Convertidor Buck, inductor chirriante/quejumbroso

Question

Tengo un problema con mi convertidor buck casero. Se basa en un chip de control TL494 con mi controlador MOSFET discreto. El problema es que mi inductor chirría y grita, cuando la corriente de salida supera un determinado valor.

Como inductor, primero he utilizado una reactancia toroidal común de una vieja fuente de alimentación ATX (color amarillo con una cara blanca). Sin embargo, me di cuenta de que se calentaba mucho, y eso no era la pérdida en mi cable de cobre, sino que el núcleo no era adecuado para la aplicación de conmutación, sino más bien para fines de filtrado. Entonces desmonté un pequeño transformador de ferrita, enrollé mi propio inductor en él pero volvía a chirriar.

Entonces pensé que podría deberse a que los núcleos no estaban pegados de forma ideal, así que decidí hacer esto en un transformador más grande (probablemente EPCOS E 30/15/7 con parte central redonda, pero desgraciadamente no tengo ni idea del material utilizado en este núcleo y si está separado o no), pero esta vez con los bobinados retirados cuidadosamente sin desmontar el núcleo.

El resultado fue aceptable (mi generador de señales no llegó todavía, así que no puedo medir con precisión la inductancia, pero está en la región de 10uH, 6 vueltas (de un par de cables para reducir el efecto piel)). Sigue chirriando, pero sólo a voltajes y corrientes que probablemente no se alcanzarán con mi iluminación LED (básicamente quiero crear mi propio convertidor DC-DC para controlar el voltaje aplicado a los LEDs en lugar de usar PWM, que creó demasiada EMI).

Aquí están las formas de onda (la corriente que fluye a través del inductor, la caída de tensión medida a través de una resistencia de 0,082 Ω ~0,1 Ω), que capturé cuando estaba usando el núcleo de polvo de hierro (amarillo-blanco) como núcleo del inductor. Cada forma de onda está acoplada a la CC.

Baja corriente de salida: aprox. 1A

---

Corriente de salida media: aprox. 2A

---

Corriente de salida alta: aprox. 3A. A este nivel comienzan los chirridos. Pero tengo que destacar que el núcleo del inductor se calentó a unos 90°C. Esto básicamente parecía una forma de onda desde arriba, pero modulada por una onda sinusoidal de baja frecuencia.

---

No he conseguido que la forma de onda de la corriente oscile entre un determinado nivel sin tocar 0A. He visto que no debería alcanzarlo en fotos de formas de onda en internet y en un convertidor buck OSKJ XL4016 con un osciloscopio. Se veía así: (Perdón por la forma de onda pintada, pero desafortunadamente no la guardé; sólo 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): tensión en el inductor.

En este punto aparecen chirridos. He probado a aumentar y disminuir el condensador de salida, pero en general no ha solucionado el problema. Además, el chirrido se amortigua, cuando toco el disipador del MOSFET no aislado, no tengo ni idea de por qué existe este chirrido.

Este es mi esquema (no es completamente lo que tengo en mi PCB, pero los cambios son sólo sutiles, como el potenciómetro en lugar de 2 resistencias y el valor del condensador afinado 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 - tensión de entrada = 24V. Debido a la alta corriente de pico vista por el diodo D5, fue reemplazado por uno más duradero para 5A:

D4, C2, R15 fueron finalmente reemplazados por una solución mejor y más robusta, pero no influye en las formas de onda del inductor L1. Este es mi diseño de PCB, fue diseñado para una aplicación diferente (que requiere 0,5A - 1A máximo, por lo que no añadí ningún disipador allí). Además, los valores de algunas resistencias y condensadores se ajustaron manualmente para hacer una buena eficiencia de ~ 86% a plena carga, la mayor parte de la energía que se desperdicia ocurre en el MOSFET Q7, probablemente debido a la lentitud del flanco de subida y bajada de la señal de la puerta y Rds(on), estando en 0,3 Ω.

