Как сделать понижающий DC-DC преобразователь отказоустойчивым?

Простой факт заключается в том, что отказ от короткого замыкания силового переключающего элемента (обычный вид отказа полупроводников) или отказ схемы управления может эффективно подать на нагрузку полное входное напряжение. Это одноточечные отказы, которые, вероятно, приведут к разрушению нагрузки.

Вы можете использовать электронный контроллер перегрузки по току/напряжению, такой как LTC4361 :

Этот чип не особенно дешев (около 3,50 долларов), но он будет работать как с P-канальным, так и с N-канальным MOSFET (очевидно, с внутренним усилением для N-канала). Он может обеспечить защиту от перенапряжения до 85 В и защиту от перегрузки по току, ограниченную полевым МОП-транзистором. Резистор считывания падает всего на 50 мВ, так что это довольно мало потерь.

Такая схема работает, разрывая соединение между источником питания и дорогостоящей нагрузкой.

Другой (возможно, более) популярный подход заключается в использовании предохранителя (или полипредохранителя) и цепи лома для короткого замыкания на выходе, чтобы нагрузка (светодиоды в вашем случае) не была повреждена, в то время как у предохранителя достаточно I ^ 2T, чтобы делать свое дело и разомкнуть цепь. SCR часто используется в качестве переключающего элемента питания ломика.

Я видел пару вариантов, которые здесь не упомянуты.

1) Самовосстанавливающиеся предохранители . Как автоматический выключатель. У меня нет большого опыта проектирования с ними, но если вы сможете правильно указать его, они могут решить вашу проблему со светодиодами. Однако убедитесь, что вы знаете достаточно, чтобы знать, как правильно их специфицировать. Время отклика может быть недостаточным для защиты ваших светодиодов.

2) Преобразователь SEPIC вместо бака. Для этого требуется больше деталей, но если выключатель закоротит, путь к нагрузке открыт. Более отказоустойчивый. Существуют и другие топологии.

Две вещи:

1) Вы никогда не должны использовать цифровое управление для контроллера постоянного/постоянного тока (т.е. использовать ШИМ и АЦП микроконтроллера в контуре управления)

2) Преобразователи постоянного тока, как правило, настолько безопасны по своей природе, что не стоит тратить время, усилия и детали на добавление отказоустойчивой защиты.

К части 1: может быть доказана стабильность преобразователя постоянного тока в диапазоне чувствительности и рабочего цикла при работе с (близкими к) аналитическими контурами управления, например, с линейной обратной связью, операционными усилителями, пассивными компенсационными цепями, питающими генератор ШИМ. Вы можете сказать, что он стабилен, потому что он имеет определенную частотную характеристику: диаграмма Боде, диаграмма Найквиста. При чисто цифровом управлении вы теряете такое поведение, потому что вам нужно реализовать его в программном обеспечении. Чтобы сделать чисто цифровой контроллер постоянного/постоянного тока, вам необходимо:

• Определить напряжение обратной связи (например, для светодиодов: напряжение на токоизмерительном резисторе)
• Объедините это с информацией о более ранних состояниях и выполните матричное умножение, чтобы смоделировать цифровой компенсационный фильтр -> теперь это выход вашего «цифрового усилителя ошибки».
• Подайте это в генератор PWM и убедитесь, что он меняет периоды без сбоев.

Количество времени, которое требуется недорогому микроконтроллеру для обработки этой информации — черт возьми, даже время, необходимое для выполнения одного цикла АЦП последовательного приближения — сильно ограничивает пропускную способность и задержку распространения этого типа контура управления. Например, на Atmel XMEGA с АЦП 2MSPS у вас будет задержка распространения 3,5 мкс для АЦП (7 циклов АЦП), и вам потребуется выполнить как минимум n^2 умножений для n-элементного фильтра с 4 элементами. являясь абсолютным минимумом для реализации приличного фильтра. Умножение занимает 2 такта ЦП, поэтому при частоте 32 МГц это время расчета составляет около 1 мкс. Задержка распространения 4,5 мкс означает, что минимальная частота рабочего цикла должна быть более чем в 5-10 раз больше задержки распространения, чтобы свести к минимуму фазовые эффекты. т.е. 23-45 мкс. Даже если бы вы были уверены, что ваш преобразователь всегда будет работать с оптимальным рабочим циклом для этой схемы управления (~ 50%), вы все равно были бы ограничены частотой ШИМ около 10 кГц. И все это — абсолютный лучший случай для такого приложения.

Вам понадобится надлежащий контур управления и для любого приличного импульсного регулятора, который должен иметь полосу пропускания в пару МГц, задержки распространения не более нескольких нс (которые часто можно компенсировать с помощью конденсаторов прямой связи, если вы очень хочется). Это недостижимо с чисто цифровой схемой, и я бы не советовал даже пытаться сделать это с помощью микроконтроллера. Можно использовать DSP и FPGA, а также несколько микроконтроллеров со встроенными периферийными устройствами управления питанием. Для вашего приложения я бы посоветовал использовать встроенный драйвер понижающего светодиода или линейный драйвер светодиода. Импульсный конденсатор здесь не подойдет — он будет иметь худшие фликерные характеристики и худший КПД, чем линейный.

Теперь к части 2: при правильном проектировании (что обычно просто означает: вы внимательно прочитали техническое описание), вероятность выхода из строя понижающего преобразователя в нормальных условиях эксплуатации сведена к нулю. Контуры управления, как правило, хорошо скомпенсированы и тесно связаны между собой, поэтому нет никаких шансов, что какое-либо событие (импульсы, электромагнитные помехи и т. д.) вызовет перегрузку по току.

Однако ключевое слово здесь «в нормальных условиях эксплуатации». Лучший способ защитить себя от проблем — убедиться, что вы поддерживаете эти условия. Используйте диод обратного смещения и (сбрасываемый) предохранитель для защиты от случайного обратного подключения, используйте MOV или TVS и входной конденсатор большой емкости для защиты от скачков напряжения, вызванных индуктивностью силовых проводов. Используйте дифференциальные и синфазные LC-фильтры, чтобы изолировать плату от чрезмерных помех в линии питания. В зависимости от того, насколько опасен ваш конкретный источник питания, вы можете отказаться от всех или части этих средств защиты. Использование их всех — это полноценный ремень и подтяжки; не требуется для 99,9% приложений, но если вы чувствуете себя исключительно параноиком, не стесняйтесь вставлять их все.

Подожди, подожди, подожди.

Вы, кажется, собираетесь производить набор напряжений, которые потом будете подавать непосредственно на светодиоды? Даже без сбоев преобразователя это отличный способ уничтожить светодиоды.

Я спрашиваю об этом, потому что указанные вами напряжения являются стандартными напряжениями светодиодов без ограничения тока.

Если это так, вам нужно искать источники тока, а не преобразователи напряжения.