebaut, wobei lange Drähte verwendet wurden, die einige Parasiten hinzufügen sollten. Dennoch scheint die Schaltung prinzipiell zu funktionieren, wie folgendes Scope-Capture zeigt:

Die gelbe Spur ist ein von einem Mikrocontroller generiertes 24-kHz-Signal mit einem 3,3-V-Pegel (eine ähnliche Spannung von einem Tischnetzteil wurde an die V2-Schiene angeschlossen). Eine 6-V-Quelle wurde an VDD angeschlossen, und die Ausgangsspannung ist als grüne Spur dargestellt.

Es gab ein Problem mit hohem Stromverbrauch (etwas weniger als 100 mA), aber das liegt wahrscheinlich an Durchschussströmen während des Schaltens, die meiner Hypothese nach aufgrund der improvisierten Konstruktionstechnik auf übermäßige Parasiten zurückzuführen sind. Dies wird in Zukunft auf einer Leiterplatte getestet, um diese Hypothese zu überprüfen.