Warum kann mein 555-basierter DC-DC-Aufwärtswandler nicht einmal 3 Milliampere bei 12 V liefern?

Ich hoffe jemand kann mir helfen. Ich habe mir in den letzten Wochen die Haare ausgerissen und versucht, eine einfache DC-DC-Boost-Schaltung herzustellen.

Wenn es nicht geladen ist, gibt es schöne 12-Volt-Volt aus, aber sobald ich sogar 3 mA ziehe, fällt es auf ungefähr 6,7 Volt ab. Es ist einfach zu schwach, um irgendeinen Strom zu liefern.

Ich habe zunächst einen Mikrocontroller ausprobiert, dann aber auf ein 555-basiertes Design umgestellt und dachte, dass möglicherweise die Firmware die Ursache des Problems ist. Es stellte sich heraus, dass es nicht war.

Mein aktuelles Design sieht so aus (und kann hier simuliert werden ):

Ich habe es mit Photoshop auf ein Steckbrett gelegt. Der rote Punkt ist die Ausgabe und es fehlt der zweite Zener (weil ich ihn später hinzugefügt habe).

Hier sind einige Bilder von meinem Steckbrett:

Ohne Zenere und ohne Last schwimmt der Ausgang natürlich bis zur 20-V-Marke. Mit nur dem ersten (13V) Zener bekomme ich ungefähr 14V am Ausgang. Mit dem zweiten Zener bekomme ich ca. 12,2V. Bis ich versuche, ein paar mA zu zeichnen.

Ich brauche es, um ungefähr 15 mA bei 12 V von einer 5 V-Quelle mit nicht mehr als ungefähr einem halben Volt Welligkeit zu versorgen. Das ist alles was ich brauche. Und das kann ich einfach nicht erreichen.

Ich habe versucht, auf einen 1-mH-Induktor umzusteigen. Ich habe versucht, eine schöne saubere Rechteckwelle aus einem Mikrocontroller herauszuholen. Ich habe Frequenzen zwischen 8 kHz und 40 kHz ausprobiert. Ich habe Arbeitszyklen von 40% bis 80% versucht; Ich habe versucht, den Widerstand von R2 zu ändern. und ich habe die Schaltung auf der tatsächlichen Leiterplatte anstelle des Steckbretts zusammengebaut. Alles ohne Erfolg.

Kann mir jemand erklären, warum ich so viele Probleme habe?

EDIT: Der Induktor ist bekanntermaßen für die Aufgabe geeignet, da ich einen erfolgreich in einem anderen Projekt verwendet habe:

Zugegeben, diese hatte eher eine Schottky-Diode als eine normale Signaldiode, aber das war auch nicht das Problem.

BEARBEITEN:

Hier ist das andere Projekt, das glücklich 9,2 mA bei 11,5 V liefert:

EDIT: Es gab einige Debatten darüber, dass der 555 für die Aufgabe ungeeignet ist. Als Antwort darauf hier einige Bilder meines ersten Entwurfs. Wie Sie sehen können, basierte es auf einem Mikrocontroller und befand sich auf einer Leiterplatte. Es wurden Frequenzen von 8 kHz bis 40 kHz und Arbeitszyklen von 40% bis 80% versucht.

EDIT: Oszilloskop-Messwerte für den Ausgangspin des 555:

Oszilloskop-Messwerte für den Transistor-Emitter (vor einem 2Ω-Widerstand):

Designanforderungen aus der Frage angepasst:

- Vin = 5V nominal (I assume 4.75V minimum)
- Vout = 12V nominal, +/- 0.5V ripple
- Iout = 15mA peak

Da ich Anwendungsingenieur bei Maxim Integrated bin, habe ich schnell nach Teilen gesucht, die diese Anforderungen erfüllen. Unabhängig davon, ob Sie bei Maxim kaufen oder nicht, sollten Sie sich das Evaluierungskit MAX1771 ansehen : https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX1771EVKIT.pdf

Um fair zu sein, gibt es andere Unternehmen, die konkurrierende SMPS-Controller herstellen. Suche nach " Simple Switcher ". Wenn Ihr Ziel nicht so sehr darin besteht, zu lernen, wie man ein SMPS erstellt, und Sie nur etwas wollen, das funktioniert, schauen Sie es sich an. Die 555-Schaltung versucht nicht einmal, den Ausgang zu regulieren. Maxim und seine Konkurrenten stellen seit den Anfängen der Oberflächenmontagetechnologie Anfang der neunziger Jahre SMPS-Steuerungen her. Wir haben eng mit vielen Herstellern von Induktivitäten, Kondensatoren, Dioden und MOSFETs zusammengearbeitet, um Komponenten zu entwickeln, die für kleine DC-DC-Wandler optimiert sind.

