Problema com MOSFET e conversor CC Buck.

[MatheusLPS]

Olá pessoal, estou tentando desenvolver um conversor buck simples.

Mas estou com problemas com a parte inicial do circuito que é o chaveamento do Mosfet IRF5210.

Bem, ele é um mosfet tipo P. Com 0V ele passa a conduzir e com VCC ele pára de conduzir. Correto?

Ok, então encontrei um projeto por aí com um circuito buck e comecei a simular para ver como funciona e tal.

Mas vou mostrar pra vocês as formas de onda na saída e talvez alguém possa me ajudar.

Montei o seguinte circuito para testar o chaveamento do FET:

A princípio está funcionando muito bem. Se eu coloco 5V no transistor NPN de baixo, o FET nao conduz e quando aterro, ele conduz. Ok.

Fui aumentando a frequencia do chaveamento aos poucos:

5V 1Khz:

5V e 10Khz ele ainda funciona legal:

O problema começa agora, com 50Khz a onda fica assim:

Subindo mais fica assim:

O pior acontece agora:

Como podem perceber, quando a frequencia está muito alta, o FET não "descarrega" muito rápido e acaba que tenho uma tensão na saída que não diminui.

O que pode ser isso?

Entendi o funcionamento dele todo errado?

O projeto que pretendo seguir é esse:

http://www.bineco.dk/ellert/smps.htm

Não sei que lingua é essa....

Obrigado desde já.

Falou

[samuel.gonzales]

Como está o sinal no gate, no pior caso?

[MatheusLPS]

Bem, plotei alguns ciclos para que dê uma olhada.

Estou colocando 5V no transistor de baixo e 300Khz:

Pelo que pude perceber, a tensão no Gate fica variando entre 5V e 9V mais ou menos.

Falou

[Leandro DL]

Bem, plotei alguns ciclos para que dê uma olhada.

Estou colocando 5V no transistor de baixo e 300Khz:

Pelo que pude perceber, a tensão no Gate fica variando entre 5V e 9V mais ou menos.

Falou

Qual a vantagem em utilizar um conversor desse tipo à colocar o próprio FET como regulador (como se fosse um regulador de tensão a transistor bipolar)?

[Zin]

Bem, plotei alguns ciclos para que dê uma olhada.

Estou colocando 5V no transistor de baixo e 300Khz:

Pelo que pude perceber, a tensão no Gate fica variando entre 5V e 9V mais ou menos.

Falou

Este sinal no gate é o seu problema, o ideal seria uma onda quadrada.

[MatheusLPS]

Sim, concordo.

Mas como farei isso?

Meu grande problema é o chaveamento que nao estou conseguindo sucesso com frequencias altas.

Falou

[Felipe Electronic]

De volta ao CdH...que bom ja tava com saudade kkkkk

Bem Matheus vou tentar explicar o que ocorre, o caso é que MOSFETS em geral possuem uma capacitancia algo elevada formada entre os terminais gate e source, o problema se agrava quando o resistor de gate RG tem tal valor que em conjunto com a capacitancia este forma uma constante de tempo (lembra do Tau?) que deixa o MOSFET lento a comutacao, e no momento em que mudamos o estado do gate, o MOS ja esta estão lento que a a mudanca no gate ja ocorreu e o mesmo ainda esta com a tensão VDS caindo (ou crescendo) resultando em uma forma de onda como essa ai que você mostrou.

ok e tem como contornar o problema? em alguns casos sim, a utilizacao de resistores de valor baixo para RG melhoram (e muito) as caracteristicas de comutacao do MOSFET, pois com isso reduzimos o efeito da rede RC formada.

Vale lembrar que você esta fazendo o drive do FET a partir de BJTS (TR bipolares) que sendo de uso geral possuem uma resposta degrau beeem sub-amortecida, ou seja e uma somatoria de delays, pois o bipolares ja sao lentos a partir de 100K (os de uso geral) para contornar você pode fazer o chaveamento com BJTS da serie 2n2222A e seu equivalente (que nao lembro o codigo) que conseguiem trabalhar acima de 1MHz.

Se isso nao resolver acredito que a solucao seja polarizar o MOSFET por driver dedicado ou mesmo por um fet que sua tensão VGS seja bem baixinha para você aciona-lo com um mmicrocontrolador por exemplo. ( Eu e um membro do forum estamos fazendo uma experiencia de conversor buck utilizando um microcontrolador PIC, o hardware esta funcionando que e uma beleza, e a malha de controle ta quase la).

Fico aguardando a montagem do buck e qualquer duvida da um toque por MP que eu passo aqui e posto.

Abs.

[Leandro DL]

Sim, concordo.

Mas como farei isso?

Meu grande problema é o chaveamento que nao estou conseguindo sucesso com frequencias altas.

Falou

Pode não adiantar de nada, mas tente mudar o valor de R2 para 47R e adicione em paralelo a ele, um diodo 1N4148 com o catodo ligado ao GATE do FET.

