Коллеги, ну не моя это специализация - источники питания, но начальство требует ИП... Помогите пожалуйста разобраться в чем может быть проблема очень сильно греется полевой транзистор, даже при половинной нагрузке.

Итак,

Vin_min=9V
Vin_max=30V
Vout=12V
Iout=3.5A
Частота: 270кГц (частотозадающий резистор Rfa=62k)
Схема типовая SEPIC из AppNote 1484 "LM3478, LM3488 Designing a SEPIC Converter", fig.5

Расчетами получаем (полный текст расчетов см. во вложенном файле):

Dmax=0.59
IL1_peak=6.04A
IL2_peak=4.2A

L1=L2=12uH

Диод: 12CWQ10FN (включаю параллельно 2 диода); падение на нем 0,95В при токе 10А

Пиковый ток через транзистор:

IQ1_peak=19.243A

Vds_min=42V

Выбрал сначала транзистор IRFR3806, но грелся сильно и я поставил с меньшим Rds_on IRLR3114, но субъективно печка не стала меньше...

Конденсатор SEPIC:
5 параллельно включенных конденсатора 1812 емкостью 2,2мк Х 100В (что было под рукой)

Выходной конденсатор:
5 параллельно соединенных low-esr электролита epcos 33мкХ25В плюс в параллель две керамики 1812 2,2мк Х 100В
Опять же - взял что было под рукой с учетом обеспечения соответствующего ESR
ESR блока выходных конденсаторов получается где-то 24мОм при максимально допустимы расчетных 29мОм

Резистор - датчик тока через транзистор Rsn=0.01Ом (расчетное 0.0127Ом)

Так вот, расчетная рассеиваемая на транзисторе мощность 3,2Вт, но по ощущениям там все 20 рассеиваются...

Привожу осциллограммы. Здесь ch#1 это на затворе транзистора, ch#2 - напряжение на резисторе-датчике тока



Тут ch#1 напряжение на индуктивности Lin, ch#2 - напряжение на индуктивности Lout



А это выходное напряжение 12В:




Помогите пожалуйста кто чем может...

P.S. С индуктивностями отдельная проблема - найти в наличии на складах готовые индуктивности на высокие токи (например, XAL1010-153 и PM2110-470K) я вообще не смог... максимум это 1-2А насыщение, на 6 ничего не удалось найти, кстати если кто знает где можно купить может подскажет?
Пробовал мотать на ферритовом кольце R29.5 Epcos T37, но получается фигня.. я так понимаю, что получается небольшой ток насыщения и нужно кольцо с зазором... Причем по идее если мотать на общем магнитопроводе, то можно уменьшить индуктивность в 2 раза, но видимо все равно в насыщение вываливалась катушка, т.к. на выходе было 7-8 вольт...

Сейчас для экспериментов поставил в качестве Lin катушку коилкрафт снятую с другого ИП, ток насыщения 7,2А индуктивность 6,8мкГн, а в качестве Lout - две последовательно соединенных таких индуктивности. В итоге на выходе 12В, но печка даже при половине нагрузки (автомобильная лампочка OSRAM 12В-21Вт), но при двух лампочках (3,5А нагрузка) получается ну очень хорошая печка.

В общем такие вот проблемы - так и не решена проблема с отсутствием индуктивностей, получается на ETD что ли мотать придется, раз готовые не купить... и плюс вторая проблема сильный нагрев транзистора..

Всем большое спасибо за внимание!!

P.P.S. все измерения при 12В на входе источника питания.

по-моему с индуктивностями Вы ошиблись где-то на порядок

В расчетах вы имеете в виду?

индуктивности на одном сердечнике?

Похоже, затвор ключа не раскачивается. Медленно ключ переключается и на фронтах греется.
А дроссель... такой придется самому мотать, "адназначна"!
Не так уж и сложно, попробуйте сердечники ELP.

а DRQ125/127, только у автора индуктивность что-то маловата

Вот неплохой склад.

Нужные номиналы можно набрать — например, по паре DR127 6,8 мкГн последовательно.

На затвор нужен соответствующей амперности буфер на комплементарных биполярниках — например такой.

Сейчас стоят отдельные индуктивности, а если на одном сердечнике, то я так понимаю делим требуемую индуктивность на два...
По поводу дижикея - спасибо конечно, но это зарубежный склад, т.е. мне даже просто проверить надо ждать месяц пока что-то придет...