Da Ihr Iout nur einen Spitzenwert von 15 mA hat, lohnt es sich auch, eine "moderne" geregelte Ladungspumpe wie die regulierte 12-V-, 30-mA-Flash-Speicherprogrammierversorgung MAX662A in Betracht zu ziehen ( ok, ok, mit "modern" meine ich neuer als der ICL7660. MAX662A stammt aus 1994. )

Viele der einphasigen Schaltprodukte stammen aus dieser Zeit. Der größte Teil des Konstruktionsaufwands entfällt jetzt auf integrierte PMIC-Schaltkreise (Power Management Integrated Circuits), die das Batteriemanagement und mehrere Stromschienen übernehmen.

Sind es die Henries oder der Widerstand, mit dem ich mich hier befassen sollte?

Energiespeicher (oder besser ) gibt an, wie viele Mikrojoule Energie der Induktor vor der Sättigung halten kann. Zwei Faktoren verursachen Sättigung, Magnetisierung und Wärme. Beide Faktoren bewirken, dass sich L verringert. Entscheidend ist also, dass die maximale Energiemenge ist, die der Induktor speichern kann. Viele Induktorhersteller ignorieren die 1/2 und bewerten die Sättigung nur um , was einfacher zu schreiben ist.$L \times i^2$$\left(1 \over 2\right) \times L \times i^2$$\left(1 \over 2\right) \times L \times i^2$$L \times i^2$

Der Aufwärtswandler ist eine Energiepumpe. Stellen Sie sich eine Wasserpumpe vor, die einen Eimer verwendet, um Wasser von einem niedrigeren Reservoir in ein höheres Reservoir zu heben. Dies ist analog zur Verwendung eines Induktors zum Erhöhen der Ausgangsspannung. Ein kleinerer Löffel muss schneller gefahren werden, um das zu ersetzen, was von der Last gezogen wird. Wenn der Löffel viel zu klein ist, kann die Last nicht ausreichend versorgt werden (aufgrund von Schaltverlusten). Wenn der Löffel größer ist, kann die Zykluszeit länger sein, was besser ist, um Schaltverluste zu vermeiden. Ein größerer Eimer ist jedoch unpraktisch, weil er physikalisch größer ist (Induktoren mit höherem L-Wert, insbesondere solche mit guten Sättigungseigenschaften, sind größer und schwerer). Auch das Schalten mit einer langsameren Frequenz erfordert einen größeren Ausgangskondensator, um das Einschwingverhalten der Last zu bewältigen.

Während jedes Schaltzyklus nimmt der Induktor etwas Energie vom Eingang auf und erhöht seinen Strom auf einen Spitzenwert. Dieser Ladestrom fließt in einer Schleife durch den Eingangsreservoirkondensator, die Induktivität und den Schalter. Für beste Ergebnisse muss diese "Ladeschleife" physikalisch klein, dicht und fett sein. Überprüfen Sie zum Beispiel das PCB-Layout des MAX1771EVKIT.

Während des Entladungsteils des Zyklus ist der Schalter dann "aus" (die Schottky-Diode vervollständigt die Entladestromschleife) und der Induktorstrom steigt auf einen minimalen Wert ab, wenn die Energie des Induktors in den Ausgangskondensator entladen wird. Für beste Ergebnisse muss diese "Entladeschleife" physikalisch klein, dicht und fett sein - die gleichen Anforderungen wie die "Ladeschleife". Die Herausforderung eines guten Aufwärtswandler-Layouts besteht darin, sowohl die Lade- als auch die Entladeschleife zufrieden zu stellen.

Ich habe keinen Eingangskondensator in Ihrem Schaltplan gesehen. Vielleicht habe ich es verpasst, aber das ist ein wichtiger Teil der Strecke. Aluminiumelektrolyt ist gut für den Eingang des Aufwärtswandlers geeignet. Hier ist eine Massenkapazität mit geringem Welligkeitsstromverlust angebracht.

Einige Designs erhöhen den Strom bis auf 0, andere nicht. Minimales R reduziert die Wärmeverluste, Kompromiss ist Fettdraht gibt weniger Windungen und daher weniger L.$i^2 \times R$

Das Grundproblem besteht darin, dass ohne Kenntnis der Sättigungsgrenze des Induktors keine Auslegungsgrenzen für die minimale / maximale Schaltfrequenz bestimmt werden können.$L \times i^2$

Von all den Dingen, die Sie versucht haben, ist die Sache mit der besten Möglichkeit, eingestellt zu werden, der von Ihnen erwähnte "fette Toroid" -Induktor, da es einfach ist, ihn mit einem geeigneten Draht zurückzuspulen. Wenn Sie die Induktivität und die Anzahl der Windungen bestimmen können, ist der Wert eines (microHenries per Turn) nahezu konstant.$A_L$

