Wie wandelt man einen weiten Spannungsbereich (1 V-12 V) in 5 V um?

Ich habe eine ungewöhnliche Anwendung, bei der die Eingangsspannung zwischen 1 und 12 V DC variieren kann. Diese muss auf 5 V @ ~200-250 mA umgerechnet werden.

Da es keine für diesen breiten Eingangsspannungsbereich geeigneten Buck-Boost-Wandler gibt, habe ich mir diese (vereinfachte) Schaltung ausgedacht:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Der XC61CC5002MR-G ist ein Spannungs-CMOS-Überwachungs-IC, der:

  • Gibt VCC aus, wenn VCC > 5 V - dies aktiviert den LDO und schützt den Aufwärtswandler vor der höheren Spannung.
  • Gibt 0 V aus, wenn V CC < 5 V - dies deaktiviert den LDO und spannt den PMOS-Transistor vor, um Strom zum Aufwärtswandler zuzulassen.

Die absolute maximale Nennspannung des Aufwärtswandlers beträgt 6 V, daher muss er im höheren Bereich der Eingangsspannung geschützt werden, während der LDO bis zu 13 V in Ordnung ist.

Die Schaltung funktionierte wie vorgesehen von 3-12 V, jedoch konnte der PMOS-Transistor nicht schalten, wenn die Eingangsspannung niedriger als 3 V war, was mich nicht hätte überraschen sollen, da die V GS- Schwelle bei etwa 2 V bei 250 mA lag.

Ich habe mir auch High-Side-Lastschalter und Überspannungsschutz-ICs angesehen, aber ich kann keine finden, die über den gesamten Bereich der Eingangsspannungen funktionieren, nachdem ich stundenlang auf Mouser und DigiKey gestöbert habe.

Zuletzt habe ich die Verwendung eines N-Kanal-MOSFET in der obigen Schaltung mit einer Open-Drain-Ausgangsvariante desselben Überwachungs-IC und einer Ladungspumpe untersucht, um den NMOS-Transistor bei niedrigen Spannungen vorzuspannen, aber zu meiner Überraschung konnte ich keine finden Ladungspumpen, die im Bereich von 1-5 V arbeiten.

Ich suche nach Vorschlägen, um entweder meine Schaltung mit den niedrigeren Spannungen arbeiten zu lassen oder wie ich diese Umwandlung von 1-12 V auf 5 V sonst erreichen kann, ohne den Platzbedarf oder die Kosten der Leiterplatte dramatisch zu erhöhen. Leider kann die Eingangsspannung nicht geändert werden, aber das Netzteil kann mehr als genug Strom liefern, um die Schaltung zu betreiben.

Willkommen auf der Seite.
Welcher Teil ist der Aufwärtswandler?
Hast du schon einmal versucht, deinen eigenen Buck-Boost-Wandler zu bauen? Der Regelkreis ist etwas knifflig, aber es wäre der "richtige" Weg, das zu tun, was Sie versuchen.
Leider wäre das nicht möglich, da dies kein einmaliges Projekt ist
Die grundlegende Physik besagt, dass bei 5 V und 250 mA Ausgang ein 1-V-Eingang mindestens 7,5 A liefern müsste. Wahrscheinlich eher wie 9A mit realistischen Effizienzannahmen (Annahme - Effizienz ist da unten schlecht). Wird Ihre Quelle das liefern, wenn sie mit 1 V fährt?
@TimWescott Wie hast du 7,5A erhalten?
@TimWescott wäre es sicherlich 1,25 A + Spielraum für Ineffizienz?
@ jm212121 es ist 1,25 A + Ineffizienz + zu vergessen, dass ich nicht in meinem Kopf rechnen sollte . Verdammt. Ja – 1,25 A + Ineffizienz. Wahrscheinlich 1,5 A mehr oder weniger, je nachdem, wie effizient die Umwandlung am Ende ist.
@ jm212121 - müssen Sie in der Lage sein, mit einer 1-V-Versorgung zu starten , oder können Sie beim Start eine höhere Spannung garantieren?
@ThreePhaseEel ja, ich muss in der Lage sein, bei 1 V hochzufahren

Antworten (4)

Erlauben Sie mir, diesen Schaltungsvorschlag zu machen:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Bei 1 V < Vin < 6 V wandelt der Aufwärtswandler in eine interne Spannung von 6 V um und der LDO regelt diese 6 V auf 5 V herunter

Für 6 V < Vin < 12 V „folgt“ die Spannung am Ausgang des Aufwärtswandlers der Eingangsspannung mit einem gewissen Spannungsabfall aufgrund einer (Schottky-) Diode, also Vin = 7 V => Vmid = 6,5 V und Vin = 12 V => Vmid = 11,5 V.

