บั๊กสวิตช์ควบคุมตาม ATtiny84a - โปรดวิจารณ์!

นี่คือความพยายามในการออกแบบตัวควบคุมเจ้าชู้ตาม ATtiny84a เป็นตัวควบคุม PWM ควรเปลี่ยนจากแบตเตอรี่ LiPo 4S (12.8 - 16.8 โวลต์) เป็นเอาท์พุท 12V ที่ได้รับการควบคุมอย่างสมเหตุสมผลซึ่งใช้ในการขับเคลื่อนเซอร์โวมอเตอร์ที่ยอมรับอินพุต 10-14V 4S LiPo สูงเกินไปเล็กน้อยและ 3S LiPo ต่ำเกินไปเล็กน้อยโดยเฉพาะเมื่อฉันต้องการแรงบิด 12V ที่ได้รับการจัดอันดับ การออกแบบมีวัตถุประสงค์เพื่อส่งมอบกรณีที่เลวร้ายที่สุด 40 แอมป์ (หยุดส่วนใหญ่ของมอเตอร์)

ฉันไม่สามารถซื้อหนึ่งในนั้นได้เพราะทันทีที่ออกจากช่วง 10-15A ตัวแปลง DC DC ทั้งหมดได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้ในอุตสาหกรรมและมีกรณีที่หนักหน่วงมีราคาแพงมากต้องใช้อินพุต 24V หรือการจับคู่ที่ผิดพลาดอื่น ๆ ตามข้อกำหนดปัจจุบันของฉัน

แนวคิดนี้คือการใช้เครื่องเปรียบเทียบแบบอะนาล็อกในตัวใน AVR เพื่อตรวจจับแรงดันไฟฟ้าเกิน / ต่ำกว่าเป้าหมายและสร้างพัลส์ในช่วงเวลาที่แน่นอนเมื่อตรวจพบภายใต้

ฉันจะสร้างสิ่งนี้บนเขียงหั่นขนมที่มีสายไฟเกจ 20 เส้นบัดกรีข้ามส่วนประกอบนำไปสู่เส้นทางกำลังแรงสูง

ฉันรู้เกี่ยวกับการรักษา "โหนดเปลี่ยน" และเส้นทางข้อเสนอแนะสั้นที่สุดเมื่อพยายามทำเค้าโครง ฉันจะบดขยี้ร่องรอยเขียงหั่นขนมทั้งหมดที่ไม่ได้ใช้เพื่อสร้างเป็นระนาบกราวด์ของชายยากจน

ฉันได้ลองเลือกสำลักที่กระแสอิ่มตัวตรงกับกระแสเอาต์พุตสูงสุดของฉันและตัวเหนี่ยวนำเจ้าชู้ที่กระแสอิ่มตัวสูงกว่าผลผลิตสูงสุดของฉัน

ความถี่มุมที่ 94 uF และ 3.3 uH อยู่ที่ประมาณ 9 kHz และฉันคิดว่า AVR จะทำงานได้เร็วกว่านั้นมาก ฉันคิดว่าเรา 5 พัลส์แต่ละครั้งที่ตรวจพบภายใต้แรงดันและจากนั้นกลับไปค้นหาแรงดันต่ำอีกครั้ง ที่ให้ความถี่สูงสุด (ที่รอบหน้าที่ 100%) ของ 200 kHz

และนี่คือแผนผัง: https://watte.net/switch-converter.png

นอกเหนือจากความกังวลที่เกิดขึ้นในความคิดเห็น (ขั้ว P-FET ที่ไม่ถูกต้องไม่มีไดโอดแบบจับ / MOSFET) ฉันมีข้อกังวลบางอย่างที่รวดเร็ว:

