El convertidor buck de alta corriente tiene un timbre excesivo y una mala regulación

Question

Estoy diseñando una fuente de alimentación para alimentar dos conjuntos de diodos acoplados por fibra para un láser de estado sólido. Los conjuntos de diodos necesitan una fuente de corriente controlada de unos 50 A y tendrán una caída de tensión de < 2,2 V. Las longitudes de onda de los diodos varían con la temperatura, por lo que necesito poder controlar la salida de corriente desde el umbral de tase del diodo (~12 A) hasta el máximo de 50 A.

Mi prototipo para esto utiliza un MAX20096 . A primera vista, esta pieza parece ideal: controladores buck síncronos dobles con control de MOSFET externo y una interfaz SPI para el control de la corriente y el estado del controlador.

Mis parámetros de diseño son:

• VIn: 8 voltios nominales (rango 7,3-8,4 V)
• Vout: 2,2 voltios
• Conjunto actual: 50 A
• Ondulación de entrada: 1%.
• Ondulación de salida: 1%.
• Frecuencia de conmutación: 500 kHz

Mi esquema para esto está abajo. Mis cálculos se basaron en la hoja de datos del MAX20078 - esta es una versión de un solo canal de la misma pieza y su hoja de datos era más completa. La hoja de datos del MAX20096 se centra principalmente en la interfaz SPI. Construí una placa prototipo para que las partes cruciales (mosfets, inductores) estén en una placa de circuito y no en una protoboard para minimizar el ruido y permitirme tomar medidas térmicas razonables:

Como carga, tengo dos diodos de alta potencia en serie con una resistencia de 100 mohm. He construido un programa simple en un Arduino para comunicarse con el MAX20096 y esto parece funcionar bien.

El MAX20096 me permite establecer la corriente como un % del máximo. He ajustado para una corriente de unos 2 A para probar y los resultados no son los esperados:

1. Todo el circuito suena como un loco. El ruido aparece por todas partes y es tan grave que satura la conexión en serie entre el Arduino y mi portátil, de modo que una vez que lo pongo en marcha no puedo leer el estado del chip de forma fiable.
2. La frecuencia de conmutación está muy lejos. Diseñé para 500 kHz pero estoy midiendo 100 kHz. Y la frecuencia no es lo suficientemente estable como para que el osciloscopio se fije en ella (¿quizá confundido debido al timbre?). He medido los valores de la red R/C que forma la selección de frecuencia y están dentro de la tolerancia.
3. No importa qué % de corriente máxima elija, siempre leo una salida de 3,1 A en un amperímetro conectado y el ciclo de trabajo es el mismo. Los 3,1 A varían si cambio la carga, así que esto no es regular en absoluto.
4. Cuando puedo leer el estado desde la interfaz SPI las lecturas de corriente del MAX20096 van aleatoriamente de 0 a 9 A. Esto es probablemente periódico pero no estoy leyendo lo suficientemente rápido.

Este es un ejemplo del timbre. El trazo amarillo superior es la salida, con una lectura de unos 2 V. La traza inferior es la entrada al inductor a unos 8 V. La frecuencia aquí es de unos 96 kHz (las lecturas de frecuencia del osciloscopio se confunden con el timbre):

Un acercamiento a la parte del timbre de la forma de onda muestra que está sonando a unos 4,5 MHz:

¿Alguna idea de lo que está causando esto?

Además, tengo algunas preguntas específicas sobre el MAX20096 si alguien tiene experiencia con él:

1. El chip utiliza osciladores independientes para cada canal y me preocupa que esto pueda establecer una frecuencia de batido en la alimentación de entrada que podría requerir un filtro de entrada mayor. ¿Sería mejor usar un chip con un solo oscilador que haga funcionar los canales fuera de fase? Estoy considerando el uso de la MAX17559ACJ+ y reconfigurarlo para la regulación actual. Esto requeriría más piezas para interactuar con un microcontrolador.
2. Estos convertidores síncronos se apoyan en el diodo de cuerpo para una cierta conducción en el MOSFET inferior para evitar los disparos. A altas corrientes, ¿sería mejor utilizar un gran diodo externo además del MOSFET?
3. ¿Por qué la frecuencia de conmutación está tan alejada?
4. ¿Por qué la lectura de la corriente desde la interfaz SPI está tan alejada? (Me pregunto si el excesivo timbre está causando ruido en las entradas de detección de corriente. No estoy usando una conexión kelvin a las resistencias de detección de corriente y podría estar recogiendo basura aquí).
5. La lectura del voltaje de la interfaz SPI también está muy lejos. Incluso leo valores aleatorios de los canales cuando están apagados. También podría ser debido al ruido aquí.

De todos modos, cualquier idea que pueda darme un empujón en la dirección correcta sería muy apreciada. Este es mi primer convertidor de dólar, así que estoy seguro de que hice un montón de errores de novato.

Answer 1

Es tu diseño. Vas a tener que rehacer tu trazado y hacerlo más caro. Todas tus otras preocupaciones no carecen de validez, pero esto es la raíz de las cosas. Ninguna de las otras cosas causaría un timbre tan malo.

Haz que otra persona lo revise antes de enviarlo la próxima vez.

1. Sus corrientes ya son muy grandes por lo que todos los parásitos inductancias parásitas importan más.
2. Esta es una placa de 2 capas sin plano de tierra (a menos que esté viendo las cosas mal) por lo que los bucles de corriente de retorno son inherentemente grandes. pero ni siquiera estás aprovechando ambos lados para minimizar el área de los bucles. Su enrutamiento tiene enormes bucles en él.
3. Tus resistencias de amortiguación de puerta no están situadas lo más cerca posible de las puertas del MOSFET, lo que permite un montón de anillos entre la puerta y la resistencia.
4. Tu controlador de puerta está demasiado lejos de tus MOSFETs para empezar y el enrutamiento no es óptimo para el área del bucle de corriente.
5. Todos tus tapones están demasiado lejos de donde tienen que estar (lo más cerca posible del CI y de los semipuentes del MOSFET). ¿Cómo es C1 68uF de todos modos? Tiene el mismo tamaño que el resto de los tapones, mucho más pequeños.

Answer 2

Comprueba la frecuencia del timbre: Apuesto a que corresponde a la constante de tiempo LC siendo L1 y L2 y C correspondientes a la capacitancia parásita de los respectivos FETs.

Si este es el caso, ningún cambio en el diseño ayudará, ya que la capacitancia e inductancia de la traza se verá empequeñecida por los parámetros mencionados anteriormente. El timbre es una propiedad intrínseca de los circuitos que conmutan cargas inductivas.

Este timbre puede reducirse añadiendo amortiguadores a los MOSFETs (tanto del lado de alta como de baja) que transforman el circuito LC en un RLC:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Answer 3

1. Tener la capacidad de medir la corriente de carga con una sonda de corriente conectada a un osciloscopio es esencial para evaluar los circuitos de accionamiento de corriente constante. Yo suelo añadir 2 visas de 20 milímetros de agujero en la traza de corriente de salida. Corto la traza entre las 2 visas y añado un bucle de cable 22 AWG lo suficientemente largo como para cogerlo con la sonda de corriente del osciloscopio. Una buena sonda y un osciloscopio deben tener un ancho de banda de al menos 10 veces la frecuencia de conmutación esperada. La sonda Tektronix TCP202A de 50 MHz es una buena opción. Debería poder pedir prestada o alquilar una de forma razonable.

2. Debe haber una capa de plano de tierra en su PCB.

3. Tus resistencias de detección del divisor de tensión, R11,12,13,14 están demasiado lejos del CI.