Wie kann man einen DC-DC-Abwärtswandler ausfallsicher machen?

Ich plane, einige farbige Hochleistungs-LEDs mit einem Abwärtswandler mit Strom zu versorgen, wobei ein Mikrocontroller das Schalten steuert, um einen konstanten Strom aufrechtzuerhalten. Ich denke auch über einen einfacheren Wandler mit geschalteten Kondensatoren nach.

Im Gegensatz zu einem Aufwärts-DC-DC-Wandler scheint ein Abwärtswandler einen tödlichen Fehlermodus zu haben, in dem er im eingeschalteten Zustand hängen bleibt. Was kann ich also tun, um meine LEDs zu schützen, falls das passiert?

Die offensichtliche Antwort wäre eine Sicherung, aber ist das der beste Weg? Was leisten Laptop-Netzteile?

Update: Meine Eingangsspannung beträgt 3,7 - 5 V und hat mehrere Ausgangsspannungen: 2,3 V für rote LEDs, 3,8 V für grüne LEDs und 3,5 V für blaue LEDs, und alle mit einem Strom von 1 Ampere pro LED.

Antworten (4)

Die einfache Tatsache ist, dass ein Kurzschluss am Leistungsschaltelement (der übliche Fehlermodus von Halbleitern) oder ein Fehler der Steuerschaltung effektiv die volle Eingangsspannung an die Last anlegen kann. Dies sind Einzelpunktfehler und werden wahrscheinlich zur Zerstörung der Last führen.

Sie könnten einen elektronischen Überstrom-/Überspannungsregler wie den LTC4361 verwenden :

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Dieser Chip ist nicht besonders billig (ungefähr 3,50 $), aber er funktioniert entweder mit einem P-Kanal- oder N-Kanal-MOSFET (interner Boost für den N-Kanal, natürlich). Es kann einen Überspannungsschutz bis zu 85 V und einen durch den MOSFET begrenzten Überstromschutz bieten. Der Messwiderstand fällt nur um 50 mV ab, ist also ziemlich verlustarm.

Diese Art von Schaltung funktioniert, indem die Verbindung zwischen der Stromversorgung und der teuren Last unterbrochen wird.

Der andere (vielleicht häufigere) Ansatz besteht darin, eine Sicherung (oder Polyfuse) und eine Brechstangenschaltung zu verwenden , um den Ausgang kurzzuschließen, damit die Last (in Ihrem Fall die LEDs) nicht beschädigt wird, während die Sicherung über genügend I ^ 2T verfügt, um ihre Sache zu erledigen und öffne den Stromkreis. Als Crowbar-Leistungsschaltelement wird häufig ein SCR verwendet.

"[use] a polyfuse" - davon habe ich noch nie gehört, aber ja, es scheint die einfachste und sicherste Lösung zu sein. Mein Netzteil ist ein ATX-Netzteil, bei dem der Unterspannungs- / Überstromschutz entfernt ist (damit ich RC-Car-Motoren antreiben kann, ohne auszulösen), daher glaube ich nicht, dass eine Brechstangenschaltung dagegen gewinnen wird.
@YaleZhang Bei einer Brechstange muss die Sicherung unter dem maximalen Fehlerstrom öffnen, und Polysicherungen sind nicht für ihre hohe Unterbrechungskapazität bekannt.

Ich habe ein paar Optionen gesehen, die hier nicht erwähnt werden.

1) Rückstellbare Sicherungen . Wie ein automatisch rückstellender Leistungsschalter. Ich habe nicht viel Designerfahrung mit diesen, aber wenn Sie eine richtig angeben können, können sie Ihr Problem mit LEDs lösen. Stellen Sie jedoch sicher, dass Sie genug lernen, um zu wissen, wie man sie richtig angibt. Die Reaktionszeit reicht möglicherweise nicht aus, um Ihre LEDs zu schützen.

2) SEPIC-Konverter statt Buck. Es erfordert mehr Teile, aber wenn der Schalter kurzschließt, ist der Weg zur Last offen. Ausfallsicherer. Es gibt auch andere Topologien.

Zwei Dinge:

1) Sie sollten niemals eine digitale Steuerung für einen DC / DC-Controller verwenden (dh die PWM und den ADC eines Mikrocontrollers in einem Regelkreis verwenden).

