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UVLO para el circuito del cosechador de energía

Se puede encontrar una buena información sobre el problema en el documento: ( Reglas de diseño de bloqueo de tensión para el correcto arranque de sistemas energéticos autónomos alimentados por supercondensadores ).

El documento anterior parece sugerir que un comparador de histéresis que maneja un interruptor de lado alto es el mejor enfoque. Pero el diseño real queda un poco confuso.

Este es el circuito de ejemplo:

schematic

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Un LTC1540 conduce un N-MOS a un P-MOS para conmutar el lado alto de la carga. Supuestamente V-alto es 3,6V y V-bajo es 3,2V en esa configuración.

Así que las preguntas:

1a) ¿Es ésta la mejor manera de hacerlo?

1b) ¿Hay algún método más sencillo que sea casi tan bueno?

2) ¿Cómo se calcula el valor de los componentes para obtener la ventana de histéresis deseada? La matemática parece algo complicada y no he encontrado ninguna guía buena al respecto.

3) ¿Cómo funciona realmente el comparador de ejemplo? Tiene el pin HYST conectado a un CAP en GND, normalmente habría pensado que algún tipo de divisor de voltaje estaría conectado a HYST?

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ozmank Puntos 127

1a) ¿Es ésta la mejor manera de hacerlo?

El seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para la regulación depende de la corriente de la fuente en el rango del 72% al 82% de la tensión en circuito abierto, Voc. Este modo histerético o burp es análogo al método de los reguladores MPPT que operan en modo lineal mediante el seguimiento de V/I=Zo la impedancia de carga se iguala en la línea de carga para MPPT.

La recolección de cualquier fuente de corriente como ésta y las FV tienen relaciones MP similares de Voc.

Un método de transferencia de carga resonante LC sería mucho más grande, más caro y menos estable.
Así que no se me ocurre una forma mejor. ¿Y tú?

La tapa en HYST es por razones de estabilidad, como un oscilador de relajación del inversor Schmitt para regular el punto de funcionamiento.

1b) ¿Existe un método más sencillo que sea casi tan bueno?

Tal vez, pero ¿quieres que sea más simple? o más barato? Las matemáticas pueden ser complicadas, pero mira lo barato que es esto.

2) ¿Cómo se calcula el valor de los componentes necesarios para obtener la ventana de histéresis deseada? La matemática parece algo complicada y no he encontrado ninguna guía buena al respecto.

Los puntos de ajuste son una función de la brecha de banda Vref , y las relaciones R, por lo que utilizaría una hoja de cálculo con la fórmula y trazar los resultados de las funciones de transferencia de las fórmulas dadas o utilizar SOLVER para iterar una variable y calcular las soluciones y utilizar los criterios que dan o mi rango de 72% a 82%Voc para la entrada de transferencia de potencia baja a máxima y luego simular con una fuente de corriente débil variable para validar los resultados. He hecho esto (método de Excel) para diseñar con éxito un control de velocidad del ventilador histerético cuasi-lineal con la resistencia del termistor entre 45'C y 50'C utilizando un LM317 y un NPN en Vadj.

3) ¿Cómo funciona realmente el comparador de ejemplo? Tiene el pin HYST conectado a un CAP en GND, normalmente habría pensado que algún tipo de divisor de voltaje estaría conectado a HYST?

Mi conjetura inicial es que las relaciones R internas para un % fijo de histéresis de la retroalimentación positiva se reducen por la retroalimentación negativa y se invierten para que la histéresis tenga un control de voltaje en lugar de un control de relación R de 0,8mV/V_hyst enter image description here

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En cuanto a 1b), "más simple" en mi mente = menos componentes y/o menos matemáticas. Dudo que sea mucho más barato. Además, el consumo de corriente de ese diseño es muy bajo, lo que es una consideración importante para la recolección. Aunque para mi diseño el LTC1540 puede no ser adecuado, ya que necesito estar funcionando por debajo de 2V.

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aryeh Puntos 1594

Por favor, facilite los enlaces de las hojas de datos de los circuitos integrados utilizados.
Hoja de datos del LTC1540

El pin de hyst debe conectarse a Vref para deshabilitarlo - no dejarlo flotando como se muestra.

El diseñador del circuito ha añadido histéresis convencional utilizando R3 como retroalimentación.

Ref se utiliza para proporcionar un umbral de referencia en in-.
Vcap se reduce mediante R1 y R2 para igualar Vref en in+ cuando se alcanza el umbral de conmutación. Cuando in+ es mayor que in- OUT se pone en alto y acciona la puerta M1 a través de R4, encendiendo M2 y habilitando la carga.

R3 proporciona histéresis tirando del voltaje en in+ más alto cuando el FET está encendido y más bajo cuando está apagado.
R1 + R2 para una resistencia equivalente de R1.R2/(R1+R2) o unos 0,85 megaohmios. Así que R3 de 20 megaohmios es aproximadamente 20/0,85 = 24 veces más grande por lo que un Igualdad de tensión en OUT alterará in+ en un 4% aproximadamente.

