Wie baut man einen DC-DC-Wandler mit niedriger Eingangsspannung, wenn kein geeigneter IC verfügbar ist?

Ich muss eine sehr niedrige Eingangsspannung (ca. 0,5 V) in einen konstanten Ausgang von 3,3 V umwandeln, um einen Strom von 50-80 mA mit relativ hohem Wirkungsgrad (> = 80 %) zu liefern. Nach einiger Recherche scheint es, dass einige DC-DC-Aufwärtswandler von TI und Linear Technology für diese Anwendung gut geeignet sind. Allerdings sind sie in kleinen Mengen etwas teuer in der Anschaffung. Ich frage mich, ob es möglich ist, einen solchen Konverter selbst zu bauen, indem ich Komponenten verwende, die allgemein verfügbar sind. Ich habe keine Erfahrung im Entwerfen ähnlicher Schaltungen, daher habe ich keine Ahnung, wo ich anfangen soll. Irgendwelche Vorschläge und/oder Hinweise würden sehr geschätzt.

PS. Was ich im Sinn habe, ist ein DC-DC-Aufwärtswandler mit einer Induktivität, aber ist es auch möglich, eine induktivitätslose Ladungspumpe zu entwerfen, die die oben genannten Anforderungen erfüllt?

Gutes Design kostet viel, viel mehr als der Kauf eines dieser Chips, und schlechtes Design kostet noch mehr. Die Frage ist, wie sehr Sie Ihre Zeit beim Versuch, das Rad neu zu gestalten, "schätzen". Eine typische induktivitätslose Boost-Schaltung beruht darauf, Kondensatoren parallel zu laden und sie dann in Reihe zu rekonfigurieren, aber aufgrund der niedrigen Eingangsspannung sind die von dieser Art von Schaltung verwendeten Kondensatorschalter nahezu nutzlos. Kudos für jeden, der einen findet, aber kein Kudos für die Neugestaltung des Angebots von TI und LT, es sei denn, Sie planen, Tausende von Artikeln pro Jahr zu verkaufen, um die Entwicklungskosten zu senken.
@Andyaka Es könnte ein Bastlerprojekt sein, bei dem die Zeit so ziemlich "unendlich" ist und die wahren Geldkosten nicht. Aber selbst dann bezweifle ich, dass eine diskrete Implementierung billiger wäre als eine einzelne TI/LT-Teillösung. Die Kosten für viele Kleinteile summieren sich ziemlich schnell.
@helloworld922 - Ich habe die Op gefragt, wie sehr sie ihre eigene Zeit schätzen!! Ich denke, kaufen Sie den Chip, bringen Sie ihn zum Laufen und gehen Sie dann mit dem Geld, das Sie sparen würden, wenn Sie einen von Grund auf neu bauen würden, auf ein paar Bier in die Kneipe, LOL.
... Opportunitätskosten ...
@Andyaka Es ist in der Tat ein Bastlerprojekt. Aber abgesehen von den Entwicklungskosten interessiert mich auch der Unterschied der monetären Kosten zwischen einer TI / LT-IC-Lösung und einer diskreten Implementierung, da ich in einem Land lebe (raten Sie mal :-), in dem diskrete Komponenten VIEL billiger sind als in den meisten Ländern.
Woher kommen die 0,5V? Solarzelle? Wenn Sie es sogar auf 1 V bringen, wird Ihr Leben viel einfacher.
@ pjc50 Es kommt von einer sehr primitiven Form von Biobatterie. Die tatsächliche Leerlaufspannung kann 1 V erreichen, hat aber einen gewissen Innenwiderstand und der Ausgang ist nicht so stabil. Angesichts der Schwierigkeit, ab 0,5 V zu booten, denke ich darüber nach, die Zellen in einem Netzwerk anzuordnen, um eine höhere Spannung zu erhalten.
Es gibt einen Ti-Chip, der ab 0,3 V funktioniert - TPS61202
0,3 V? Es gibt einen LTC3108 von Linear - sie behaupten, er funktioniert mit ... 20-mV-Eingängen

Antworten (2)

Eine kondensatorbasierte Ladungspumpe selbst kann nicht besser als 50 % Energieeffizienz sein. Dafür gibt es einen einfachen mathematischen Beweis, falls es dich interessiert.

Das Googeln von "Aufwärtswandler" gibt das grundlegende Schema an, bei dem es sich um eine Induktivität, einen durch PWM angesteuerten Erdungstransistor des Schaltknotens, eine Fangdiode und einen Filterkondensator / Ausgangssinn handelt.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Die Teilenummern (Opamp, MOSFET) sind das, was CircuitLab zur Verfügung hatte, nicht wirklich gut ausgewählte Teile für diese Schaltung!

