Conversor de Buck, inductor chirriante/gritante

Question

Tengo un problema con mi convertidor buck casero. Está basado en un chip de control TL494 con mi controlador discreto de MOSFET. El problema es que mi inductor chirría y zumba cuando la corriente de salida supera cierto valor.

Como inductor, primero utilicé un choke toroidal común de una antigua PSU ATX (color amarillo con una cara blanca). Sin embargo, noté que se estaba calentando mucho, y que no era la pérdida en mi alambre de cobre, era que el núcleo no era adecuado para aplicaciones de conmutación, sino más bien para propósitos de filtrado. Luego desarmé un pequeño transformador de ferrita, enrolle mi propio inductor en él, pero volvió a chirriar.

Luego pensé que podría ser debido a que los núcleos no estaban idealmente pegados, así que decidí hacer esto en un transformador más grande (probablemente EPCOS E 30/15/7 con parte central redonda, pero desafortunadamente no tengo idea sobre el material utilizado en este núcleo y si está en derivación o no), pero esta vez con devanados cuidadosamente retirados sin desarmar el núcleo.

El resultado fue aceptable (mi generador de señal aún no ha llegado, así que no puedo medir con precisión la inductancia, pero está en la región de 10 uH, 6 vueltas (de un par de cables para reducir el efecto piel)). Todavía está chirriando, pero solo a voltajes y corrientes que probablemente no se alcanzarán con mis luces LED (básicamente quiero crear mi propio convertidor DC-DC para controlar el voltaje aplicado a los LED en lugar de utilizar PWM, que generaba demasiada interferencia electromagnética).

Aquí están las formas de onda (corriente que fluye a través del inductor, caída de voltaje medida a través de un resistor de 0.082 ~0.1), que capturé cuando estaba usando un núcleo de polvo de hierro (amarillo-blanco) como núcleo del inductor. Cada forma de onda está acoplada en DC.

Corriente de salida baja: aprox. 1A

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Corriente de salida media: aprox. 2A

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Corriente de salida alta: aprox. 3A. En este nivel es cuando comienza el chirrido. Pero debo enfatizar que el núcleo del inductor se calentó a unos 90°C. Básicamente parecía una forma de onda desde arriba, pero modulada por una onda sinusoidal de baja frecuencia.

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No pude hacer que la forma de onda de corriente oscilara entre un cierto nivel sin tocar 0A. Vi que no debería alcanzar 0A en imágenes de formas de onda en línea y en un convertidor buck OSKJ XL4016 con un osciloscopio. Se veía así: (Lo siento por la forma de onda pintada, pero desafortunadamente no la guardé; Solo prueba el punto)

Aquí están las formas de onda que obtuve con mi actual transformador-inductor de ferrita en el momento en que comienza el chirrido.

Canal 1 (amarillo): corriente Canal 2 (azul): voltaje a través del inductor.

En este punto aparece el chirrido. Intenté aumentar y disminuir el capacitor de salida, pero en general no solucionó el problema. Además, la oscilación se atenúa cuando toco el disipador de calor del MOSFET no aislado, no tengo idea de por qué existe esta oscilación.

Este es mi esquemático (no es exactamente lo que tengo en mi PCB, pero los cambios son sutiles, como un potenciómetro en lugar de 2 resistencias y el valor del capacitor sintonizado finamente para obtener una frecuencia de 100 kHz). El Pin 2 está actualmente conectado a Vref, y el Pin 16 a GND para encender permanentemente el convertidor, Vin – voltaje de entrada = 24V. Debido al alto pico de corriente visto por el diodo D5, fue reemplazado por uno más duradero de 5A:

D4, C2, R15 fueron finalmente reemplazados por una solución mejor y más robusta, pero esto no influye en las formas de onda en el inductor L1. Este es mi diseño de PCB, fue diseñado para una aplicación diferente (requiriendo 0.5A – 1A máximo, por lo que no agregué ningún disipador de calor allí). Además, los valores de algunas resistencias y capacitors fueron ajustados manualmente para lograr una eficiencia agradable de ~86% a plena carga, la mayor parte de la energía que se pierde ocurre en el MOSFET Q7, probablemente debido al borde lento de subida y bajada de la señal de la compuerta y Rds(on), siendo en 0.3 .