[Felipe Electronic]

Pode não adiantar de nada, mas tente mudar o valor de R2 para 47R e adicione em paralelo a ele, um diodo 1N4148 com o catodo ligado ao GATE do FET.

entendi, mas nesse caso estariamos aumentando o tempo de carga do gate não?

@Matheus, lembre - se que você nao precisa de corrente para acionar um MOSFET e sim tensão portanto transistores de potencia nao vão te ajudar em muita coisa em termos de robustez.

Abs.

[MatheusLPS]

Olá Felipe, acredito que o membro do fórum que vocês está ajudando é o Dani_Piresk, nome dele é Daniel.

Esse projeto na verdade estamos fazendo "juntos" mas ele está mais avançado no assunto e eu fiquei para trás com esses dúvidas.

Hj a tarde durante o trabalho li um monte de pdsf e aplications notes sobre o assunto e realmente cheguei a ver essa capacitância no gate.

Quando postei esse circuito aqui, eu ainda não havia modificado para o 2n2222 e seu complemento 2N2907. Mas já estou utilizando os mesmos e o resultado na simulação nao foi muito diferente.

Estou usando o Proteus para simular. Mas de toda forma, esse dúvida que postei aqui eu descobri ela por acaso.

Estava lá eu simulando e minha tensão de saída do BUCK nao diminuía por nada. Aí dei um zoom e percebi essa "anomalia" no FET.

Sua ideia de utilizar um CI dedicado para chavear é boa, mas como estava discutindo com o Daniel, seria mais conveniente aprendermos como funciona de forma discreta e não depender do CI, entende? Pelo menos nesse começo.

Bom, meu circuito final usará um PIc também, por isso escolhi uma FET tipo P pois consigo chavear mais facilmente com o PIC.

Mas o meu circuito BUCK é o mais simples:

Com 5V no transistor e 15Khz.

Agora falta resolver essa questao do FET e calcular os componentes certinho de acordo com a frequencia.

Depois botar o PIC lendo a saída através de um divisor resistivo e ajustar o duty cicle para coincidir com um Vref qualquer.

Aí tem que ver um tal de soft start e mais um monte de coisa.

Mas aí vou me contar com o feijao com arroz por enquanto para entender.

Falou

[samuel.gonzales]

Faça um teste, coloque um capacitor de 1n, em paralelo com o resistor que vai ao gate do fet. Isso vai 'levantar um pouco' o pulso.

[Leandro DL]

entendi, mas nesse caso estariamos aumentando o tempo de carga do gate não?

@Matheus, lembre - se que você nao precisa de corrente para acionar um MOSFET e sim tensão portanto transistores de potencia nao vão te ajudar em muita coisa em termos de robustez.

Abs.

Com isso, creio que irá reduzir o tempo de descarga do FET e não irá alterar no tempo de carga dele, mas parece que minhas idéias não são muito úteis aqui e minhas dúvidas também são meio que invisíveis .

Mas estou aqui tentando entender o funcionamento de um conversor BUCK e tentando entender sua real utilidade. Eu já usei reguladores com MOSFET tipo P e um CI comparador de tensão ou coisa parecida.

Tentarei entender a vantagem de um BUCK em relação à ele.

Sem mais para o momento....

[MatheusLPS]

Leandro, um conversor buck comparado a um conversor comum linear é bem mais vantajoso.

Primeiro que ele esquenta menos. Já tentei fazer 30VCC abaixar para 3V utilizando algum circuito linear?

Cosegue perceber o tamanho da energia que será dissipada em forma de calor? O buck é bem mais eficiente.

Vou fazer o teste recomendado e volto.

EDIT:

Desculpem as imagens muito grandes na resolução, mas é para que todos possam ver as ondas com clareza.

Samuel, segue seu conselho mas não resultou em nada.

Bem, retirei o resistor R3 de 1K e mudei mais uma configuração no proteus e tirem suas comclusões abaixo:

Seguinte, fui fuçando no Proteus e reparei que meu sinal de entrada de 5V se configura por essa aba:

Reparem na opção Rise Time (sec) e Fall Time (sec). Estava utilizando com 100n nos dois. Daí fui e mudei para 1u cada.

Para minha surpresa o BUCK começou a funcionar todo!

Vejam:

Sinal de entrada em 5V 15Khz e duty em 10%:

Sinal de entrada em 5V 15Khz e duty em 50%:

Sinal de entrada em 5V 15Khz e duty em 80%:

Sinal de entrada em 5V 15Khz e duty em 50% e ZOOM na onda entre 10mS e 30mS para vermos a saída do BUCK:

Parece que o ripple está alto, não, não está! Vejam na parte inferior direita em amarelo. Apenas 17mV:

Posso ficar feliz por hora?

Parece tudo nos conformes! o que acham?

Bom, agora preciso estudar sobre o Soft Start. Para atenuar a oscilação no início do tempo.

E vou testar um PIC conectado com realimentação da saída para ver se ele dá conta de ajustar o duty cicle de acordo com uma Vref.