Основная идея я так понимаю - необходимо ставить драйвер затвора? Поставлю завтра попробую, не проблема.. вот только я не понимаю зачем тогда Webench выдает схему с транзистором без драйвера, транзистор инфинеон, емкость затвора там почти в 2 раза больше, чем у моего транзистора. Или схема Webench'a это просто наметка и неработоспособна изначально?


Насчет ELP спасибо, гляну. Вопрос только - если мотать самому, то ясно дело надо мотать на одном сердечнике 2 катушки сразу и тут начинаются непонятки с индуктивностью - все-таки ее больше надо делать или меньше; у меня на одном сердечнике что-то вообще ничего не пошло.. И еще Webench почему-то выдает катушки разной индуктивности - входная на 15мкГн, а выходная на 47мкГн, хотя в расчетных соотношениях указан расчет для случая одинаковых индуктивностей. Короче ничего не понятно тут - одни вопросы. Если кто-то прояснит буду безмерно благодарен!

P.S. То что творится со всплесками на резисторе-датчике тока - это нормальная ситуация или у меня что-то опять не так?

Мысль, чтобы набрать нужное из подножного корма, выше уже озвучена — в чём до сих пор проблема? Например, поставить параллельно 4 таких на позицию.


Сдвоенный нужен в 2 раза меньше, т.е. 6 мкГн и средний ток 9 А.

Достаточно технологично мотать на ELP в два провода, две обмотки сразу. Напряжение у Вас небольшое, межобмоточная изоляция не нужна.
Да, если на одном магнитопроводе, то индуктивности достаточно половинные. Но осциллограммы токов с интегральной индуктивностью и раздельными заметно отличаются (в самих индуктивностях).

Вообще-то, осциллограмма тока мне не понравилась. Я списал это пока просто на методику измерения, неудачно точки подключения, щуп осциллографа звенит может быть. Как правило, SEPIC - очень спокойная топология. Минимум всяких иголок и выбросов, все почти как в теоретической картинке
Если этот дребезг тока реально существует, то где-то есть мощные паразитные резонансные контура. Скорее всего, уберется оптимальной разводкой или более аккуратной намоткой дросселей. Может, диод не успевает закрываться на такой частоте.
Это тот этап, когда начинаются танцы с бубном. Режутся дорожки или дублируются толстым проводом и тыкается снаббер ом20-50 и 1000пФ везде. Как только увидим качественное изменение картинки - вот тут и копаться дальше нужно. Определять конкретные меры борьбы уже с расчетами или хоть как-то более осознанно, найдена причина.

Посмотрите еще внимательно: все ли в порядке с компенсацией наклона (слоп-компенсация)? Часто источник греется из-за хаотичных переключений при заполнении более 0.5.

а статья DSIoffe читалась?:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Да не нужен там драйвер

С дросселем на 270 КГц ошиблись. У меня такой работает от 2 LiPo, выдает 14В, ток чуть поменее. Степ-ап, правда. И частота повыше. Ничего не греется... Собственно, два таких - один 8.4->14В, второй 8.4->50В. Оба тёплые, но не горячие... Дроссели Эпкос. Раньше там стоял сепик и два выпрямителя, 14В и 28В. Тоже всё работало...

Вот я посмотрел на напряжение на входной катушке. Получается, что на стоке открытого транзистора примерно 2В? Жёлтенький график? Вот она и печка, при таких-то токах... Такое впечатление, что транзистор не до конца открывается, и переключается недостаточно быстро. Может, что-то с выходом контроллера? Или с контактом в цепи затвора? Для проверки можно воткнуть какой попало драйвер. Впрочем, я работал только с совсем маленькими источниками, могу и ошибаться.

Да, хорошее наблюдение.

Или совсем неудачная, в насыщении, катушка? Она-то греется? Есть возможность поэкспериментировать с двумя катушками на отдельных сердечниках?

У вас ОДНОЗНАЧНО динамические потери в транзисторе большие. Это-же видно из осциллограммы. Ищите транзистор не с низким сопротивлением в открытом состоянии, а с низким зарядом затвора(емкостью). А так же посмотрите на затворную цепь, вы может там резистор на 100 Ом воткнули ? Вообще IRовские транзисторы не очень по динамике. посмотрите у Vishay или TI.

Прям таки. У ИР есть любые. Vishay - это нечто другое от ИРа?