Ahora (durante las pruebas) el inductor está suspendido sobre la capa de soldadura (porque es demasiado grande para caber en el espacio designado, cuando diseñé esta placa no sabía que no podía usar un núcleo de polvo de hierro normal, en mi otro convertidor, basado en LM2576 funcionó bien, pero hay problemas con la regulación del voltaje, así que quería diseñar esto). Por último, grabé el voltaje y la corriente en el mencionado voltaje, en el que el inductor comenzó a chirriar auditivamente, aquí están los resultados:

• 5 V – 0.150 A voltaje de salida mínimo
• 6 V – 0.300 A
• 7 V – 0.400 A
• 8 V – 1 A
• 9 V – 2.5 A
• 10 V – 2.7 A
• 11 V – 3.1 A corriente de salida diseñada
• 12 V – 3.1+ A
• 13 V – 3.1+ A voltaje de salida máximo

Después de eso reduje la inductancia desenrollando 1 vuelta y comenzó a chirriar con corrientes mucho más bajas. Lo mismo sucede cuando agrego más vueltas. Cuando cambio la frecuencia, no sucede nada interesante. También calculé los valores del capacitor y el inductor usando las fórmulas proporcionadas en la hoja de datos del TL494, pero también chirriaba con esos valores. Cada medición de corriente se realizó en el lado de salida del inductor. He medido el ESR de mi capacitor de salida y el probador LCR-T4 mostró 0.09 .

Para resumir: Tengo un problema con el inductor que chirría/zumba y no sé cómo solucionarlo.

En cada nivel mis luces LED consumen menos corriente, que es necesario para que el inductor chirrie, pero mi corazón realmente quiere saber por qué está sucediendo esto y qué no entiendo o entiendo mal. Por favor ayúdenme. Si omití algún detalle, lo escribiré en un comentario a esta pregunta. Disculpen cualquier error en mi "Engrish", no es mi idioma nativo. No tengo experiencia en este campo, así que por favor, perdónenme si cometí grandes errores.

Editar: "En cada nivel mis luces LED consumen menos corriente, que es necesaria para que el inductor chirrie" - Quiero decir, que las luces LED siempre deberían consumir menos corriente, que se requiere para que el inductor chirrie; durante la operación normal el inductor no debería chirriar. Subí un video mostrando formas de onda a YouTube mientras cambiaba la corriente de salida, la frecuencia de conmutación y el voltaje de salida. La carga es mi "carga constante" hecha a partir de un MOSFET y un potenciómetro que regula el voltaje en la compuerta del MOSFET, es rudimentario, pero funciona. Como escribió mehmet.ali.anil (pero ahora veo que eliminó su respuesta), aumenté la inductancia a aproximadamente 200uH enrollando un nuevo cable y al final del video puedes ver que accidentalmente sintonicé la frecuencia a un valor "perfecto", que resultó en un trabajo CCM exitoso, pero chirria silenciosamente todo el tiempo y especialmente durante el cambio de voltaje de salida. Además, la frecuencia está realmente cerca del límite, siendo ~300 kHz. Debería haber subido un video similar anteriormente, lo siento. Aquí está el enlace: https://youtu.be/tgllx-tegwo

Answer 1

Actualización

Aunque el 594 tiene un GBW mucho más alto y una tolerancia de 5V más ajustada que el 494, aún tienen un diseño de referencia que utiliza 20 kHz en lugar de 100 kHz para la velocidad de conmutación. También permite un valor C más bajo para controlar f. Todo lo demás parece ser idéntico, por lo que puedes hacer que el 494 funcione mejor con algunos cambios.

Tu diseño parece tener tiempos muertos extraños, tal vez por una corriente push-pull débil o tensión de tiempo muerto. Tu diseño de driver push-pull tiene una combinación de f/2 (subarmónico) de f con corriente de base débil que causa cierta inestabilidad. Por lo tanto, te sugiero que reduzcas las resistencias de base a 330 Ohmios en lugar de 10 K y uses 20 kHz de un solo extremo para Rc =10x Rb para conducir el FET con un divisor de voltaje o Zener si es necesario para limitar Vgs a 20V.

Esta combinación permite un 1% de tiempo muerto y una regulación más ajustada del 0% al 99% de PWM. Pero verifica la configuración del tiempo muerto.

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Los componentes magnéticos pueden producir ruido audible, ya que contienen muchos elementos físicamente móviles, como bobinas, cintas de aislamiento y bobinas. La corriente en las bobinas produce campos electromagnéticos que generan fuerzas repulsivas y/o atractivas entre las bobinas. Esto puede producir una vibración mecánica en las bobinas, núcleos de ferrita o cintas de aislamiento, y el oído humano puede escuchar el ruido cuando la frecuencia de conmutación de la fuente de alimentación está en el rango de 20Hz a 20 kHz.

