¿Controlar la tensión máxima (fuente de alimentación) cuando varía Vin?

Question

¿Existe una forma de regular la tensión continua máxima en un circuito cuando la tensión de entrada PUEDE superar la tensión deseada?

Estoy tratando de averiguar la fuente de alimentación / regulación para un ventilador donde el hoja de datos especificaciones para una entrada de 10,8v a 13,2v con un máximo de 4,6A. He probado el ventilador hasta 14,1v y no falló, así que hay cierto margen de error por encima de 13,2v.

Sin embargo, mi tensión de entrada puede variar de ~11,5v a 15,2v. El rango de funcionamiento normal es de ~12-14v. El consumo total de los ventiladores es de ~9,2 amperios (2 ventiladores).

He mirado lo siguiente:

1) Reguladores LDO - por lo general no pueden suministrar suficiente energía (incluso si se divide en dos circuitos, uno para cada ventilador), además de que tendría que establecer para un bajo voltaje para empezar (~ 11v) que terminaría perdiendo una buena cantidad de energía la mayor parte del tiempo.

2) Diodos de avalancha - Esto podría hundir cantidades significativas de corriente, lo que sería malo no sólo para la PCB, sino también por la química de la batería de la que se está extrayendo, ya que supondría un riesgo de incendio.

3) Reguladores de modo conmutado: por lo general, se necesita cierto margen por encima de la tensión de salida deseada, lo que no siempre es el caso.

4) Usar un diodo de potencia en serie para bajar el voltaje una cantidad arbitraria y simplemente disipar la energía desperdiciada. Ineficiente pero puede funcionar. El problema es que necesitaría que se hundiera ~1v en el extremo superior del rango de voltaje y menos que eso en la parte inferior (preferiblemente más cerca de 0,5v) que no parece posible en las hojas de datos que he estado mirando.

Hasta ahora el #4 parece la mejor de las opciones "no buenas".. Pero, ¿hay alguna opción que me esté perdiendo aquí?

Answer 1

Los reguladores de conmutación puede ir en ambos sentidos

Los reguladores de conmutación puede no sólo el paso hacia abajo de la tensión (como en un convertidor buck), pero puede dar un paso hasta la tensión (un boost converter), o incluso regular un voltaje que puede estar por encima o por debajo de la salida (tendría que utilizar un cuatro-interruptor de buck-boost o un SEPIC convertidor para esto). (También puede invertir la polaridad de la entrada, pero que no es ni aquí ni allí.)

Por desgracia, 9.2 es Un lugar fuera del alcance de un SEPIC como la topología SEPIC es capacitivo junto y realmente no se puede obtener condensadores que se puede manejar 9.2 Un de alta frecuencia de onda de corriente sin calentar un montón y causando otros problemas. Esto deja a los cuatro interruptor de topología como su principal opción. Además, usted necesitará utilizar un controlador y de la alimentación externa Fet a tan altas corrientes, como en el LTC3789 circuito se muestra a continuación:

Answer 2

Te ha faltado PWM (modulación por ancho de pulso). Utiliza un transistor / MOSFET grande para pulsar el motor a un ciclo de trabajo apropiado para dar la corriente media requerida al motor. Por ejemplo, dar el 100% de tiempo de encendido hasta 12 V cayendo al 80% a 15 V.

Preste atención a los diodos de protección fly-back adecuados. Estos deben ser capaces de manejar toda la corriente nominal del ventilador.

Answer 3

ThreePhaseEel tiene la respuesta correcta Como ya he señalado, pero me gustaría volver a dibujar el esquema para mi propia comprensión y para resaltar las partes importantes. Tal vez ayude a alguien más también.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Así que un Buck-Boost de cuatro interruptores es realmente uno seguido del otro, al menos como se dibuja en el ejemplo de TPE. El resto de los componentes son para la retroalimentación de corriente y voltaje en varios lugares o para ajustar la lógica del controlador.

Para simplificar el control a costa de algo de eficiencia, M2 y M3 podrían ser sustituidos por diodos. (ambos "apuntando hacia arriba") En realidad están incluidos parasitariamente en todos los FETs (M1-M4), lo que significa que un fabricante no puede deshacerse de ellos aunque quiera, así que cada símbolo como ese debería imaginarse con un diodo PN de silicio "ordinario" a través de él. La nota de aplicación pone un par de diodos schottky allí de todos modos porque su menor caída de voltaje resulta en menos pérdida de energía si alguna vez fueran a conducir. (pero aún así no es tan bueno como que sus respectivos FETs estén encendidos)

Answer 4

Otra posibilidad sería un regulador lineal rudimentario como:

La tensión de salida varía con la tensión de entrada algo así como:

Answer 5

El convertidor buck-boost es válido, pero parece que duplicará el precio del conjunto del ventilador de refrigeración y reducirá el MTBF (tiempo medio entre fallos) a una pequeña fracción de la vida del motor del ventilador.

