Понижающий преобразователь MOSFET (IRF4905) нагревается

Транзистор достигает 100°C примерно за 2 минуты.

Транзистор, не установленный на радиаторе, имеет тепловое сопротивление 62 град С на ватт. Именно столько он нагреется, если рассеет ватт мощности.

Его цель - преобразовать 12 В в 5 В на 2 Ампера.

5 вольт при 2 амперах - это 10 ватт, а потери в MOSFET около 1 ватта (или чуть больше) - вероятный сценарий. Довольно часто упоминается, что современные понижающие регуляторы имеют КПД около 95%, а самодельный будет несколько хуже, чем этот, около 90%, поэтому я не думаю, что ваш полевой МОП-транзистор делает что-то необычное.

Конечно, он может продолжать нагреваться, поэтому вам следует рассмотреть возможность установки его на небольшой радиатор. Обратите внимание, что его максимальная рабочая температура составляет 175 градусов по Цельсию.

Извините, что не обновил раньше. Но я, наконец, заставил схему работать.

Я последовал совету, который дал мне Рассел МакМахон, и подключил резистор на 1 МОм параллельно с конденсатором на 220 пФ от базы Q5 к коллектору Q4. Это должно добавить положительной обратной связи регулятору.

МОП-транзистор почти не нагревается, и я измерил эффективность схемы, которая составила около 81% при входном напряжении 12 В и выходе 5 В при 2 А. Я попытаюсь оптимизировать его дальше, но я думаю, что большая часть потерь связана с обратным диодом. Синхронный понижающий преобразователь было бы слишком сложно сделать с дискретными компонентами, поэтому я оставлю диод.

Он работает лучше, чем я изначально ожидал. И должна быть возможность улучшить его дальше.

В отсутствие прицела я бы смоделировал это и посмотрел, что происходит.

Вероятно, вы правы, и полевой транзистор переключается недостаточно быстро. Вероятно, самое меньшее, что вам нужно сделать, это добавить положительную обратную связь к каскаду усиления на Q5. Если бы я был полон решимости сохранить схему только на транзисторах, я бы добавил туда каскад PNP с емкостной связью, настроенный с положительной обратной связью, чтобы Q5 переключался, ну, положительно.

Вот симуляция схемы в LTspice. Были использованы немного другие компоненты из-за ограничений библиотеки, но даже с этими изменениями симуляция работает:

Кривые построены логарифмически, чтобы попытаться показать как мелкие, так и крупномасштабные детали.

Так что симуляция выглядит многообещающе. Но единственный способ узнать наверняка, что делает схема, — это «осмотреть вывод затвора Q1». Моделирование намекает на некоторое неидеальное округление и задержку опережения затвора, но это не так уж плохо, учитывая спартанское количество компонентов. Другой возможностью является высокочастотный звонок в коммутируемом узле; если у вас есть ферритовые бусины, попробуйте добавить их к Q1. Если не считать этого, вам придется приобрести осциллограф.

Вот файл .asc:

