Маленький КПД Step-Down конвертера на м/с LM5116, DC 21...30В -> 19,5В 10А Опции

[snowboy]

Делаю импульсный понижающий преобразователь напряжения для питания мощного ноутбука с входным напряжением 19,5В 10А от блока аккумуляторов из 7 последовательных Li-Ion банок.

Рассчитал схему в TI Webench: http://webench.ti.com/appinfo/webench/scri...92B339E90902A2E
Сейчас собрал в железе и тестирую на резистивной нагрузке. Получается КПД сильно меньше чем при расчёте: 87% вместо 98,5% (на 7А нагрузке). И соответственно, греется на 20 Вт вместо расчётных 2 Вт.

Вот разводка силовой части:


Подозреваю что проблема в "звоне" при переключении транзисторов. Вот график напряжения на входе дросселя (синий) и на токоизмерительном резисторе (жёлтый):

Пробовал варьировать номиналы компонентов на выводах Comp, Ramp м/с - не влияет особо на "звон" и на КПД.

Пробовал добавлять резисторы в затворы полевых транзисторов по 1-5 Ом, и даже RC-цепочки, нет положительного эффекта.
Пробовал ставить демпфирующую цепочку между входом дросселя и "землёй", при этом "звон" по напряжению сильно уменьшается, но по току почему-то остаётся, и КПД не меняется:

Измерил ток через дроссель: желтый - ток (5А в клетке), синий - напряжение на входе дросселя относительно выходного напряжения


Пробовал вместо штатного дросселя, мотать самодельные дроссели на кольцах из ВЧ феррита и пермаллоя, результат не меняется.

Знающие люди, посоветуйте пожалуйста как заставить правильно работать эту схему.

Сообщение отредактировал snowboy - Mar 13 2016, 10:17

[AleksBak]

А если добавить емкостей по входу? Это просто смешно на такой ток 2 х 20мкф максимум (судя по картинкам).

[MikeSchir]

А если добавить емкостей по входу? Это просто смешно на такой ток 2 х 20мкф максимум (судя по картинкам).

На схеме их 4х10мкФ! Но дело не в этом. Это же - керамика, и хорошо если от них на 28-ми вольтах осталось 2х8мкФ, а судя по картинке на входе, так оно и есть. Пульсация напряжения больше 3-х вольт.

И ещё нужно хорошенько изучить раздел 7.3.6 Ramp Generator в ДШ, не забывая, что LM5116 - это "current mode" со всеми сопутствующими нюансами. Например конденсатор С11=1000пФ - это, наверное, слишком много.

То есть как это? С выхода (где напряжение меньше) ток начинает течь ко входу (где оно выше) и ещё увеличивать входное? Выходит, Вы пытаетесь питать нагрузку, а упрямый ток сопротивляется и возвращается обратно в источник?

А что такого? Ведь открыт нижний транзистор, а ему всё равно куда проводить (это же не диод ) , и когда ток падает до нуля ток начинает "течь" из выходного конденсатора, т.е. в обратном направлении, а во входной конденсатор ток "потечёт", когда откроется верхний транзистор.

Сообщение отредактировал MikeSchir - Apr 4 2016, 08:48

[snowboy]

И ещё нужно хорошенько изучить раздел 7.3.6 Ramp Generator в ДШ, не забывая, что LM5116 - это "current mode" со всеми сопутствующими нюансами. Например конденсатор С11=1000пФ - это, наверное, слишком много.

Точно, оказалось что велик C11 (Cramp), уменьшил для пробы с 1 нФ до 680 пФ - такты "пропусков" прекратились. И соответственно, всплески входного напряжения ушли. Сейчас ещё поподбираю оптимальное значение.
Спасибо за идею!
Странно, по моим расчётам Сramp = Gm * L / (A * Rs) = 5 uA/V * 10 uH/(9,76 V/V * 4 mOhm) = 1,28 nF с понижением до 1,024 nF при увеличении сопротивления транзистора с 4 до 5 mOhm (при нагреве).
И в авторасчёте TI Webench он 1,2 нФ.

Подобрал Сramp=470 пФ.
Теперь все осциллограммы выглядят вполне красиво, см. файл: синий - напряжение на входе дросселя, жёлтый - на Cramp (5 нога).
Но при этом, КПД по-прежнему 82% и жутко греется дроссель. Странно...
Буду собирать схему измерения тока в дросселе, может что-то прояснит.

Вот снял график тока через дроссель, 2А в клетке (шунт 0,01 Ом).
Схема сейчас греется на 30 Вт. Входная мощность 29В * 5,6А= 162 Вт. Выходная 19,3В * 6,86А = 132 Вт.
По ощущениям, 2/3 этой мощности, т.е. 20 Вт выделяется на дросселе.
Хотя я рассчитывал что будет порядка 7А*7А*0,012Ом=0,59Вт.
Есть идеи почему он так греется и как уменьшить разогрев дросселя?

Сообщение отредактировал snowboy - Apr 4 2016, 23:37

Эскизы прикрепленных изображений

 

[MikeSchir]

...при увеличении сопротивления транзистора с 4 до 5 mOhm (при нагреве).

Ну 5мОм - это при температуре на кристалле =50градС. Не поверю, что он так слабо греется. Да, а что так пожадничали? Отдали предпочтение низкому rdson и нарвались на повышенные динамические потери. Нужно искать компромисс.

Подобрал Сramp=470 пФ.
Теперь все осциллограммы выглядят вполне красиво, см. файл: синий - напряжение на входе дросселя, жёлтый - на Cramp (5 нога).

Можно подобрать ещё меньше. Всё ещё видны колебания длительности, и может вернуться прежний несимметричный режим. Может быть это связано с длинным (и не скрученным) проводом от источника питания? Да, потери в нём, случайно, не вошли в расчёт КПД?

...Но при этом, КПД по-прежнему 82% и жутко греется дроссель. Странно...
...Вот снял график тока через дроссель, 2А в клетке (шунт 0,01 Ом).
Есть идеи почему он так греется и как уменьшить разогрев дросселя?

Вот тут мне до слёз обидно, что Вы не заметили мой пост #34
На картинке тока видна ступенька при переключении - это говорит о потерях в сердечнике дросселя. Здесь, похоже, Вы опять пожадничали - выбрали дроссель с малым сопротивлением постоянному току и нарвались на большую переменную составляющую магнитной индукции в сердечнике, которая и греет дроссель. Опять нужен компромисс. Почему не взять 22 мкГн или даже 33, или размер побольше? Да, статические потери будут больше, но динамические снизятся почти на порядок а то и больше.
И ещё о жадности Изготовители не рекомендуют использовать танталы (у Вас по выходу стоят) под завязку по напряжению. Фирма AVX например рекомендует снижать рабочее напряжение на танталах в 1,5 - 2 раза по отношению к номинальному.