So unterdrücken Sie Stromspitzen in der Transistor-Rückkopplungsschleife

Ich versuche, eine Last mit einem kleinen Konstantstromimpuls (2 mA bei 500 us) zu pulsieren. Die Last hat leider eine unbekannte Kapazität im Bereich von 10 nF - 1 uF, parallel zu einem unbekannten Widerstand, der von 0,5 bis 5 kOhm variiert. Der Stromimpuls sollte über einen Widerstand in Reihe mit der Last konstant sein und nicht mehr als 2 % abweichen.

Die Schaltung wird von einer einzelnen 3-V-Zelle gespeist und verfügt über den L8410, um eine ausreichende Spannung für die Stromimpulse zu erzeugen. Ein AVR Attiny steuert die Pulsdauer und das Timing.

Ich habe eine Reihe verschiedener Designs getestet, um zu sehen, ob sie meine Anforderungen erfüllen (Stromspiegel, Transistor-Rückkopplungsschleifen, Operationsverstärkerschleifen, ICs wie LT3092), aber sie alle leiden unter großen Stromspitzen, wenn die Last gepulst wird.

Das Schaltungsdesign, das ich bisher als das Beste empfunden habe, ist eine Rückkopplungsschleife zwischen einem MOSFET (M1) und einem BJT-Transistor (Q2), wobei ein zweiter BJT (Q1) als spannungsgesteuerter Widerstand von einem LP-gefilterten PWM-Eingang verwendet wird ( V5), um den Sollwert für Q2 einzustellen. Siehe die LTspice-Schaltpläne unten.

MOSFET - BJT-Rückkopplungsschleife

Die Idee ist, die schnelle Dynamik der analogen M1-Q2-Regelung zu verwenden, um die Flanken des Schalters zu handhaben, während der MCU-Q1 in einer Schleife mit einem Stromerfassungs-Operationsverstärker (nicht im Schaltplan) den Ausgang so anpasst, dass er einen Durchschnitt bei hat 2mA am Ende. Der Schalter wird mit Vishay DG4053A (~100 Ohm ON-Widerstand, ~100 ns Schaltzeit) implementiert.

Das Problem ist, dass ich sehr große Stromspitzen bekomme, wie in der Simulation unten (Strom durch Rtest im untersten Bereich).

MOSFET - BJT-Rückkopplungsschleife. Simulation

Meine Frage ist, wie man die Spitzen in diesem Design unterdrückt/beseitigt. Ich wäre auch sehr dankbar für Vorschläge für ein besseres Design als das, das ich vorgeschlagen habe, wenn das bei dem Problem helfen würde. Die Schaltung muss mit einer 3-V-Zellenmünze betrieben werden, was die einzige Einschränkung mit Ausnahme der Impulsspezifikation und der Lasteigenschaften darstellt.

Bist du sicher, dass die Ladung schwimmt?
Absolut, die Last hat einen einzigen Ein- und Ausgang und ist vollständig isoliert

Antworten (2)

Ich habe den Umgang mit Transistorkapazitäten aufgegeben und einen viel einfacheren Weg gefunden, das Problem zu lösen:

Lastregelung mit OPAMP LTC6255

Die Schaltung funktioniert mit einer sehr einfachen Rückkopplungsschleife: Der Strom durch die Last wird über Rshunt gemessen und als I*Rshunt an den Operationsverstärker zurückgeführt und regelt so die Ausgangsspannung. Der LTC6255 eignet sich gut für diese Anwendung, da er eine begrenzte Anstiegsgeschwindigkeit (1,8 V/us) hat und daher weniger anfällig für Überschwingen bei steigender Flanke ist.

Lastregelungssimulation

Vielleicht kann dies anderen bei der Notwendigkeit einer schnellen Regelung kapazitiver Lasten mit kleinen Strömen helfen. Beachten Sie, dass die Anstiegsflanke aufgrund der begrenzten Anstiegsgeschwindigkeit eine geringere Steigung aufweist, wenn die Last ohmscher wird, da am Ausgang eine höhere Spannung erforderlich ist. Das Ersetzen von Rshunt durch einen PWM-gesteuerten BJT bietet die gleiche Referenzsteuerung wie mit Q1 in den ersten Schaltplänen.

Ich habe festgestellt, dass ich eine 12-V-Schiene an einem Operationsverstärker mit maximal 5,5 V verwende. Ein ähnlicher Operationsverstärker mit höheren Nennspannungen muss verwendet werden, um zu vermeiden, dass das arme Ding raucht (wenn die Last nicht klein genug ist).

Es ist wahrscheinlich der MOSFET - er hat eine erhebliche Drain-Source-Kapazität, und wenn Sie den Schalter aktivieren, erhalten Sie einen Stromimpuls. Sie sehen einen Spitzenstrom von etwa 15 mA (gemäß dem Rtest-Diagramm) und wenn Sie die 400 Ohm, die 50 Ohm und den Analogschalter (100 Ohm) addieren und in 10 Volt (Ihre Versorgung) teilen, erhalten Sie a Strom von 18mA. Da Q2 beim Leiten etwa 0,7 V "verliert", wird der Strom eher wie folgt sein: -

ICH = 10 − 0,7 550 = 17 M A

Ich denke, das ist dein Problem. Vermeiden Sie die Verwendung eines MOSFET - verwenden Sie stattdessen einen BJT. Verwenden Sie vielleicht eine kleine Induktivität in Reihe, aber achten Sie auf Resonanzprobleme?

Nun, ich habe alle Standard-BJTs in der LTspice-Bibliothek ohne Verbesserung ausprobiert. Der MOSFET gibt eine rechteckige Spitze von 270 ns Dauer, während der BJT eine Spitze mit einer RC-Entladungskurve hat, die 600 ns dauert. Die Hälfte der Spitzenamplitude kann mit einem Induktor vor einer signifikanten Resonanz entfernt werden, aber dies liegt immer noch weit über dem Ziel bei einem maximalen Überschwingen von 1 %.
So unterdrücken Sie Stromspitzen in der Transistor-Rückkopplungsschleife
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