Ahora (durante la prueba) el inductor está suspendido por encima de la capa de soldadura (porque es demasiado grande para caber en el espacio designado, cuando estaba diseñando esta placa no sabía que no puedo utilizar un núcleo de polvo de hierro habitual, en mi otro convertidor, basado en LM2576 funcionaba bien, pero hay problemas con la regulación de la tensión, por lo que quería diseñar esto). Por último registré el voltaje y la corriente a dicho voltaje, al cual el inductor comenzó a chirriar audiblemente, aquí están los resultados:

• 5 V - 0,150 A ← tensión de salida mínima
• 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 ← tensión de salida máxima

Después bajé la inductancia desenrollando 1 vuelta y empezó a chirriar a corrientes mucho más bajas. Lo mismo ocurre cuando añado más bobinas. Cuando cambio la frecuencia no pasa nada interesante. También he calculado los valores del condensador y del inductor usando las fórmulas proporcionadas en la hoja de datos del TL494, pero también chirría con ellos. Todas las mediciones de corriente se hicieron en el lado de salida del inductor. He medido la ESR de mi condensador de salida y el probador LCR-T4 mostró 0,09 Ω.

Para resumir: Tengo un problema de inductor quejumbroso/chirriante y no sé cómo solucionarlo.

En todos los niveles mis luces LED consumen menos corriente, lo cual es necesario para que el inductor chirríe, pero mi corazón realmente quiere saber por qué sucede esto y qué es lo que no entiendo o entiendo mal. Por favor, ayúdenme. Si me he perdido algún detalle, lo escribiré en un comentario a esta pregunta. Perdón por cualquier error en mi "Engrish", no es mi lengua materna. No tengo experiencia en este campo, así que por favor, perdonadme si he cometido algún error grave.

Editar: "En cada nivel mis luces LED dibujan menos corriente, que se requiere para hacer que el inductor chirría" - Quiero decir, que los LEDs siempre deben dibujar menos corriente, que se requiere para hacer que el inductor chirría ⇒ durante el funcionamiento normal el inductor no debe chirriar. He subido un vídeo que muestra las formas de onda a YouTube mientras se cambia la corriente de salida, la frecuencia de conmutación y la tensión de salida. La carga es mi improvisada "carga de corriente constante" hecha con un MOSFET y un potenciómetro que regula el voltaje en la puerta del MOSFET, es tosca, pero funciona. Como mehmet.ali.anil escribió (pero ahora veo, que borró su respuesta), aumenté la inductancia a aproximadamente 200uH enrollando un nuevo cable y al final del video se puede ver, que accidentalmente sintonicé la frecuencia a un valor "perfecto", que resultó en el trabajo exitoso de CCM, pero chirría en silencio todo el tiempo y especialmente durante el cambio de voltaje de salida. Además, la frecuencia está muy cerca del límite, siendo ~300 kHz. Debería haber subido un vídeo similar antes, lo siento. Aquí está el enlace para ello: https://youtu.be/tgllx-tegwo

Answer 1

Actualización

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

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

Esta combinación permite un 1% de tiempo muerto y una regulación más ajustada desde el 0% de PWM hasta el 99%. Pero compruebe el ajuste del tiempo muerto.

\===============================

Los componentes magnéticos pueden producir ruidos audibles, ya que contienen muchos elementos físicamente móviles, como bobinas, cintas de aislamiento y carretes. La corriente en las bobinas produce campos electromagnéticos que generan fuerzas de repulsión y/o atracción entre las bobinas. Esto puede producir una vibración mecánica en las bobinas, los núcleos de ferrita o las cintas de aislamiento, y el oído humano sólo puede oír el ruido, cuando la frecuencia de conmutación de la fuente de alimentación está en el rango de 20Hz a 20 KHz.