Zur weiteren Lektüre einige Hinweise zu Coilcraft-Anwendungen:

https://www.coilcraft.com/pdfs/Doc469_selecting_inductors.pdf

https://www.coilcraft.com/pdfs/Doc1189_Coilcraft_Basics%20of%20Inductor%20Selection.pdf

Es sieht so aus, als würden Sie den CV-Pin als Rückkopplung verwenden, aber durch Variieren der CV-Pin-Spannung wird nur die Ausgangsfrequenz am Q-Ausgang variiert. Das Tastverhältnis bleibt konstant. Ich hätte gedacht, dass Sie das Tastverhältnis (Mark-to-Space-Verhältnis) des Ansteuersignals erhöhen müssen, wenn der Strom mithilfe der Pulsweitenmodulation aus dem Ausgang gezogen wird. - nur eine Meinung.

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Drei Punkte:-

1) Ihr 330R-Lastwiderstand versucht tatsächlich, 30 mA bei 12 V Ausgang zu ziehen.

2) Beseitigen Sie die CV-Rückmeldung und verbinden Sie D2 direkt mit Masse.

3) Erhöhen Sie den Arbeitszyklus mit dieser 555-Konfiguration von 50% auf 66%.

Wenn der Ausgang immer noch sinkt, erhöhen Sie den Wert von R2, um den Arbeitszyklus weiter zu erhöhen. Ich vermute jedoch, dass diese Änderungen das Problem beheben.

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Ich würde vorschlagen, dass Sie C2, D2, R3, R4 und Q2 aus der Schaltung entfernen könnten, da sie den Anforderungen überflüssig sind.

Erhöhen Sie C3 auf 470 uF, um die Welligkeit zu verringern.

Wenn Sie das Tastverhältnis um einen großen Betrag erhöhen, indem Sie R2 auf 8 k erhöhen (was ein Tastverhältnis von 90% ergibt), müssen Sie wahrscheinlich die Größe des Basiswiderstands des Transistors reduzieren, um mehr bereitzustellen Basisstrom zum Senken des erforderlichen Kollektorstroms (erhöhter Induktivitätsstrom).

Wenn Sie mehr Strom aus dem Ausgang des 555 benötigen, lohnt es sich wahrscheinlich, an Ihrem TTL-Timer festzuhalten, da dessen Ausgang unter Last besser "hält" als die CMOS-Version.

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Ich habe diese letzte Nacht gebaut und getestet.

Beide funktionieren gut.

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Diese Schaltung basiert auf der internen Funktionsweise des von National Semiconductor hergestellten Schaltregler-IC LM78S40.

Der gezeigte Schaltregler arbeitet mit ca. 40 kHz. Anstelle eines D-Flip-Flops (IC3a) hätte ich auch ein RS-Flip-Flop verwenden können, das aus zwei kreuzgekoppelten Nor-Gattern aufgebaut ist.

Die Schaltung verwendet eine negative Rückkopplung, um das Tastverhältnis der Treiberwellenform anzupassen, um die Rückkopplungsspannung gleich der Referenzspannung zu halten, wodurch die Ausgangsspannung reguliert wird, wenn sich der Laststrom ändert.

Funktioniert sehr gut.

Ich habe Ihre Schaltung in LTspice simuliert und sie auch auf einem Steckbrett aufgebaut. Es wurden mehrere Probleme aufgedeckt:

1. Der 555 lief mit ~ 7 kHz mit einem Arbeitszyklus von ~ 75% und die PWM-Pünktlichkeit betrug ~ 100us (103us simuliert, 114us gemessen). Mein Induktor begann bei 40us zu sättigen, als der Strom anstieg. Der Strom stieg weiter steil an, bis Q1 aus der Sättigung kam und der Spitzenstrom auf ~ 350 mA begrenzt war.

2. Q2 soll die PWM-Einschaltzeit reduzieren, wenn die Ausgangsspannung an der Verbindungsstelle von R3 und R4 über ~ 13,6 V steigt, um die Ausgangsspannung zu regulieren oder zu begrenzen. Sie haben jedoch auch einen Shunt-Regler mit einem 10Ω-Widerstand und einem 12V-Zener nach diesem Punkt. Daher wird Q2 nicht eingeschaltet und die PWM reduziert, bis der Zener + -Ausgangsstrom ~ (13,6 V - 12 V) / 10 Ω = 160 mA erreicht (vorausgesetzt, der Zener fällt bei diesem Strom immer noch um 12 V ab). Wenn der Booster nicht genug Strom liefern kann, um die Spannung bei R4 über 13,6 V zu bringen, sind Q2 und D2 unbrauchbar.

3. Ein Shunt-Regler allein kann gut funktionieren, wenn der erwartete Laststrom relativ konstant ist. Da er jedoch Strom absorbiert, der nicht von der Last aufgenommen wird, ist er bei niedrigeren Ausgangsströmen ineffizient.