REF es 1,182V y OUT es aproximadamente Ref x (R1+R2)/R2 =~ 3,44V
Así que R3 tendrá un efecto algo mayor ya que VOUT es mayor que Vref por un factor de 2,9 .

SO ... Oscilación de histéresis ~~~~= Vref x 2,9 / 24 = 0,14 V.
Cuando VOUT baja, R3 tira de IN+ hacia abajo y como Vout=0 no está tan por debajo de Vref como lo estaba cuando Vout estaba alto (¿confundido ya? :-) ) no tiene tanto efecto cuando va en negativo.

Así que la oscilación reclamada parece algo más grande de lo que esperaría. Pero es fácil equivocarse en estas cosas. Comprobar mis cálculos es un ejercicio para el estudiante :-).

Cuando se diseña la histéresis que importa en tales situaciones, puedo restringir la oscilación "vista" por la red de retroalimentación para que sea simétrica O añadir un diodo en una dirección para obtener la histéresis en un sentido y la histéresis eliminada en el otro. Esto es lo mismo en la práctica que tenerlo en ambos sentidos, pero es MUCHO más fácil de diseñar.

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¿Existe una buena razón para NO utilizar el pin HYST? Parece impar utilizar un comparador que ha construido en la histéresis y luego utilizar una resistencia entre In / Out en su lugar?

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Todavía estoy un poco confundido en el valor de R3 ... R1 y R2 tienen sentido, sólo tienen que escalar Vcap para igualar REF en el voltaje ON? El uso de un diodo en una dirección suena bien para mí, ¿cómo sería? ¿Sólo un diodo en paralelo con R3?

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@hekete No veo ninguna buena razón para no usar el pin HYST Y no lo conectaron correctamente, por lo que puede que no lo hayan entendido. En el datasheet se explica su uso y podrías quitar R3. | Uso de R3. - Cuando OUT está alto R3 inyectará corriente en IN+. La expresión para la tensión en IN+ es " (Vin - Vin+)/R1 + (Vout-Vin+)/R3 = Vin+/R2. es decir I_R1 + i_R3 = i_R2. Resuelve la primera ecuación para Vin+. | Vin+ = (Vin/R1+Vout/R3)/(1/R2 + 1/R1 + 1/R3) -> no me culpes. Por eso uso un diodo :-). El diodo está en SERIE con R3. Eso fue R3 tiene efecto en una sola dirección. ...

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graycrow Puntos 1175

Voy a responder a mi propia pregunta para consolidar la información. Gracias por las respuestas que me han llevado a entender esto. Voy a dedicar la mayor parte de mi tiempo a responder cómo encontrar los valores, pero las otras respuestas son:

1a) ¿Es la mejor manera? Más o menos, porque: El bajo coste de los componentes y la posibilidad de diseñar un consumo de corriente extremadamente bajo para suministrar la mayor cantidad de energía cosechada a la carga.

1b) ¿Existe un método más sencillo? Sí, existen más CI monolíticos para la recolección de energía que incluyen una funcionalidad similar. PERO, cuestan más y utilizan mucha más corriente para conseguir el mismo resultado.

3) ¿Cómo funciona el ejemplo? El ejemplo es realmente erróneo. Todavía puede funcionar, pero el pin HYST debería estar conectado a REF si vas a usar una red de retroalimentación positiva externa como en el ejemplo con ese CI.

2) ¿Cómo se calculan los valores? Inicialmente, los valores reales de Ohm no son importantes. Lo que quieres calcular son los RATIOS de R1 y R2 en relación con R3.

Como referencia, aquí está su circuito comarador de voltaje genérico con retroalimentación positiva:

schematic

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Su punto de partida es decidir el V alto punto de disparo y la banda de histéresis (que no es más que la diferencia de tensión entre sus puntos de disparo alto y bajo). También necesitas saber qué es Vref, por supuesto.

Una vez que tengas esos tres valores, estarás listo para calcular las relaciones R1 y R2. Deja que R3 = 1 en todas las ecuaciones, ya que eso dará el resultado como relación con R3.

Las dos fórmulas que utilizaremos son:

$$ \text{High trip point will be: } \left( V_{\operatorname{high}} \right) \text{ and Hysteresis band will be: } \left( V_{\operatorname{band}} \right)\\ \operatorname{R1} = \operatorname{R3} \left( \frac{V_{\operatorname{band}}}{V_{\operatorname{cc}}} \right) \text{ and } \operatorname{R2} = 1 \left/ \left( \frac{V_{\operatorname{high}}} {V_{\operatorname{ref}} \times \operatorname{R1}} - \frac{1} {\operatorname{R1}} - \frac{1} {\operatorname{R3}} \right) \right. $$

Recuerda que R3 = 1, así que podemos eliminarlo completamente de la ecuación de R1. Una vez que resuelves esas dos ecuaciones tienes la relación entre R1->R3 y R2->R3. Ahora sólo es cuestión de seleccionar un valor real para R3 y puedes multiplicar esas relaciones con el valor para obtener tus valores reales.