2) DC/DC-Wandler sind im Allgemeinen von Natur aus so sicher, dass es sich nicht lohnt, Zeit, Aufwand und Teile für einen ausfallsicheren Schutz hinzuzufügen

Zu Teil 1: Ein DC/DC-Wandler kann über einen Tast- und Arbeitszyklusbereich als stabil erwiesen werden, wenn es um (nahezu) analytische Regelkreise geht, z. B. lineare Rückkopplung, Operationsverstärker, passive Kompensationsnetzwerke, die in einen PWM-Generator einspeisen. Sie können sagen, dass es stabil ist, weil es einen bestimmten Frequenzgang hat: Bode-Diagramm, Nyquist-Diagramm. Mit einer rein digitalen Steuerung verliert man dieses Verhalten, weil man es in Software implementieren muss. Um einen rein digitalen DC/DC-Controller herzustellen, müssen Sie:

  • Messen Sie die Rückkopplungsspannung (z. B. bei LEDs: Spannung über einem Strommesswiderstand)
  • Kombinieren Sie dies mit Informationen über frühere Zustände und führen Sie eine Matrixmultiplikation durch, um einen digitalen Kompensationsfilter zu simulieren -> dies ist jetzt die Ausgabe Ihres "digitalen Fehlerverstärkers".
  • Führen Sie dies in den PWM-Generator ein und stellen Sie sicher, dass er die Perioden störungsfrei ändert

Die Zeit, die ein kostengünstiger Mikrocontroller benötigt, um diese Informationen zu verarbeiten – zum Teufel, sogar die Zeit für einen SAR-ADC-Zyklus – begrenzt die Bandbreite und Ausbreitungsverzögerung dieser Art von Regelkreis erheblich. Auf einem Atmel XMEGA mit 2MSPS ADC hätten Sie beispielsweise eine Ausbreitungsverzögerung von 3,5 µs für den ADC (7 ADC-Zyklen) und Sie müssten mindestens n ^ 2 Multiplikationen für einen n-Elemente-Filter mit 4 Elementen durchführen Dies ist das absolute Minimum, um einen anständigen Filter implementieren zu können. Multiplikationen dauern 2 CPU-Zyklen, also bei 32 MHz etwa 1 µs Rechenzeit. Eine Ausbreitungsverzögerung von 4,5 µs bedeutet, dass die Frequenz Ihrer minimalen Arbeitszykluszeiten mehr als etwa das 5- bis 10-fache der Ausbreitungsverzögerung betragen sollte, um Phaseneffekte zu minimieren. dh 23-45µs. Selbst wenn Sie sicher wären, dass Ihr Wandler für dieses Steuerungsschema immer im optimalen Arbeitszyklus (~ 50 %) läuft, wären Sie immer noch auf eine PWM-Frequenz von etwa 10 kHz beschränkt. Und das alles ist der absolut beste Fall für eine solche Anwendung.

Sie benötigen eine geeignete Regelschleife und für jede Art von anständigem Schaltregler, der ein GBW von einigen MHz haben muss, Laufzeitverzögerungen von nicht mehr als einigen ns (die häufig mit Feedforward-Kondensatoren kompensiert werden können, wenn Sie es sind wirklich eifrig). Dies ist mit einem rein digitalen Design nicht erreichbar, und ich würde davon abraten, dies auch nur mit einem Mikrocontroller zu versuchen. Es können DSPs und FPGAs sowie einige Mikrocontroller mit integrierter Power-Management-Peripherie verwendet werden. Für Ihre Anwendung würde ich raten, einen integrierten Buck-LED-Treiber oder einen linearen LED-Treiber zu verwenden. Geschalteter Kondensator wird hier nicht funktionieren - er hat eine schlechtere Flickerleistung und einen schlechteren Wirkungsgrad als linear.

Nun zu Teil 2: Bei richtiger Auslegung (was normalerweise nur bedeutet: Sie lesen das Datenblatt gründlich durch) ist die Ausfallwahrscheinlichkeit eines Abwärtswandlers unter normalen Betriebsbedingungen gering bis null. Die Regelkreise sind im Allgemeinen gut kompensiert und eng gekoppelt, sodass keine Möglichkeit besteht, dass ein Ereignis (Impulse, EMI usw.) ein Überstromereignis verursacht.