Um einige dieser Probleme zu lösen, habe ich den Wert von C1 auf 22nf geändert und einen 15k-Widerstand von Pin 5 des 555 an Masse angeschlossen. Dies erhöhte die Frequenz auf ~ 50 kHz und senkte die PWM pünktlich auf 14 us. Ich entfernte Q2, D2, R3, R4, D3 und C3 und schloss einen 820Ω-Widerstand als Last an. Ich habe eine SS34A-Schottky-Diode für D1 verwendet. Diese minimalistische Schaltung zog 52,3 mA bei 5 V und erzeugte 12,5 V über die 820 Ω-Last, was beweist, dass die grundlegende Booster-Schaltung durchaus in der Lage ist, 15 mA bei 12 V zu liefern.

Ich habe dann den 12V Zener und den 10Ω Serienwiderstand wieder in die Schaltung gesteckt. Um einen 12V-Ausgang zu erhalten, musste ich jetzt die PWM pünktlich auf 16us erhöhen, indem ich den Widerstand an Pin 5 auf 24k erhöhte. Der Eingangsstrom stieg auf 76mA. Der Zener verbrauchte 6,5 mA und verschwendete somit 30% des Ausgangsstroms. In dieser Konfiguration betrug der Gesamtwirkungsgrad (12 V × 14,6 mA) / (5 V × 76 mA) = 46%.

Schließlich entfernte ich den Shunt-Regler und setzte die PWM-Rückkopplungskomponenten Q2, D2 und R3 wieder ein, jedoch mit einem 12-V-Zener anstelle von 13 V (der die Spannung auf 12,6 V regeln sollte). Beim Test mit der 820 Ω-Last wurden 54,3 mA aus der 5-V-Versorgung entnommen und 14,6 mA bei 12,0 V erzeugt. Dies entspricht einem Gesamtwirkungsgrad von (12,0 V * 14,6 mA) / (5 V * 54,3 mA) = 64,5%. Bei abgeschalteter Last stieg die Spannung auf 12,58 V und der Versorgungsstrom fiel auf 8 mA.

Es gab nur einen Nachteil - eine zufällige Niederfrequenzwelligkeit von etwa 40 mVpp am Ausgang, die durch den chaotischen Rückkopplungsmechanismus verursacht wurde. Verwenden Sie diese Schaltung nicht, wenn Sie eine rauscharme Versorgung benötigen!

ETA: Das niederfrequente Rauschen scheint durch den niedrigen Zenerstrom und die hohe Impedanz an der Q2-Basis verursacht zu werden. Ich habe einen 4,7 kΩ Widerstand von dort zur Erde hinzugefügt und er wurde viel leiser (<10 mVpp Welligkeit + Rauschen).

Basierend auf den Bildern, die Sie von Ihrem Steckbrett gepostet haben, sind die oberen und unteren Busstreifen, an denen Ihre Erdung und Stromversorgung angeschlossen sind, nicht miteinander verbunden. Versuchen Sie, Ihre beiden Erdungsbusstreifen und Ihre beiden Leistungsbusstreifen miteinander zu verdrahten.

Warum nicht einen LED-Boost-Controller für diesen Zweck verwenden? Sie sind billig und enthalten den Ansteuertransistor. Sie benötigen lediglich den Induktor und eine einfache Rückmeldung.

Ein Ladungspumpentyp funktioniert möglicherweise sogar, wenn 10 V ausreichen.

Bitte konzentrieren Sie sich auf folgende Dinge.

* Ändern Sie Ihren 555 auf CMOS-Version (7555 oder ähnlich).

Wenn dieses Diagramm aus einer vertrauenswürdigen Veröffentlichung stammt oder aus einer großen Schaltung extrahiert wurde, sollte dies funktionieren. Andernfalls müssen Sie alle Berechnungen durchführen, um Komponentenwerte gemäß Ihren Anforderungen zu erhalten.

Bei der Entwicklung dieser Art von Netzteilen sollten Sie genau dieselben Komponenten verwenden, die im Diagramm und / oder in der Schaltungsbeschreibung beschrieben sind. Variationen von Werten und Verbindungen zwischen Komponenten sind stark betroffen.

• Nehmen Sie alle Kabel so kurz wie möglich.
• Stellen Sie sicher, dass an Pin 3 des 555-Timer-Chips und am Kollektor von Q1 ein Impuls anliegt.
• Die Pulsbreite ist ebenfalls ein wichtiger Faktor. Wenn die Impulsbreite nicht ausreicht, um die Spule mit Strom zu versorgen, ist die Ausgangsleistung der Spule schlecht.
• Überprüfen Sie, ob die Transistoren und Dioden richtig angeschlossen sind.