• ไมโครคอนโทรลเลอร์จะไม่สามารถขับเกตของ Q1 ได้ยากมาก (โดยปกติแล้วขา GPIO จะสามารถส่งสัญญาณได้เพียงไม่กี่มิลลิวินาทีเท่านั้น) ดังนั้นการเปิดและปิดเครื่องของคุณจะช้ามาก สิ่งนี้จะ จำกัด ว่าสวิตช์ระดับสูงของคุณจะทำงานได้ดีเพียงใด

• คุณไม่มีตัวต้านทานแบบ Gate-to-source ในไตรมาสที่ 1 ดังนั้นคุณขึ้นอยู่กับ GPIO ที่เปิดหรือปิด MOSFET ถ้าขา GPIO มีความต้านทานสูง MOSFET อาจเปิดใช้งานเองหากประตูรับประจุจากสภาพแวดล้อม

• หากตัวต้านทานเกตประตู 70R P-channel ของคุณเปิดอยู่อย่างแน่นหนา (ถ้า Q1 อิ่มตัว) แสดงว่ามันกำลังลุกไหม้

  $D \cdot \dfrac{(16V)^2}{70 \Omega} = D \cdot 3.65W$

  ซึ่งพลังงานบ้าสูงตั้งแต่ D จะสูง (อินพุตใกล้เคียงกับเอาต์พุต) นอกจากนี้ 225mA หรือมากกว่านั้นจะไหลก็จะถูกเผาในไตรมาสที่ 1 ซึ่งไม่ดีต่อสุขภาพเนื่องจากเป็นอุปกรณ์ที่ค่อนข้างเล็ก

  (คุณต้องการประมาณ 4V เพื่อวาด ~ 400mA ถึง Q1 และคุณต้องการของ -7.5V สำหรับ 40A ใน Q4)$V_{GS}$$V_{GS}$

  • เครือข่ายข้อเสนอแนะการต่อต้านอย่างหมดจดของคุณเป็นความคิดที่ดี คุณต้องการการชดเชยและ / หรือการกรองจริงๆ เครื่องมือเปรียบเทียบของคุณจะเร็วเกินไปและสามารถตอบสนองต่อการสลับเสียง, กระบะ, ระลอก ฯลฯ - เนื่องจากคุณไม่ได้ใช้แอมพลิฟายเออร์ผิดพลาดพร้อมการชดเชยเพื่อควบคุมกำไรและเฟสคุณจะต้องมีขีด จำกัด ข้าม R5 (และโชคดี)

  • คุณไม่มีการตรวจสอบปัจจุบันหรือการป้องกันกระแสเกินในรถไฟพลังงานของคุณ

  • คุณไม่มีการป้องกันแรงดันเกินในรถไฟพลังของคุณ

  • คุณไม่มีการป้องกันอุณหภูมิสูงเกินในรถไฟพลังของคุณ

  • คุณไม่มีการป้องกันการป้อนกลับขั้วและฟิวส์อินพุทในชุดกำลังไฟของคุณ ไม่มีเสียงบิ๊กโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อแหล่งสัญญาณนั้นใช้แบตเตอรี่ (ความสามารถในการจัดหาไฟฟ้าลัดวงจรขนาดใหญ่)

นี่เป็นโครงการที่ง่ายกว่าถ้าคุณใช้ตัวควบคุมบั๊กแบบอะนาล็อกแบบซิงโครนัสนอกชั้นวาง ฉันไม่เข้าใจว่าทำไมคุณถึงต้องการใช้ ATtiny สำหรับเรื่องนี้

ที่ถูกกล่าวว่านี่ไม่ใช่โครงการง่าย ๆ แผนผังของคุณส่วนใหญ่ไม่สมบูรณ์และขาดการป้องกันความปลอดภัยขั้นพื้นฐานที่แหล่งจ่ายไฟใด ๆ (โดยเฉพาะที่ทำงานที่ระดับพลังงานสูงเช่นคุณ) จะต้อง

คิดเกี่ยวกับความต้องการของคุณคำนวณการสูญเสียทั้งหมดออกแบบในการป้องกันบางอย่างและกลับมาพร้อมกับการหมุนรอบ 2