Denken Sie daran, dass Aufwärtswandler diese Grundschaltung haben:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wenn also Vin höher als die konfigurierte (geregelte) Ausgangsspannung ist, folgt der Ausgang der Eingangsspannung mit einem Spannungsabfall vom Widerstand der Spule und der Diode.

Kennen Sie einen Aufwärtswandler, der bis zu 1 Volt herunterarbeitet und mit Eingangsspannungen von bis zu 12 Volt leben kann? Oder schlagen Sie vor, von Grund auf neu zu erstellen?
@ Andyaka Nein, bin ich nicht. Ich liefere nur die Schaltungsidee :-) Am nächsten, was ich weiß: CE8301, es kann von 0,9 V bis 10 V arbeiten.
Der von mir verwendete Aufwärtswandler kann gemäß seiner absoluten Maximalwerte nur bis zu 6 V vertragen, und ich habe mich umgesehen und glaube nicht, dass es einen gibt, der mehr als 6 V beim Boosten von 1 V vertragen kann.
LT1615 scheint gut zum Boost-Teil zu passen. Startet ab 1V, brennt nicht bis 15V.
Ich habe mir gerade den LT1615 angesehen und er kann bei den niedrigeren Spannungen nicht genug Strom erzeugen.
Bei 250 mA Ausgang und 12 V Eingang würde Ihr Linearregler etwas mehr als 10 W abbrennen - das ist viel.
@jm212121 Mmh, das stimmt. Aber ich habe mir den TPS61099 angesehen, und er kann es auch nicht. Die Schaltstromgrenze im ungünstigsten Fall beträgt 0,8 A. Bei 1 V Eingang benötigen Sie 5 * 250 mA, wobei die Welligkeit nicht einmal berücksichtigt wird. Es wird schwer.
Sie haben Recht, meine aktuellen Anforderungen wurden leicht überschätzt, aber ich habe den TPS61099 getestet und kann bis zu 120 mA aus einem 1-V-Eingang herausholen, was wahrscheinlich ausreichen würde.
Ich bin mit dem TPS61099 als Aufwärtswandler zufrieden, da es weniger wahrscheinlich ist, dass er bei 1 V liegt, und es darum geht, den Strom zu nehmen, den ich bekommen kann (dh die 250 mA sind nicht zwingend erforderlich, aber vorzuziehen), aber ich habe Schwierigkeiten mit ist der Rest der Schaltung.
@TimWescott Ich verstehe deine 10 W nicht, meiner Meinung nach sind es weniger als: 12 V - 5 V = 7 V => x 250 mA = 1,75 W für die Verlustleistung im LDO.
Aber womit ich Schwierigkeiten habe, ist der Rest der Schaltung. Welche Schaltung meinst du? Wenn Sie den TPS61099 verwenden würden, ist kein "Rest der Schaltung" erforderlich, da sich dieser IC als LDO verhalten kann, wenn Vin > Vout. Beachten Sie, dass der TPS61099 auf eine maximale Eingangsspannung von 5,5 V begrenzt ist.
Wie kann sich der IC als LDO für Spannungen über 5 V bis 12 V verhalten, wenn seine maximale Eingangsspannung 5,5 V beträgt? Im Datenblatt steht, dass Spannungen über 5,5 zu Schäden führen können.
@Bimpelrekkie: Oh verdammt. Ich habe wieder Mathe in meinem Kopf gemacht. Das passiert gerade oft genug, dass ich es besser wissen sollte, und doch werde ich immer wieder hineingezogen. Für das bisschen, was es wert ist, wenn es ein bezahlter Job ist, überprüfe ich es noch einmal! 2W sind immer noch genug, dass man natürlich darüber nachdenken muss, die Hitze aus dem Teil zu bekommen, aber es ist nicht SO schlimm.

Ein SEPIC könnte hier einen Versuch wert sein

Diese Situation (Eingang mit großem Spannungsbereich, Ausgang mit fester Spannung, geringer Strombedarf) scheint mir eine gute Gelegenheit zu sein, eine der weniger verbreiteten Schalttopologien auszuprobieren: den SEPIC. Insbesondere würde ich einen LM2621- Wandler-IC mit einer Low-Drop-Schottky-Diode verwenden - dies gibt dem Chip die beste Chance, bei oder etwa 1,0 V zu starten (das Datenblatt gibt einen Nennstart bei 1,1 V und einen maximalen Start bei 1,2 V darüber an). Temperatur, aber die Anlaufspannung hängt wahrscheinlich vom Abfall an der Diode ab).

