Operationsverstärker stabilisieren – mache ich das richtig?

Die erste Regel eines Kontrollsystems lautet, Informationen nie zu spät zu erhalten. Leider ist dies genau das, was Tiefpassfilter im Feedback-Pfad tun. Insbesondere R13, C8, R12, C3 und C6 werden im Strombegrenzungsmodus Stabilitätsprobleme verursachen. Auch die Tatsache, dass der IC3B im offenen Regelkreis betrieben wird, bedeutet, dass das aktuelle Abschaltsignal hin und her schlägt. Sie speisen im Grunde ein digitales Signal in einen linearen Regelkreis ein. Das ist für so etwas wie einen harten Shutdown in Ordnung, aber es wird nicht für irgendeine Art von Regulierung funktionieren.

Das Obige geht davon aus, dass das Durcheinander in der unteren rechten Ecke Ihres Schaltplans eine Strommessung ist, sodass sein OUT-Pin letztendlich eine massebezogene Spannung ist, die proportional zum Strom durch R_Shunt ist. Der Rest Ihres Schaltplans ist größtenteils vernünftig, aber dieses Durcheinander muss behoben werden. Es gibt nicht einmal eine Komponentenbezeichnung für diesen Chip, geschweige denn einen Hinweis darauf, was es ist!

Wenn Sie den Controller für eine gute Reaktion optimieren möchten, müssen Sie eine sorgfältige Analyse durchführen. Dies wird normalerweise in der S-Domäne (Laplace-Transformationen) durchgeführt, wobei Pole und Nullstellen betrachtet werden. Darauf gehe ich hier nicht ein. Wenn Sie es einfach halten möchten und bereit sind, etwas Leistung aufzugeben, verwenden Sie die einfache Regel, die besagt, dass der Controller die niedrigste Bandbreite von allem im System hat.

Im Spannungsmodus ist Ihr Controller IC3A, was gesteuert wird, sind die FETs, und die Rückkopplung ist R10 und R9. Das ist ein geradliniges System, das mit Ausnahme von C7 vernünftig aussieht. Ich würde C7 direkt zwischen den negativen Eingang und den Ausgang von IC3A legen. Das verlangsamt den Controller effektiv. Mehr Kapazität verlangsamt es mehr. Irgendwann erreicht man einen Punkt, an dem das System stabil genug ist. AC-weise sind Vregulated und Voltage_Ctrl nahe genug, sodass C7 immer noch weitgehend dort funktioniert, wo es ist, aber es wäre besser, wo ich es beschrieben habe. Um kleinere Werte von C7 zu ermöglichen, machen Sie R10 und R9 größer, z. B. 10 kΩ.

In einer separaten Anmerkung, wofür ist D1? Wenn Sie nicht glauben, dass die Last dieses Netzteil zurücktreiben kann, ist dies nur eine Verschwendung eines Diodenspannungsabfalls.

Hinzugefügt:

Nachdem nun klargestellt wurde, dass diese Schaltung zum Laden einer "12 V"-Blei-Säure-Batterie dient, sind spezifischere Empfehlungen möglich.

Wir wissen, dass sich die Last nicht plötzlich ändert, daher ist das Einschwingverhalten keine wichtige Überlegung. Daher ist es gut genug, IC3A mit einer Kappe von seinem Ausgang zu seinem negativen Eingang zu kompensieren. Finden Sie den Cap-Wert, der ihn stabil zu machen scheint, und verdoppeln Sie ihn. Die Reaktion wird langsam sein, aber auch das spielt beim Laden einer Batterie keine Rolle.

Um eine Strombegrenzung durchzuführen, wäre es meiner Meinung nach am einfachsten, einen separaten Controller zu verwenden, bei dem die FETs von der niedrigeren der beiden Controller-Ausgangsspannungen angesteuert werden. Dies könnte so einfach sein wie eine Dioden-ODER-Verknüpfung zwischen den beiden, obwohl dies einen Pullup erfordern würde, um die FETs hoch zu treiben, was die hohe und niedrige Ansteuerung asymmetrisch machen würde. Eine Möglichkeit besteht darin, eine Dioden-ODER-Verknüpfung der Operationsverstärkerausgänge im Spannungs- und Strommodus durchzuführen und diese dann mit einem dritten Operationsverstärker zu puffern, der die FET-Gates ansteuert.

Der schwierigste Teil besteht darin, sicherzustellen, dass es keine Instabilität gibt, wenn die Versorgung zwischen Strom- und Spannungsregelungsmodus wechselt. Ich denke, wenn jeder der beiden Controller-Operationsverstärker mit einer Obergrenze zwischen ihrem Ausgang und ihrem negativen Eingang ausreichend verlangsamt ist, sollte dies in Ordnung sein. Einige Experimente werden erforderlich sein. Glücklicherweise sind Sie in der Lage, zugunsten der Stabilität auf die Seite der langsamen Reaktion zu gehen, also sollte dies alles machbar sein.