EDIT 2:

Voltei com o R3 mas dessa vez ao invés de 1K botei igual ao R4, 680ohms e funcionou da mesma forma.

EDIT 3:

Conectei o PIC e estou lendo a tensão de saída com um divisor resistivo. Continua sendo um teste, nada definitivo.

Com 15Khz funcionou. Mas com 50Khz e variando o duty cicle para atingir a Vref de 9V, vejam:

Sweet:

Ripple?

Nooooo

Função soft start adcionada..... agora a tensão aumenta em forma de rampa.

O que posso melhorar nesse circuito?

EDIT 4:

Aumentei a frequencia para 76Khz e diminui a entrada da alimentação pata 11V.

A saída continua com 9V e 2A:

Com a palavra, os especialistas....

Falou

[Felipe Electronic]

Nossa Mateus muito bom,gostei da resposta transistoria dele, a do Dani esta levemente melhor porque ja estamos quase no fim do projeto, mas para um teste preliminar a evolução foi bem grande.

Bem você falou em melhorias eu tenho uma para explorar um pouco de software e um pouco da capacidade de estudo sua, tente adicionar um compensador por software para melhorar a resposta transitoria ou seja reduzir o overshoot e melhorar o tempo de correção da tensão de saida caso a de entrada varie, isso o conversor esta fazendo, mas quer ver algo legar, fique variando a tensão de entrada continuamente e repare como vai ficar a saida.

Vai ser muito bom pra você estudar um pouco sobre sistemas de controle em cima disso dai.

Outra sugestao, quando eu disse para acionar com drive nao falei para vocês simplesmente colocarem o mesmo la, mas entender o que tem ali dentro e porque funciona melhor que uma solucao discreta. ou seja estudem o datasheet do componente e veras porque a bagaca fica melhor com ele.

E por fim, utilize um MOSFET da familia ir'L'z que possui gate logico que consegue saturar direto com o sinal do PIC, isso mesmo sem driver e sem delay, no proteus temos o IRLZ44N que serve pra você brincar com ele. vais gostar muito dos resultados e da menor complexidade do circuito.

E vou continuar a disposicao no que vocês precisarem, se o projeto ficar bem legal, fica aqui minha ultima sugestao, publicarmos nos tres(o Dani também) um paper de como funciona esse tipo de conversor. Como primeiro intuito postar aqui no CdH para a galera depois quem sabe publicar como artigo, o que acham?

Abs.

[Dani piresk]

Felipe, da uma olhada na curva que consegui sem o PIC:

http://imageshack.us/photo/my-images/818/vout.png/

Acredito que já da para partir pro software, não?

Depois pretendo fazer um artigo sobre fontes chaveadas, Buck e Boost!

OFFTOPIC:

Tá vendo só como minhas sugestões foram uteis Matheus? :P

[Felipe Electronic]

@Dani,

A resposta ta boa, mas ainda esta sub-amortecida, seu buck pelo que percebi tende a ficar lento com o tempo e desenolver o que chamamos de erro de valor final...Maaaaas como seu conversor esta apenas com um P la dentro do PIC, agora é so melhorar isso ai no SW...colocando um fator integral para matar o problema de offset.

@Matheus,

Sem comentários, o resultado está ótimo, agora é sw para corrrigir o que ainda precisa.

Abs.

[MatheusLPS]

Que bom que tenha gostado Felipe.

Eu já havia testado com os IR"L"..

Mas aí troquei uma ideia com o Dani e pensamos em não usar pela dificuldaded e encontrar por exemplo o IRLZ34N...

Aí decidimos tentar utilizar um FET comum para ver como se sairia.

Bom, sobre suas dicas:

1- compensador por software para melhorar a resposta transitoria.

Isso seria para amenizar aquele pico que dava no início do tempo?

Vi uns circuitos compensadores por hardware mas nao entrei em detalhes neles pois queria a parted e chaveamento 1º. Vou dar uma pesquisada nesse assunto aqui.

2- reduzir o overshoot e melhorar o tempo de correção da tensão de saida caso a de entrada varie.

Estou fazendo esse testte agora mesmo. Coloquei uma tensão "senoidal" na entrada com um offset de 12V e amplitude de 1V. Ou seja, a tensão na entrada do BUCK fica variando entre 11 e 13V em uma taxa de 25Hz....

Nesse cenário, não tenho aquela rampa bonitinha mais e nem 9V na saída cravados. Mas vou faezr mais testes para melhorar.

Sobre publicarmos um texto sobre o assunto eu acho ótimo.

Temos que começar a mostrar para o pessoal que é possível fazer uma fonte com elevada eficiência. Mesmo que seja um pouco mais dfícil que uma fonte linear.

Bom, deixa eu voltar para as leituras e para as simulações agora que cheguei do trabalho.

Falou

[Felipe Electronic]

Ok, quanto aos IRL ja falei com o Dani, existe um bem fácil de achar que é o IRLZ44N e nao 34, e além do mais esse tem um equivalente MTP52n06V. pensem nisso.

Abs.