In Bezug auf Passive würde ich die Version mit gekoppelten Induktivitäten der SEPIC-Topologie verwenden – dies ergibt eine bessere Welligkeitsleistung und benötigt weniger Platz auf der Platine als zwei separate Induktivitätskerne.

Lustigerweise habe ich gestern den LM2621 entdeckt und mir einen bestellt, werde Update posten ob es klappt.
Vielen Dank, dass Sie diesen SEPIC-Artikel verlinkt haben. Er war sehr informativ. Ich habe eine Frage mit der SEPIC-Topologie mit gekoppelter Induktivität. Wäre die Spannung an der Diode auf 5 V begrenzt? Denn wenn ja, könnte ich einen idealen Diodenstromschalter MAX40200 verwenden: ( datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX40200.pdf ), der eine sehr kleine Durchlassspannung hat, aber nur für maximal 6 V ausgelegt ist.
@ jm212121 Die Spannung an L1b ist Vin + Vout, daher benötigen Sie einen viel höheren Spannungsteil als diesen - die Schaltgeschwindigkeit wäre auch ein Problem für viele / die meisten "idealen Dioden". Was Sie wirklich brauchen, ist ein Synchrongleichrichtungscontroller, wenn Sie das tun möchten, was Sie tun möchten ...

Um den EXTREME-Schalter zu vermeiden, benötigen Sie einen Flyback-Stepup mit Zener-Nachregler, um die Gate-Ansteuerung des FET bereitzustellen.

Stellen Sie den Zener auf 10 oder 12 Volt ein. Viele große FETS wollen eine niedrige maximale Gate-Spannung (soweit ich mich erinnere).

Jetzt können Sie einen GROSSEN FET verwenden, der 10 oder 20 Ampere oder was auch immer Sie benötigen, fähig ist, wobei dieses FET-Gate für ein effizientes Schalten mit 0/10 Volt angesteuert wird.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Könnten Sie genauer erklären, was Sie hier meinen - dieses Diagramm verwirrt mich. In dem Diagramm haben Sie einen 1-12-Volt-Aufwärtsregler. Dies ist ein Aufwärtsregler, der 1-12 Volt als Eingang akzeptiert. Wenn ja, kann ich anscheinend keinen finden, der diesen Bereich akzeptiert und gleichzeitig einige hundert Milliampere bei 1 V beibehält.
Der untere Schalter ---- der Flyback ---- muss mit 1 Volt oder höher arbeiten. Einfach eine Schaltung zu haben, die mit 1 Volt oszilliert, erfordert etwas Nachdenken. Dann möchten Sie, dass dieser Oszillator einen Transistor im Boost-Modus betreibt, wobei der Ausgang von einem 10-Volt-Zener geregelt wird. Die 10 Volt werden im oberen Umschalter mit sehr hohem Strom verwendet, vielleicht nur, um das Gate der 20 Ampere anzusteuern? MOSFET. Indem Sie 10 Volt anstelle von 1 Volt zur Steuerung des Gates haben, nutzen Sie den großen MOSFET viel effizienter.

Es gibt viele Möglichkeiten, eine Katze zu häuten, und dies ist eine besonders bösartige Katze. Hier sind meine Gedanken:

Boost auf 5,5 V oder so eingestellt. Ich müsste Teile kaufen, um sicherzugehen, aber ich vermute, Sie benötigen etwas mit einem externen Schalter, um den 8-9A-Eingang bei 1 V zu handhaben. Folgen Sie dem mit einem Buck auf 5 V, um den Fall zu behandeln, wenn der Eingang über 5 V liegt. Leg dich nicht mit den linearen Netzteilen an, es sei denn, du brauchst wirklich sauberen Strom.

Wenn Sie keinen geeigneten Boost-Chip oder Schalt-FET finden, verwenden Sie einen leichten Boost, der gerade groß genug ist, um den "echten" Boost-Controller (und damit das "große" Schalt-Gate) mit Strom zu versorgen. Schalten Sie den Leichtbau vielleicht sogar aus dem Stromkreis, wenn die Eingangsspannung zu hoch wird.

Wie wandelt man einen weiten Spannungsbereich (1 V-12 V) in 5 V um?
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