Das Stichwort lautet hier jedoch „unter normalen Betriebsbedingungen“. Der beste Weg, sich vor Problemen zu schützen, besteht darin, dafür zu sorgen, dass diese Bedingungen eingehalten werden. Verwenden Sie eine Sperrvorspannungsdiode und eine (rückstellbare) Sicherung zum Schutz vor versehentlichen Rückwärtsverbindungen, verwenden Sie einen MOV oder TVS und einen Bulk-Eingangskondensator zum Schutz vor Einfügungsspannungsspitzen, die durch die Induktivität der Stromkabel verursacht werden. Verwenden Sie Differential- und Gleichtakt-LC-Filter, um die Platine von übermäßigem Rauschen auf der Stromleitung zu entkoppeln. Je nachdem, wie gefährlich Ihre spezielle Stromquelle ist, können Sie diese Schutzmaßnahmen ganz oder teilweise weglassen. Sie alle zu verwenden, ist ein kompletter Gürtel&Klammern; für 99,9 % der Anwendungen nicht erforderlich, aber wenn Sie sich außergewöhnlich paranoid fühlen, können Sie sie gerne alle eingeben.

Es klingt, als würden Sie einen Noob bitten, einen Porsche zu entwerfen. Ich habe viel Erfahrung mit Mikrocontrollern, aber kaum Kenntnisse über Regelkreise. Ich versuche nur, etwas Einfaches zu machen, das funktioniert, aber danke, dass Sie mich über die optimalen Methoden informiert haben. Kommentare:
1. Warum sollte ich Bandbreite in MHz haben? - Sowohl der Ausgang als auch der Eingang sind 0 Hz! Ich denke, das ist nur wünschenswert, wenn Sie eine extrem niedrige Spannungswelligkeit wünschen und gleichzeitig den kleinsten Kondensator und die kleinste Induktivität verwenden. Ich bin mir nicht sicher, wie wichtig die Spannungswelligkeit für LED-Beleuchtung ist. Ich weiß, dass 0,1 V einen Unterschied von 200 mA bedeuten können, aber ein durchschnittlicher Strom von 1,0 A ist gut genug, solange kein Flimmern auftritt. Außerdem kann ich problemlos einen 1000uF-Filterkondensator verwenden. Oder vielleicht sogar 10k uF. Tut mir leid, wenn dieses Brute-Force-Design Sie zusammenzucken lässt. Außerdem verwenden die meisten High-End-PC-Netzteile eine digitale Steuerung.
2. Wie könnte ein geschalteter Kondensator weniger effizient sein als ein Linearregler? Liegt es am hohen ESR? Aber die Hardware wäre so einfach: 1 Kondensator, 1 MOSFET, 1 uController. Und ich kann meine Ausgangsspannung im Gegensatz zu den meisten Ladungspumpen mit fester Spannung (relativ zum Eingang) dank Rückkopplung variieren. Es tut mir leid, wenn ich Sie noch mehr enttäusche, aber der uController, den ich verwenden möchte, ist ein LPC810M, der nicht einmal einen ADC, sondern einen analogen Komparator hat. Ich kann die Spannungsreferenz auf einen beliebigen Bruchteil von 1/32 der Versorgungsspannung einstellen. Der Vergleich wird also ziemlich grob. Es kann sich jedoch in einem Zyklus vervielfachen.
Ich nenne BS auf Ihrem "Teil 1". Ich weiß nicht, woher das kommt, aber es basiert alles auf falschen Prämissen und fehlerhafter Logik. Zunächst einmal ist selbst ein Wandler, der mit einem festen Tastverhältnis betrieben wird, "stabil", er regelt nur nicht in Bezug auf Änderungen der Eingangsspannung. Der ganze Sinn des Regelkreises besteht darin, die Regelung in Bezug auf Änderungen der Eingangsspannung und des Ausgangsstroms bereitzustellen. In diesem speziellen Fall sind LEDs keine dynamischen Lasten, daher machen wir uns hauptsächlich Sorgen um die Eingangsspannung. Es ist eigentlich ganz einfach, dies mit so ziemlich jedem Mikrocontroller zu tun.
@DaveTweed Seconded. Digital gesteuerte Leistung ist keine theoretische Unmöglichkeit, sie ist bereits in Hunderttausenden (wenn nicht Millionen) von Einheiten auf der Welt effektiv implementiert und kann mit einem Mikro mit guten ADC- und PWM-Auflösungen problemlos implementiert werden. Darüber hinaus sollte ein angemessener Schutz gegen einen Einzelpunktfehler für einen Abwärtswandler Teil jedes rationalen Designs sein (fragen Sie einfach die Leute, die ihren Lebensunterhalt mit Sicherheitszertifizierungen verdienen), und ein Serienpass-Elementkurzschluss ist sicherlich eine gültige Testbedingung.