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE -160 -144 -288 -144
WIRE 64 -144 -160 -144
WIRE 240 -144 64 -144
WIRE 352 -144 240 -144
WIRE -160 -128 -160 -144
WIRE 352 -128 352 -144
WIRE 64 -80 64 -144
WIRE -160 -32 -160 -48
WIRE 0 -32 -160 -32
WIRE 352 -32 352 -48
WIRE -288 0 -288 -144
WIRE 240 32 240 -144
WIRE 64 48 64 16
WIRE 192 48 64 48
WIRE 64 80 64 48
WIRE -160 128 -160 -32
WIRE -112 128 -160 128
WIRE 0 128 -32 128
WIRE 240 144 240 128
WIRE 320 144 240 144
WIRE 384 144 320 144
WIRE 544 144 464 144
WIRE 624 144 544 144
WIRE 688 144 624 144
WIRE 688 160 688 144
WIRE -160 176 -160 128
WIRE 240 176 240 144
WIRE 544 176 544 144
WIRE -288 224 -288 80
WIRE -224 224 -288 224
WIRE 64 256 64 176
WIRE 240 256 240 240
WIRE 240 256 64 256
WIRE 544 256 544 240
WIRE 544 256 240 256
WIRE 688 256 688 240
WIRE 688 256 544 256
WIRE 240 272 240 256
WIRE -160 288 -160 272
WIRE -288 336 -288 224
WIRE -16 336 -64 336
WIRE 112 336 64 336
WIRE -176 384 -224 384
WIRE -64 384 -64 336
WIRE -64 384 -176 384
WIRE 112 384 112 336
WIRE 144 384 112 384
WIRE -176 400 -176 384
WIRE -64 432 -64 384
WIRE 0 432 -64 432
WIRE 112 432 112 384
WIRE 112 432 64 432
WIRE -288 496 -288 432
WIRE -176 496 -176 480
WIRE -176 496 -288 496
WIRE -288 512 -288 496
FLAG 624 144 FB
FLAG 144 384 FB
FLAG 240 272 0
FLAG -288 512 0
FLAG 352 -32 0
FLAG -160 288 0
FLAG 320 144 SW
SYMBOL pmos 192 128 M180
WINDOW 0 55 78 Left 2
WINDOW 3 56 33 Left 2
SYMATTR InstName Q1
SYMATTR Value IRF4905S
SYMBOL schottky 224 240 M180
WINDOW 0 24 64 Left 2
WINDOW 3 24 0 Left 2
SYMATTR InstName D1
SYMATTR Value SS35
SYMATTR Description Diode
SYMATTR Type diode
SYMBOL ind 368 160 R270
WINDOW 0 32 56 VTop 2
WINDOW 3 5 56 VBottom 2
SYMATTR InstName L1
SYMATTR Value 100µ
SYMATTR SpiceLine Ipk=5 Rser=0.028 Rpar=0 Cpar=0 mfg="Coiltronics" pn="CTX100-5-52"
SYMBOL polcap 528 176 R0
WINDOW 3 24 56 Left 2
SYMATTR InstName C1
SYMATTR Value 100µ
SYMATTR Description Capacitor
SYMATTR Type cap
SYMATTR SpiceLine V=10 Irms=3.87298 Rser=0.015 Lser=0 mfg="KEMET" pn="A700X107M010ATE015" type="Al electrolytic"
SYMBOL res 672 144 R0
SYMATTR InstName R6
SYMATTR Value 2.5
SYMBOL res 80 320 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R3
SYMATTR Value 33k
SYMBOL cap 64 416 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C2
SYMATTR Value 6.8n
SYMBOL res -192 384 R0
SYMATTR InstName R4
SYMATTR Value 5.4k
SYMBOL npn -224 336 M0
SYMATTR InstName Q5
SYMATTR Value 2SC1589
SYMBOL npn -224 176 R0
SYMATTR InstName Q4
SYMATTR Value BC368S
SYMBOL pnp 0 176 M180
WINDOW 0 58 68 Left 2
WINDOW 3 56 31 Left 2
SYMATTR InstName Q3
SYMATTR Value 2SB647
SYMBOL npn 0 -80 R0
SYMATTR InstName Q2
SYMATTR Value 2SD1484K
SYMBOL res -176 -144 R0
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 1k
SYMBOL res -16 112 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 150
SYMBOL res -304 -16 R0
SYMATTR InstName R5
SYMATTR Value 20k
SYMBOL voltage 352 -144 R0
WINDOW 123 0 0 Left 0
WINDOW 39 24 124 Left 2
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value 12v
SYMATTR SpiceLine Rser=0.1
TEXT 306 304 Left 2 !.tran 20m startup uic
TEXT 216 352 Left 2 ;Simulation shows 0.37W losses in Q1.\nWaveform is not ideal squarewave\nbut close enough. Try adding ferrite\nbeads to Q1 S and D pins.

Я также согласен с Hearth в том, что ваш полевой транзистор (R DS(on) = 0,02 Ом) работал в частично линейном режиме, за исключением того, что вы смогли измерить частоту 42 кГц при 5 В 2 А.

Я полагаю, что эта конструкция хуже, потому что генератор нестабилен и зависит от паразитных помех с запасом по фазе, уменьшенным на 5 транзисторных каскадов и последовательной резонансной частотой в пару сотен Гц с выбранными значениями LC.

Полевой транзистор является излишним для нагрузки 2 А, рассчитанной на> 50 А с пиками 260 А, но это добавляет к Coss и очень низкому RdsOn, вызывая паразитный резонанс, где запас по фазе должен быть отрицательным, чтобы поддерживать колебание.

Могут быть способы увеличить возбуждение затвора до острого импульса, но это не стоит чрезмерного использования полевого транзистора и нестабильной конструкции.

PFET также гарантирует высокую пусковую мощность при запуске ESR нагрузочного конденсатора, после чего катушка индуктивности насыщается.

В целом, я бы сказал, что неудивительно, что он может регулировать или колебаться, но регулировка нагрузки ужасна без опорного напряжения, и скачок нагрузки для широкого диапазона нагрузок был бы ужасен.

Заключение.
Основными недостающими компонентами хорошей конструкции регулятора SMPS являются «хорошие характеристики и хорошие пределы допуска».

Плохая топология.

Я провел симуляцию , и не похоже, чтобы ваш полевой транзистор вообще переключался. Я думаю, вы, возможно, построили линейный регулятор вместо импульсного; есть некоторое колебательное поведение при изменении потенциометра, но оно довольно быстро затухает в стабильный линейный режим.

Если предположить, что вы случайно изготовили линейный регулятор, то следует ожидать нагрева переключающего элемента. При нагрузке 2,5 Ом рассеиваемая мощность на транзисторе составляет более 13 Вт, что более чем достаточно для существенного его нагрева даже с радиатором приличных размеров.