Posibles correcciones

• reducir las oscilaciones de flujo Bpp mediante la elección de Imax/Imin y la tasa de conmutación
• evitar las inversiones de flujo si se utiliza en modo DC con corriente CM con una carga mínima >=5%. ( no es lo ideal)
• minimizar la resistencia L , DCR que provoca un aumento de paso antes de la rampa de corriente y añade efectivamente ripple y por tanto ruido al lazo de control. Calcule la relación L/R y compárela con la constante de tiempo C*ESR para una tapa de baja ESR y así reduzca las constantes de tiempo del reactor.

La ferrita tiene dominios magnéticos que provocan histéresis cuando la corriente invierte su dirección. Excitando estos con la corriente a continuación, para volver a 0 A estimula un poco de vibración, pero ¿por qué?

Hipótesis

Si el subarmónico f/2 es inestable resultando ancho de pulso modulado y se mezcla con el principal 100kHz f utilizado en la tasa de ciclo de fondo, puede haber un chillido de audio salvaje superhet de 100k - 50k produciendo este sonido 0 a 50kHz.

• Los cambios en el filtro de retroalimentación es el filtro lead-lag puede mejorar esto.

Actualización #2

El Op ha descubierto por accidente cómo hacer un filtro de fase de plomo para mejorar la estabilidad https://m.imgur.com/nBEd18F La siguiente mejora es un filtro de fase "lead-lag" para optimizar el margen de estabilidad. Podría utilizar dos tapones y una R en serie en lugar de un tapón. Un casquillo es 10x más grande con una serie de aproximadamente 1/10 de la R utilizada controlando Vdc Tiene un mayor C y menor R para reducir el rango de tensión de corrección de plomo de pulso, pero no amplificar la ondulación demasiado entonces un 1/10 más pequeño casquillo de derivación en // con la retroalimentación R que actúa un HPF para reducir el contenido de alta frecuencia en los pulsos para reducir la ondulación 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 alta impedancia paralela // resonancia de 6MHz en su última curva que decae en < 10us. Esto se amortigua por la resistencia de la piel y la frecuencia más baja por la capacitancia de la piel + cuerpo. (?100k//200pF??)cuando se toca el disipador pero no es el problema del ruido.

Answer 2

La solución para resolver este problema es añadir una retroalimentación negativa, como se explica en este vídeo https://youtu.be/wNnOfF1NkxI?t=1584 . En primer lugar he añadido un condensador entre la salida y el pin de realimentación del TL494, parece haber solucionado el problema, pero no funciona tan bien como añadir una realimentación negativa adecuada. He hecho algunas pruebas, que demuestran esto: Al principio, aumento la corriente de 0A a 3A y luego cambio la frecuencia del oscilador de ~170 kHz a ~20 kHz y luego subo hasta el "choque" (supongo) del TL494 más allá de 300 kHz y luego vuelvo a ~170 kHz. Trazo amarillo - voltaje en el condensador del oscilador, Trazo azul - corriente que fluye a través del inductor. El inductor ahora no grita sino que sisea, depende del núcleo utilizado, porque cuando probé con EI, era menos perceptible (durante la noche la cinta se ha aflojado y el inductor comenzó a chirriar, ahora estoy experimentando con esmalte de uñas como una forma de pegar el núcleo y todavía ser capaz de desmontarlo), Esta prueba se hizo con un núcleo EE pegado de fábrica. La captura de pantalla de una aplicación "spectroid" se hace cuando la corriente de salida está a 3A y en la parte inferior se puede ver el momento de 20 kHz y en la parte superior 300 kHz.

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

Comentarios negativos https://youtu.be/h1AN7rQTDa4

Condensador https://youtu.be/7h7OzDj9q8Y

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

Por retroalimentación negativa y condensador, quiero decir:

Más tarde comprobaré si mi driver MOSFET push-pull funciona bien ahora. Si hay necesidad, puedo hacer una grabación más avanzada y mostrar la frecuencia generada por el inductor correspondiente a la frecuencia del oscilador.