Dieses System hat zwei Schleifen – eine Spannungsschleife basierend auf VSET und eine Stromschleife basierend auf ISET. Der Stromschleifenausgang modifiziert die Spannungsschleifenreferenz, was die Ausgangsspannung ändert, was den Laststrom ändert und voila, Sie haben ein System mit geschlossenem Regelkreis.

Wenn die Stromerkennung als ausfallsicherer Überstromschutz (Kurzschlussschutz usw.) gedacht ist, sollte IC3B an eine Latch-Schaltung angeschlossen werden, die Ihre Serienpass-MOSFETs abschaltet und sie abschaltet, bis VCC entfernt wird.

Wenn es als weicher Überstrom gedacht ist (dh um die Regelung zu verschlechtern, anstatt vollständig abzuschalten), verschieben Sie C6 so, dass es zwischen Pin 6 und 7 von IC3B liegt. Ich würde auch C3 loswerden - wenn die Reaktion langsamer sein muss, haben Sie bereits Verzögerungen von R13, C8 und C6 und können diese entsprechend anpassen.

Die Reaktion der Stromschleife sollte langsamer sein als die Reaktion der Spannungsschleife, damit die Schleifen nicht miteinander "kämpfen" (wenn die Spannungsschleife langsamer reagiert als die Stromschleife, kann der Ausgang der Stromschleife in die Sättigung gehen, was ist eine schlechte Nachricht). Ballpark - Halten Sie die Stromschleife 10x langsamer als die Spannungsschleife (Sie haben sie bereits verlangsamt, indem Sie R13 und C8 hinzugefügt haben, und die Dinge haben sich verbessert, also los geht's.)

Außerdem sollte C7 zwischen den Pins 1 und 2 von IC3A liegen - nicht bei VREGULATED.

Ihr aktuelles Feedback sieht zu linear aus. Apropos Mützen, viele von ihnen scheinen unnötig. Mit linear meine ich, dass Ihre Summierung von Stromwert und Referenzspannung nicht zu einem "Strombegrenzungsmodus", sondern nur zu einer verrauschten Rückkopplung führt. Schwingungen gehören dazu und Geräusche. Ich würde 2 Dinge versuchen:

• Machen Sie die Strombegrenzung zustandsbehafteter, damit Sie den Modus nicht einfach verlassen können, wenn eine Überlastung erkannt wird. Beim linearen Ansatz ist der Modus "Überlast gerade genug kompensieren, um den Stromsensor zu befriedigen", der für einen Moment eine Rückkopplung direkt am Rand hinterlässt. Sobald eine Rückkopplung mit Unterlastmeldung kommt, wird der I-Anteil aus der Summierung entfernt und die Oszillation fortgesetzt. Angenommen, Sie verwenden eine nichtlineare Komponente wie einen Schmidt-Trigger oder einen echten Trigger oder Komparator auf Schmidt-Art.
• Die Verwendung des Spannungssteuerpfads für das Stromschutzsignal fügt Rauschen hinzu. Dies ist ein Kompromiss, um die Anzahl der Teile zu reduzieren. Aus Gründen der Zuverlässigkeit und des saubereren Designs würde ich lieber ein Stromschutzsignal für eine vollständig separate Leistungsstufe verwenden. Aber Sie haben bereits zu viele Leistungstransistoren, also schauen Sie, ob es möglich ist, diesem Transistor direkt eine Diode, einen Sink-Transistor und eine einfache Steuerung hinzuzufügen. Es wird eher wie ein separater Schutz aussehen und keine Spannungssteuerung beinhalten, sondern es nur negieren, gewissermaßen außer Kraft setzen.

Sie sagten, dass dieses Projekt zu Studienzwecken gedacht ist. Wenn Konstantstrom kein erster Anforderungsmodus ist, wenn er nur ergänzend ist, dann sind meine Vorschläge gültig. Aber wenn Sie sich entscheiden, es komplett neu zu gestalten, um es perfekt zu machen, würde ich sagen, sehen Sie sich das Design anders an.

Bedenken Sie, dass Sie eine perfekte Stromquelle bauen. Entwerfen Sie es vollständig und fügen Sie dann eine Spannungsbegrenzungsfunktion hinzu, indem Sie einfach die U-Stufe mit unabhängiger I-Stufe versorgen. Als Ergebnis erhalten Sie eine nahezu perfekte Versorgung mit U und I.