El primer paso más obvio es dejar de resolver un problema que el cliente puede no necesitar que usted resuelva. No reconozco las especificaciones de su bus de alimentación en particular, pero parece que alguien está añadiendo márgenes de seguridad a un bus de alimentación de batería de plomo-ácido de 12v típico de un vehículo. 11v representa motor apagado o alternador fallado con batería agotada y alguna pérdida de cobre y un fusible de polisilicio a plena carga. Los 15,2v representan el motor encendido, el regulador de voltaje fallado, la batería sobrecargada y sulfatada, el bus de alimentación ligeramente cargado. Si algo de este rango puede ser empujado a sobrevivir durante 100 horas en lugar de las condiciones normales de funcionamiento, todos pueden ahorrar algo de dinero, pero a veces el camino al ingeniero jefe del sistema o de la plataforma es demasiado largo y las especificaciones no pueden ser saneadas.

La segunda solución más obvia es ponerse en contacto con algunos proveedores de ventiladores. No eres la primera persona que necesita un mayor rango de voltaje. Las plataformas militares suelen tener rangos mucho más grandes. Los proveedores de ventiladores tienen muchas más variaciones de diseño de motores de ventiladores y diseños de aspas/ruedas disponibles de lo que catalogan. Mantener el número de variaciones bajo mejora los volúmenes y el precio, y el espacio en las estanterías de los distribuidores, así que espere pagar más por un motor y o aspa/rueda poco común, pero al menos no se hundirá su MTBF al mismo tiempo. Lo mejor de esta solución es que, en la mayoría de las empresas, el departamento de compras querrá tomar la iniciativa y se encargará de buscar proveedores y de barajar las opciones, y sólo te involucrará para confirmar los detalles y una lista final de opciones aceptables. Ellos se encargarán de todas las llamadas telefónicas y de la documentación, y mantendrán el árbol de opciones que se están explorando para la dirección y harán el regateo de costes/volumen, y todos los vendedores de los proveedores seguirán invitándote a comer gratis en el bonito restaurante. Mínimo trabajo extra, alguien más tiene que reunir el estado y explicarlo a la dirección, y almuerzos gratis. Piénsalo.

Sólo aumenta la complejidad y el coste del sistema cuando no hay otra opción. En este caso, hay al menos 3 opciones para aumentar el rango de voltaje de los ventiladores utilizando motores de ventiladores ya disponibles con un rango de voltaje estrecho.

1) Utilizar un chopper PWM para cortar el pico de tensión RMS, dejar que llegue al 100% excepto cuando sea necesario. PLUS: mínima complejidad y esfuerzo de diseño, utiliza el magnetismo del motor para el suavizado reactivo. MENOS: no hay refuerzo de baja tensión, gran variación del flujo de aire Vmin a Vmax, necesidad de calificar los motores para la compatibilidad con el esquema PWM elegido, riesgo de coste de mitigación de EMI desconocido.

2) Utilizar un regulador de refuerzo y cambiar a un motor de mayor voltaje. PLUS: el voltaje constante del motor minimiza la variación del flujo de aire, el riesgo de coste de mitigación de EMI es limitado. DESVENTAJA: mayor coste, necesita refrigeración, necesita protección de motor atascado, añade importantes FITs (fallos en mil horas), tiene que cambiar la selección del motor del ventilador.

3) Utilizar un regulador buck y cambiar a un motor de menor voltaje. La entrada PWM al motor de 12v podría considerarse una variación de este esquema. Un convertidor buck aislado no es necesario y no es rentable. Las versiones rentables utilizarán un chopper y la reactancia del motor y lo menos posible, lo que sugiere un voltaje nominal del motor cerca de Vmin. PLUS: Bajo coste, mínima complejidad añadida, baja variación del flujo de aire MINUS: añade FITS y $, cambia el motor, debe calificar los motores compatibles con el esquema PWM elegido, riesgo de coste de mitigación de EMI desconocido.

Ten en cuenta que todos los esquemas de control del motor tienen que ser lo suficientemente robustos como para soportar la corriente de rotor atascado para arrancar el motor, no sólo la corriente media de funcionamiento, pero puedes hacer compensaciones de complejidad sobre la carga de arranque a corto plazo frente a los problemas de sobrecalentamiento y quemado del rotor atascado.

Si el rango de voltaje tiene que ser soportado, un motor que lo acomode con una protección adecuada contra el sobrecalentamiento es seguramente la opción de alto MTBF y el menor NRE (coste de ingeniería no recurrente) y es muy probable que sea también el menor coste por unidad.