@DaveTweed - Dritte. Ich habe MCU-gesteuerte Schaltnetzteile implementiert, bei denen nicht einmal ein PWM-Ausgangstimer verfügbar war. Wir haben das Gate des Schalt-FET an den TxD eines UART angeschlossen und dann die vom UART gesendeten Zeichenmustersequenzen variiert, um die geschaltete Ausgangsspannung zu steuern. Einsparung von über 3 USD an Stücklistenkosten in einem kostengünstigen Produkt gegenüber der Verwendung eines separaten Schaltmodus-Controller-Chips.
Wow, das sind viele Kommentare zu einem so einfachen Konzept. Fast alle "digitalen" DC/DC-Wandler sind größtenteils analog: Die Rückkopplung (+ Kompensation) und der Rampengenerator sind analoge Teile. Die „digitale“ Nomenklatur stammt vom Feedback-Spannungskomparator, der von einem DAC anstelle eines analogen Referenz- und Feedback-Widerstandsteilers gespeist wird. Aus den Gründen in meiner Antwort ist es äußerst selten, vollständig digitale Regelkreise zu finden. Ich stimme auch zu, dass es sicherlich möglich ist, einen Abwärtswandler zu bauen, wenn Sie eine sehr gut erzogene Last haben, aber er wird sich unter Transienten nicht gut benehmen (...)
Spannungen und Software-Nichtdeterminismus. Darüber hinaus werden Sie aufgrund der sehr begrenzten Schaltgeschwindigkeit, die Sie mit MCU-PWM erreichen können, wahrscheinlich genauso viel mehr für Passive ausgeben, wie Sie für einen geeigneten Controller-Chip sparen, was Ihnen auch eine bessere Leistungssteuerung ermöglicht.
@YaleZhang: Ich versuche nur zu erklären, was in diesem Fall eine angemessene Designstrategie wäre. Es ist keine gute Idee, eine solche nichtlineare Last (LEDs haben die Durchlasscharakteristik einer Diode) an einen PWM-Controller mit im Wesentlichen festem Arbeitszyklus anzuschließen. Sie benötigen einen geeigneten stromregulierenden Controller, den Sie mit einem Mikrocontroller nicht bauen können. Und ja, für einen Current-Mode-Regler benötigen Sie je nach Verstärkung etwa die 10-fache Eingangsbandbreite Ihrer Schaltfrequenz. Ein typischer DC/DC-Wandler für LEDs arbeitet mit 100-2000 kHz, das ist also leicht (...)
ein paar Mhz. Selbst wenn die Basis-PWM-Frequenz Ihres Controllers knapp über dem Gehör liegt, benötigen Sie immer noch eine effektive Eingangsbandbreite von einigen hundert kHz, um eine enge Steuerung durchführen zu können. Wenn Sie dies nicht tun und beispielsweise Ihr Regelkreis eine Größenordnung langsamer als die PWM-Frequenz ist, werden Sie „schlagen“ (LED wird aufgrund von Rückkopplungs-Aliasing heller und dunkler). Ein unglaublich Low-Cut-Ausgangsfilter wird hier definitiv helfen, aber es wird ziemlich große Komponenten erfordern, und ich bezweifle stark, dass dies so kostengünstig ist wie die Verwendung eines diskreten Controller-Chips. Vom Designaufwand ganz zu schweigen.
@YaleZhang Zu Ihrer Frage, warum Schaltkondensatorwandler nicht besonders effizient sind: Schaltkondensatorregler sind nur dann effizient, wenn der Ausgang ein ganzzahliges Vielfaches oder eine Teilung der Eingangsspannung ist. Zwischen diesen Ausgangsspannungen tritt das Problem mit zwei Kondensatoren auf, und der Wirkungsgrad fällt stark ab, und die Welligkeit wird zu einem großen Problem, es sei denn, Sie filtern sie mit LC. Da Sie wahrscheinlich nicht viel Spannung absenken müssen, der Eingang jedoch kein gutes Vielfaches des Ausgangs ist, ist eine lineare Lösung effizienter als ein Wandler mit geschalteten Kondensatoren (oder Sie müssten einen mehrstufigen Wandler verwenden).

Warte warte warte.

Werden Sie, wie es scheint, eine Reihe von Spannungen erzeugen, die Sie dann direkt an die LEDs anlegen? Auch ohne Konverterausfälle ist dies eine großartige Möglichkeit, LEDs zu zerstören.

Ich frage dies, weil die von Ihnen angegebenen Spannungen Standard-LED-Spannungen ohne Strombegrenzung sind.

Wenn dies zutrifft, müssen Sie sich mit Stromquellen und nicht mit Spannungswandlern befassen.

Wie kann man einen DC-DC-Abwärtswandler ausfallsicher machen?
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