คุณกำลังออกแบบตัวควบคุมบั๊กสำหรับ:

• Vin 12.8 ถึง 16.8 Volts จากแบตเตอรี่ LiPo ความจุสูง
• Vout ของ 12V @ 40 แอมป์
• เทคนิคการควบคุมคือคงที่ในเวลาและเวลาปิดตัวแปร

แม้หลังจากคำตอบที่ดีจาก Madmanguruman ก็ยังมีสิ่งเพิ่มเติมที่ควรสังเกต ปัญหาหลักของการออกแบบนี้คือการประมวลผลกระแสสูง ฉันจะให้ความสำคัญกับองค์ประกอบการประมวลผลพลังงานโมดูเลเตอร์และตัวกรอง

• Power FET เป็นช่องทาง P IRF4905: Rdson=0.02@25C, 0.034@150C; Ciss = 3500pF การสูญเสียการนำไฟฟ้าจะสูงมาก สำหรับ Vin = 16.8V, Vo = 12V, Iout = 40A, Pcond = = (.7) (1600) (0.034) = 38W หลังจากพิจารณาความต้านทานความร้อนของแพคเกจ TO220 และเคสที่จะแยกชุมทางจะต้องใช้ฮีทซิงค์ที่มี 2C / W เพื่อให้ตรงกับทางแยก 150C ด้วยอุณหภูมิแวดล้อม 25C เป็นการดีกว่าที่จะใช้ N channel FETs สำหรับสถานการณ์ปัจจุบันสูง F อื่นที่เทียบเท่ากันในช่อง FET จะมี Rdson เป็น 1/3 ของช่อง FET$\text{D } \text{Iout}^2 \text{Rds}$

• ประตูไดรฟ์ การออกแบบประตูนี้ไม่มีไดรฟ์ที่เพียงพอ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการปิด ด้วย 70 Ohm การปิด FET ด้วย Ciss ของ 3500pF เวลาปิดจะน้อยกว่า 500nSec นี่จะหมายถึงการสูญเสียการสลับขนาดใหญ่ใน FET ซึ่งอาจเป็นอย่างน้อย 15W ของการสูญเสียเพิ่มเติมใน FET การออกแบบนี้จะต้องมีเกทขับที่ดีกว่ามาก เนื่องจากจะต้องมีการปรับปรุงไดรฟ์เกท มันจะเป็นประโยชน์อย่างมากในการเปลี่ยนเป็น F สลับช่อง N และใช้วงจรเรียงกระแสแบบซิงโครนัสที่ตรงกันกับ gate drive IC (เช่น IR2104 หรือ LM5104 หรือบางอย่าง)

• การควบคุมความคลั่งไคล้ ไม่มีปัญหาเรื่องค่าคงที่ตรงเวลาการควบคุมเวลาแปรผัน การควบคุม Hysteretic สามารถ (ถ้าคุณระวัง) ทำงานได้ดีและมีการตอบสนองชั่วคราวที่ดีเยี่ยม แต่ปัญหาที่นี่คือการใช้ตัวเปรียบเทียบใน uC จำเป็นต้องมีการเข้าถึงเครื่องมือเปรียบเทียบเพื่อให้ hysteresis ที่เพิ่มเข้ามา ดังนั้นผู้เปรียบเทียบกับ hysteresis และเวลาตอบสนองที่น้อยกว่า 500nSec จำเป็นต้องเพิ่ม คุณต้องการเพิ่ม hysteresis ประมาณ 100mV