Коллеги, всем большое спасибо за такое активное участие! К сожалению сегодня не мог этим заниматься, сейчас все изучу что вы написали

Давно хотел спросить: про "несимметрично нагруженную первичную индуктивность" ваш креатифф ?

Нет, списал где-то. Знаете лучше?

По смыслу аббревиатуры получается "ПИОПН" — полуизолированный обратноходовый преобразователь напряжения, т.к. они просто говорят, что "есть один общий провод", однако в оригинале ни обратноходовость, ни принцип связанности первички и вторички никак не отражён, разве что, с большим натягом, косвенно (в виде "inductance"). Фактически, слово "SEPIC" является синонимом частного случая "non-dissipative non-isolated flyback".

Если уж нужно по-русски, правильнее было бы назвать эту топологию "СОПН" (связанный обратноходовый преобразователь напряжения), т.е. что первичка и вторичка связаны балансной ёмкостью, а общий провод вытекает из этого факта сам собой.

Соответственно, Zeta по-русски будет "СППН" (связанный прямоходовый преобразователь напряжения), а Cuk — "СПИПН" (связанный прямоходовый инвертирующий преобразователь напряжения).

Многое зависит еще и от разводки платы. Если затворы далеко от контроллера, то ни один драйвер не поможет.
Было бы неплохо глянуть на разводку

Я же написал, что сейчас как раз с отдельными катушками экспериментирую. Катушки совсем не греются... На затворе действительно получается по сути половину импульса он не полностью открыт наверное отсюда и нагрев..



От контроллера до затвора где-то 3-5мм, разводку постараюсь сегодня попозже кинуть.

Там (на затворе) вольт 10 надо бы для спокойствия душевного.

Хотел драйвер поставить поковырялся а в закромах есть только MCP1401 и MCP1416, а там максимальное напряжение на входе 18В.. а у меня по заданию до 30В вход. Вот думаю мож туда ключик на IRLML2803/6302 впендюрить (они просто есть в избытке в закромах)

Сейчас просто под рукой компьютера нет, пишу с телефона



Ну мой транзистор имеет сопротивление в открытом состоянии 5мОм, куда уж меньше-то? Он тогда как космическая станция будет стоить... Емкость тоже у него почти в 2 раза меньше, чем одноклассников, рекомендуемых якобы для этой схемы и этих мощностей... А насчет IR - вообще всегда считал что они лидеры в этой области, у них основная специализация всегда была HiRel-элементы, неужто Vishay их обогнал в ширпотреб-транзисторах? Надо глянуть...

Вообще-то, речь шла не о драйвере, а всего лишь о буфере — это такая пара NPN и PNP, у которой, как тоже сказано выше, в наличии соответствующая амперность, т.е. чтобы при 5 амперах Uнас у них было меньше 1 В, ну и вольтаж NPN должен быть соответствующий, больше 40 В.

Честно говоря всегда считал, что "буфер" с описанными свойствами и называется по сути драйвером...

Все правильно считаете! vao ляпнул неподумавши, он не в курсе.
IR просто продал Vishay часть бизнеса (технологии) на некоторый тип полупроводников.

Итак, поставил драйвер, на затворе все стало хорошо, но печка не уменьшилась. Греется как и раньше..
Напрягает опять же то, что творится на резисторе-датчике тока..

Вот осциллограмма напряжения на затворе с драйвером:



Коллеги, есть какие-нибудь мысли?
Судя по всему затвор транзистора с природой этого нагрева никак на связан...

Ощущения - вещь незаменимая, но КПД померить не доходили руки? Чтобы как-то в цифры облечь претензии.

Мы не видели Вашего монтажа, но есть подозрение, что он неважнецкий. И снимайте сигнал с датчика тока максимально коротким щупом.

Ну как же не доходили, померял конечно сразу же..

3,37А потребление нагрузки, при этом общее потребление 4,11А, соответственно 740мА падает на SEPIC'е


Во вложении файл со схемой и топологией слоев Top и Bottom. На нижнем слое сплошной Ground Plane, не считая двух дорожек

P.S. На номиналы на схеме не смотрим, читаем первый пост - там расписано что и каких номиналов установлено на данный момент в опытном образце.

Если это по 12В входного и выходного, то КПД>80%. Уже не так страшен черт. А разводка - так себе, ИМХО. Мне, например, совсем не нравится, как у Вас расположен выходной конденсатор С7 (особенно относительно L2). Между "земляными" выводами - обширные контура больших токов, охватывающие всю плату. И линия ОС излишне длинная. Вот и "звенит" всё.