Entonces, ¿cómo elegir R3? Hay dos consideraciones, en primer lugar quieres que sea un valor bastante grande para utilizar una cantidad muy baja de corriente. Pero no puede ser tan grande que no entregue suficiente corriente para que realmente funcione.

¿Cuánta corriente tiene que suministrar? Eso depende de tu dispositivo, pero los valores que he visto suelen sugerir que debe entregar una corriente de polarización de entrada * 10 como mínimo y * 100 es lo recomendado. Así que si tu dispositivo tiene una corriente de polarización de entrada de 5nA, querrás que R3 entregue 5uA en el punto mínimo siguiendo los valores recomendados.

Una vez que sepas cuánta corriente quieres que pase por R3, calcular su resistencia es sólo cuestión de usar la ley de Ohms (V=IR). Pero hay dos valores de V con los que funcionará. Puede ser a V = Vref o V = Vcc - Vref. Tendrás que calcular ambos y luego seleccionar el que sea menor.

Si dejamos que la corriente sobre R3 se llame I3, entonces las dos fórmulas para R3 son:

$$ \operatorname{R3} = V_{\operatorname{ref}} / \operatorname{I3} \text{ and } \operatorname{R3} = \left( V_{\operatorname{cc}} - V_{\operatorname{ref}} \right) / \operatorname{I3} $$

Ahora que tienes R3, sólo es cuestión de multiplicar las proporciones que obtuviste para R1 y R2 con este valor.

Aplicando estos conocimientos al ejemplo original, parece que los valores que se dan en él están algo desviados. Así que repasemos ese ejemplo y averigüemos cuáles deberían ser los valores.

El ejemplo no nos dice qué es Vcc y si trabajamos hacia atrás a partir de los valores que se dan, Vcc tendría que ser 3,21V para dar esos valores. Lo que no tiene ningún sentido ya que el punto de disparo de Vhigh fue declarado como 3,6V. Así que vamos a ir con un valor más sensible y decir Vcc es 4V.

Los valores con los que empezamos son: $$ \begin{eqnarray*} V_{\operatorname{cc}} &=& 4\text{v}\\ V_{\operatorname{ref}} &=& 1.182\text{v}\\ V_{\operatorname{high}} &=& 3.6\text{v}\\ V_{\operatorname{band}} &=& 0.4\text{v}\\ \end{eqnarray*} $$

Ahora calcula R1 y R2 utilizando las fórmulas anteriores:

$$ \operatorname{R1} = \frac{0.4}{4} = 0.1\text{, } \begin{eqnarray*} \operatorname{R2} &=& 1 \left/ \left(\frac{3.6}{1.182 \times 0.1} - \frac{1}{0.1} - 1 \right) \right.\\ \operatorname{R2} &=& 1 \left/ \left(\frac{3.6}{0.1182} - 10 - 1 \right) \right.\\ \operatorname{R2} &=& 1 \left/ 19.4568 \right.\\ \operatorname{R2} &=& 0.051 \end{eqnarray*}\\ $$

A continuación tenemos que determinar cuál puede ser el mayor valor de R3. Mirando la hoja de datos, el Input Bias (o Input Leakage) tiene un valor máximo de 1nA. Usando la regla de *100 esto significa que R3 debe entregar 1uA en el punto mínimo.

Calcular los dos posibles extremos de R3 utilizando R = V/I:

$$ \begin{eqnarray*} \operatorname{R3} &=& 1.182 / 0.000001 \text{ and } \operatorname{R3} &=& \left( 4 - 1.182 \right)/0.000001\\ &=& 1.18M\Omega &=& 2.81M\Omega\\ \end{eqnarray*} $$

Finalmente multiplicamos los ratios calculados anteriormente por R3 y obtenemos nuestros valores finales de:

R1 = 118K
R2 = 60K
R3 = 1,18M

Ahora que está utilizando un valor muy conservador para R3, sin duda podríamos ir más grande que reduciría aún más la corriente utilizada por el UVLO. Entonces, ¿cuáles serían esos valores si vamos con el original 20Meg para R3? En primer lugar, eso haría que I3 fuera de 59,1nA, lo que todavía está muy por encima de la fuga de 1nA. Así que probablemente funcionaría bien, la precisión podría sufrir un poco.

Con R3 = 20M obtendríamos R1 = 2M y R2 = 1,02M .

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Si alguien puede comprobar que no he cometido ningún error, sería estupendo.

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