• ตัวกรองเอาต์พุต ตัวเหนี่ยวนำที่ดี L1 ที่ 40A บวกระลอกปัจจุบันมันจะหมิ่นความอิ่มตัว มันจะดีกว่าที่จะมีส่วนที่สูงขึ้นในปัจจุบัน แต่มันไม่ได้เป็นความกังวลหลัก ดูเหมือนว่าตัวเก็บประจุเอาต์พุต C1 และ C2 เป็นเซรามิกซึ่งเป็นตัวเลือกที่ดีควรมี ESR รวมน้อยกว่า 20 mOhms สำหรับแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อม ~ 100mV เป็นที่น่าสนใจว่าความต้านทานโหลดที่โหลดสูงสุด (~ 0.3 Ohms) นั้นใกล้เคียงกับอิมพีแดนซ์ลักษณะพิเศษของฟิลเตอร์เอาท์พุท (~ 0.2 โอห์ม) นี่เป็นโชคดีเพราะมันหมายความว่าตัวกรองนั้นชื้นมากขึ้นเกี่ยวกับเรื่องนี้ในภายหลัง หากคุณเป็นเพียงผู้ขับขี่ยานยนต์ที่มีอุปกรณ์นี้ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวกรองขั้นตอนที่สอง (L2, C3)

มีฟังก์ชั่นบางอย่างที่เหลืออยู่ที่ต้องมี:

• ขีด จำกัด ปัจจุบันจะต้องมีหนึ่งเพื่อความปลอดภัยของคุณเองหากไม่มีอะไรอื่น ด้วยจำนวนของการจัดการในปัจจุบันความประหลาดใจสามารถเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว คุณไม่ได้มีชีวิตอยู่จนกระทั่งด้านบนของสวิตช์ไฟระเบิดจากด้านล่างและบินออกไปติดบนเพดาน อย่างไรก็ตามขีด จำกัด กระแสบางชนิดแม้ว่าจะเป็นเพียงฟิวส์

• ตัวกรองอินพุต ไม่ชัดเจนเกี่ยวกับส่วนที่เหลือของระบบ แต่อินพุตของแหล่งจ่ายนี้จะเป็นแหล่งที่มาของอีเอ็มไอจำนวนมาก โดยปกติจะเป็นปัญหาใหญ่

ความต้านทานอินพุตยังเป็นปัญหาที่นี่ด้วย ตัวควบคุมสวิตชิ่งมีอิมพิแดนซ์อินพุตเป็นลบและสามารถสร้างออสซิลเลเตอร์ที่ดี (น่าเสียดาย) ความต้านทานแหล่งที่มาของ LiPo และเครือข่ายการกระจายจะต้องน้อยกว่า 1/2 ของความต้านทานอินพุตของแหล่งจ่ายเพื่อป้องกันการแกว่ง ฉันคิดว่าแบตเตอรี่ LiPo ความจุสูงมีความต้านทานประมาณ 20 mOhms (แม้ว่าอายุจะเพิ่มขึ้นก็ตาม) อิมพิแดนซ์อินพุตที่โหลดเต็ม (40A) ของแหล่งจ่ายนี้ด้วยตัวกรองเอาต์พุตปัจจุบัน (L1 ที่มี C1 และ C2) มีขั้นต่ำประมาณ 100mOhms (ที่ 9KHz) ซึ่งดูดีถ้าอิมพีแดนซ์เครือข่ายการกระจายแหล่งข้อมูลยังคงอยู่ในระดับต่ำ แต่โปรดจำไว้ว่าการลดการสั่นสะเทือนของตัวกรองเอาต์พุตที่ดูดีมากที่โหลด 40A และหากโหลดลดลงถึงการทำให้หมาด ๆ 10A ไม่ดีนัก นั่นหมายถึงที่โหลด 10A ค่าต่ำสุดของอิมพิแดนซ์อินพุตจะลดลงเหลือประมาณ 50 mOhms (ที่ 9KHz) ซึ่งจะทำให้การกระจายแหล่งที่มาแน่นและมีปัญหาจริงๆ ช่างเป็นสิ่งที่ผิดปกติสำหรับเรื่องนี้ที่จะเป็นปัญหาโหลดที่เกิดจากตัวกรองเอาท์พุทตัวแปรทำให้หมาด ๆ