Не знаю как черт, но транзистор греется самым страшным образом.. Через 10 секунд после старта уже 80 градусов. Получается что работа нормальна и тут просто нужно городить радиатор? Или все-таки продолжать копать причины перегрева?

С7 подвину поближе к L2, не проблема, а вот с ОС что-то ума не приложу как ее сделать кардинально короче...

Нет, побороться ещё стоит. Уверен, что где-то вдвое потери можно снизить. А линию ОС нужно провести так, чтобы ни на одном её участке до самого конденсатора фильтра не было больших токов. То есть, можно оставить её на месте, если конденсатор правильно передвинуть.

Hertz, спасибо большое! Конденсатор сейчас подвину и попробую что получится..
А бороться с тепловыделением в каком направлении, не подскажете?

Чтобы определить направление, необходимо найти причину. Похоже, она связана с динамическими потерями. Пробовали ли Вы увеличивать индуктивности? Уменьшать частоту?

Удалось локализовать место нагрева - это оказался выпрямительный диод, а не транзистор...
Там стоит 12CWQ10FN (сдвоенный диод), два диода соединены параллельно..

Согласно аппликейшену на диод обратное напряжение > Uвх + Uвых (то есть >32вольт) и на средний ток равный току нагрузки >3.5А. Я бы на вашем месте попробовал использовать что нибудь типа SB560 - может оказаться, что греться он будет заметно меньше.
Но корень проблем все таки не в диоде - как мне кажется надо все-таки посчитать аккуратней дроссель и развязывающую емкость. Нагрев диода скорее связан с тем, что из-за хреновости расчета реактивностей ваш диод остается открыт часть активной фазы транзистора. ИМХО.

Спасибо за участие.. но что значит посчитать аккуратней? Формула есть формула, подставил - получил результат..

да, только почему-то DSIoffe в своей статье ставит дроссели 68мкГн при частоте 750кГц, а Вы 12мкГн при частоте 270кГц, при этом в нагрузку он отдает только 0,2А, а Вы хотите 3,5А

​Считаете 12, а ставите 7.... при пульсациях тока 40%

Да не 7, уже стоит 3 параллельно по 47мкГн в качестве L1 и одна 47мкГн в качестве L2
Индуктивности на 47мкГн с током насыщения 5,7А

По расчетам - даже не знаю чему больше верить - статье уважаемого Дмитрия Иоффе или Workbench'у и официальной методике расчета в AppNote для LM3478?

Почему бы не собственным глазам, 3+1 по 47 мкГн — это почти нормально (L2 немного перегрет, паспортная дельта 25°С для 3,4 А среднего, а на нём 3,5 А плюс порядка 0,3 Вт потерь переключения).

Проблем с теплом, насколько теперь видно, не осталось, кроме 3,5 Вт на выпрямителе. Здесь можно поиграться с синхронным, на PMOS.

Проблема-то есть.. на выпрямителе намного больше 3,5Вт рассеивается..
Кроме того, если убрать драйвер затвора транзистора, то еще ватт 10 на нем начинает рассеиваться. Хотел избавиться от драйвера и удешевить конструкцию - не получилось((

Плюс ко всему меня очень напрягает эпюра напряжения на резисторе-датчике тока - никак не могу улучшить с этим ситуацию и не понимаю откуда такие всплески, конденсатор и диод отодвинул подальше, да собственно над дорожкой с датчика тока и нет ничего особо шумящего - сверху полигон GND, снизу вокруг дорожки - тоже...

Конденсатор компенсации наклона, должен быть параллельно к датчику тока подключен, а не через R4...

Скорее всего, это просто ощущения, потому что любые 3,5 Вт, отданные плате, в общем случае проблема.

Я почему-то всегда считал, что 1Вт это примерно 1 градус дополнительного нагрева..
По ощущениям там где-то 85 градусов уже через минуту после включения нагрузки и держится примерно так, за счет того, что на нижней стороне большой полигон "земли" и он служит неплохим радиатором. После отключения нагрузки остывает буквально за 4-5 секунд.

"поиграться с синхронным, на PMOS" - не подскажете где посмотреть на эту тему, и насколько этот вариант более эффективен будет здесь вместо диода Шоттки?

Никому нельзя верить (С)
Имхо, лучше смоделировать силовую часть для заданного режима (входное и выходное напряжение, ток, скважность).

Смоделировать в какой среде?