In diesem Fall ist eine herausfordernde Frage, woher die PWM ihre VCC beziehen würde - Sie müssen die Schaltung booten; Lassen Sie es mit einer festen PWM-Frequenz laufen, bevor die Rückkopplung des Fehlerverstärkers einsetzt.

Außerdem gibt es zwei Hauptverluste: Widerstand in der Induktivität und Spannungsabfall in der Diode. (Es gibt auch einige Verluste im Schalttransistor und im ESR des Ausgangskondensators.) Je schneller Ihre Schaltfrequenz ist, desto kleiner können Sie L1 und C1 machen und erhalten dort kleinere Verluste und eine kleinere Größe, aber desto mehr Schaltverluste Sie erhalten in M1, und desto schwieriger wird das Leiterplattenlayout.

Sie können auch einen Synchrongleichrichteraufbau (zweiter MOSFET anstelle von D1) verwenden, um die Spannungsabfallverluste von D1 zu reduzieren, die in dieser Schaltung enorm sein werden (fast 20 % allein!).

Da der Eingang 0,5 V beträgt und Sie einen Ausgang von 3,3 V / 60 mA wünschen und der Abfall von D1 0,7 V beträgt, benötigen Sie eine Spannungsverstärkung von 8: 1, also mindestens 560 mA durch L1. L1 hat einen ohmschen Spannungsabfall, daher sollten Sie nach einer Verstärkung von 12: 1 oder besser suchen. (3,3 V + 0,7 V)/12 = 0,333 V, sodass der zulässige Abfall über L1 0,167 V beträgt, sodass das Ohmsche Gesetz besagt, dass der maximale Widerstand von L1 0,298 Ohm beträgt. Noch eine weitere Verlustquelle – es wird wirklich schwierig, einen Wirkungsgrad von 80 % zu erreichen!

Einige Ladepumpenprodukte von TI haben angeblich einen Wirkungsgrad von bis zu 90 %: ti.com/lsds/ti/power-management/boost-charge-pump-products.page
Ich kann sehen, dass es ziemlich schwierig sein wird, einen solchen Konverter von Grund auf neu zu implementieren, aber ich würde es trotzdem gerne versuchen. Kann ein einfacher 555-Timer als PWM dienen? Können Sie weitere Informationen zum Bootstrapping-Teil geben? Vielen Dank.
Das klingt nach einer völlig neuen Frage – bitte stellen Sie so etwas wie „Versuch, 555 PWM von 0,5 V für den Aufwärtswandler zu booten“. Obwohl hier ein Hinweis ist: ti.com/lit/ds/symlink/lm555.pdf Datenblatt, Seite 3, besagt, dass die Mindestversorgungsspannung für einen 555 4,5 V beträgt.
Bootstrapping ab 0,5 V ist ein ernsthaftes Problem, da dies für viele Arten von Transistoren unter der Schwellenspannung liegt. zB funktioniert die „Ultra-Low-Voltage“-Logik von TI ab 0,8 V aufwärts. ti.com/lit/an/scea033/scea033.pdf
„Eine kondensatorbasierte Ladungspumpe selbst kann nicht mehr als 50 % Energieeffizienz haben. Dafür gibt es einen einfachen mathematischen Beweis, wenn es Sie interessiert.“ - Das ist falsch. Während sie in ihren Spannungsverhältnissen begrenzt sind, gibt es keine theoretische Grenze für ihren Wirkungsgrad, und gewöhnlich haben Typen wie der MAX7660 einen Wirkungsgrad von hohen 90 %.
@Kevin White Ja, meine Beschreibung war viel zu vereinfacht. Eine viel bessere Beschreibung ist zum Beispiel hier: electronic.stackexchange.com/questions/31699/…

Vielleicht möchten Sie einen einfachen Push-Pull-Generator auf Germanium-Transistoren und einen Transformator mit 5-7 V-Ausgang mit anschließendem Buck-Regler verwenden.

Ein herkömmlicher Aufwärtswandler (mit MOSFET und Induktivität) erfordert eine relativ hohe Spannung, um das Gate des FET anzusteuern, und Low-Drop-BJTs bieten einen geringen Wirkungsgrad. (Und das ist abgesehen vom Problem der Stromversorgung des PWM-Moduls!)

Die Schaltpläne auf Transformatorbasis implizieren zwei entscheidende Entscheidungen: einen guten Kern (Sie müssen den Transformator wahrscheinlich selbst wickeln und auf den Wicklungswiderstand achten) und ein gutes Transistorpaar (oder einen einzelnen Transistor, wenn Sie mehrere Wicklungen verwenden).

Auf jeden Fall ist eine Simulation mit PSPICE unerlässlich (ich verwende OrCAD 16.5, empfehle dringend, den 'Magnetic parts Editor' für den Transformator zu verwenden).

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