Posibles correcciones

• Reducir los picos de flujo Bpp mediante elecciones de Imax/Imin y velocidad de conmutación
• Evitar las inversiones de flujo si se utiliza en modo DC con corriente CM con una carga mínima >=5%. (no es ideal)
• Minimizar la resistencia L, DCR que causa una elevación brusca antes de la rampa de corriente y agrega efectivamente ripple y ruido al bucle de control. Calcular la relación L/R y comparar con la constante de tiempo C*ESR para el condensador de bajo ESR y así reducir los tiempos de reacción del reactor.

La ferrita tiene dominios magnéticos que causan histéresis cuando la corriente cambia de dirección. Estimular estos con corriente y luego volver a 0 A estimula alguna vibración, ¿pero por qué?

Hipótesis

Si el subarmónico f/2 no es estable y produce modulación del ancho de pulso y se mezcla con el f principal de 100 kHz utilizado en la tasa de ciclo inferior, puede producirse un silbido de audio superheterodino salvaje de 100k - 50k produciendo este sonido de 0 a 50 kHz.

• Los cambios en el filtro de retroalimentación con filtro adelanto-patras pueden mejorar esto.

Actualización #2

El Op ha descubierto accidentalmente cómo hacer un filtro de fase adelanto para mejorar la estabilidad https://m.imgur.com/nBEd18F, la próxima mejora es un "filtro adelanto-atras" para optimizar el margen de estabilidad. Podría usar dos condensadores y una resistencia en serie en lugar de 1 condensador. Un condensador es 10 veces más grande con una serie de aproximadamente 1/10 de la resistencia utilizada para controlar Vdc. Tiene un C más grande y una R más baja para reducir el rango de voltaje de corrección de plomo de pulso pero no amplificar demasiado el ripple, luego un condensador en shunt 1/10 más pequeño en // con la R de retroalimentación que actúa como un filtro pasaaltos para reducir el contenido de frecuencias más altas en los pulsos y así reducir el ripple de salida. (Lo siento, No hay esquema con mi dedo en la pantalla táctil)

• Fin de la actualización

Cuando la corriente se detiene en el inductor decimos que está operando en el Modo Discontinuo (DCM) y el interruptor debe estar abierto en este momento y se aplica poca carga de corriente. El interruptor presenta una pequeña capacitancia en serie con L que crea una resonancia en // de alta impedancia de 6MHz en tu última curva que decauye en < 10us. Esto se amortigua por la resistencia de contacto y una frecuencia más baja por la capacitancia del cuerpo+piel. (?100k//200pF??) cuando se toca el disipador de calor pero no es el problema del ruido.

Answer 2

La solución para resolver este problema es agregar una retroalimentación negativa, como se explica en este video https://youtu.be/wNnOfF1NkxI?t=1584. Primero agregué un condensador entre la salida y el pin de retroalimentación del TL494, parece haber resuelto el problema, pero no funciona tan bien como agregar una retroalimentación negativa correcta. He realizado algunas pruebas que lo demuestran: Al principio, aumenté la corriente de 0A a 3A y luego cambié la frecuencia del oscilador de ~170 kHz a ~20 kHz y luego subí hasta el "crash" (supongo) del TL494 ⇒ más allá de 300 kHz y luego volví a ~170 kHz. Rastro amarillo - voltaje en el condensador del oscilador, Rastro azul - corriente que fluye a través del inductor. El inductor ahora no está zumbando sino silbando, depende del núcleo utilizado, porque cuando probé con EI, era menos notable (durante la noche, la cinta se aflojó y el inductor comenzó a chirriar, ahora estoy experimentando con esmalte de uñas como una forma de pegar el núcleo y aún poder desmontarlo), Esta prueba se realizó con un núcleo EE pegado de fábrica. La captura de pantalla de una aplicación "spectroid" se realiza cuando la corriente de salida es de 3A y en la parte inferior puedes ver el momento de 20 kHz y en la parte superior 300 kHz.

Retroalimentación negativa + condensador https://youtu.be/S9KfA9NNXkE

Retroalimentación negativa https://youtu.be/h1AN7rQTDa4

Condensador https://youtu.be/7h7OzDj9q8Y

Nada (problema inicial) https://youtu.be/nVOfPynJRGE

Por retroalimentación negativa y condensador, me refiero a:

Más tarde verificaré si mi controlador MOSFET push-pull funciona bien ahora. Si es necesario, puedo realizar una grabación más avanzada y mostrar la frecuencia generada por el inductor correspondiente a la frecuencia del oscilador.