Problem z doborem elementów do przetwornicy step-down - ST1S10PHR

[Patryk55]

Witam,

Zacznę od schematu : 😉

Wiec tak, chcę użyć tą przetwornicę do minisumo do zasilania elektroniki z pakietu LiPol Dualsky 800mAh 45C 2S 7.4V. Jest to mój pierwszy kontakt z przetwornicami. Po przeliczeniu, całkowite zapotrzebowanie wyszło ok. 515mA przy max. parametrach elemetów. Chcąc użyć kalkulatora ze strony mastersa: http://www.masters.com.pl/pl,tools-st1s10-dc-dc-przetwornica natrafiłem na kilka problemów a raczej wątpliwości, co do:

1. Napięcie wej. max. - czyli napięcie max. na lipolu 8.4V ?

2. Napięcie wej. min. - jak je dobrać, wiadomo, że lipol może być rozładowany max. do 3V na cele czyli na pakiet to 6V + dwa silniki pololu HP to bez obciążenia daje 120mA na silnik. Chodzi mi o to aby zachować jak najlepsze parametry pracy podczas walki. Oczywiście będą dwa pakiety na zmianę. 😉

3. Prąd wyj. - nigdy nie korzystałem z przetwornicy, więc trudno mi to określić, ale wydaje mi się, że ok. 1 A wystarczy, ale mogę się mylić. 🙂

4. Prąd tętnień - wydaje mi się, że chodzi o to, że jeżeli mamy napięcie na wyj. np. 3.3V i prąd 3A pobierany to napięcie może spaść do 2.5V? Jak dobrać ten parametr?

Rezystrory mam dobrane R1 = 105k i R2 = 20k. Napięcie wyj. to 5V.

5. Jak to jest z tymi kondensatorami przy przetwornicy? Z tego co wyczytałem z noty i z tego co czytałem na innych stronach, to raz są elektrolity( o jak najmniejszej impedancji) a raz są to ceramiki. Słyszałem, że chodzi tu o szybkość działania? 😉 Lecz nie mam do końca pewności.

6. Czy do cewki są też jakieś konkretne wytyczne? Bo nie do końca mogę to znależdz albo nie ma. 😉

Na razie tyle. Jak coś mi przyjdzie do głowy to dopiszę. 😉

P.S: Oczywiście wiem o poprawnym zaprojektowaniu płytki zgodnie z notą, tak z wyprzedzeniem. 🙂 Jeżeli coś nie tak powiedziałem prosiłbym o sprostowanie. 🙂

Pozdrawiam,

Patryk

[aixI]

3. Prąd wyj. - nigdy nie korzystałem z przetwornicy, więc trudno mi to określić, ale wydaje mi się, że ok. 1 A wystarczy, ale mogę się mylić. 🙂

Hmm, pololki pod obciążeniem dają 1600mA x2 (silniki) daje nam 3200mA jak robot zacznie pchać przeciwnika.

[marek1707]

Ja zrozumiałem to tak, że Kolega chce zasilać wyłącznie "elektronikę". Nie wiem co to za skomplikowany system, skoro będzie pobierał 500mA z 5V, ale co tam, może będzie to pierwsze(?) sumo na Malinie. Mam nadzieję, że nie myślał o silnikach, bo to przecież bez sensu.

Tak więc przyjmując podane założenia za prawidłowe, spróbuję odpowiedzieć:

1. 2. Minimalne i maksymalne napięcie wejściowe to zakres napięć z jakimi Twoja przetwornica spotka się na wejściu. Jej nic nie obchodzi stan akumulatora. Jeżeli kiedykolwiek możliwe będzie, że rozładujesz go do 6V, to Vmin = 6V. Ponieważ nigdy nie projektuje się na styk, wypadałoby wpisać zakres trochę szerszy. Niestety z danych katalogowych (a także z jej ograniczeń konstrukcyjnych) wychodzi, że dla założonych 5V napięcia wyjściowego ta przetwornica może nie znieść napięcia wejściowego <= 6V z małym haczykiem. Albo pomyśl nad innym układem albo będziesz musiał całość wyłączać dużo wcześniej. To jak napięcie spadnie, zależy od programu Twojego procesora (musisz mu koniecznie umożliwić pomiar napięcia aku) oraz od przyjętych progów alarmowych.

3. Nie ma znaczenia czy korzystałeś z przetwornicy. Jeżeli prawidłowo określiłeś zapotrzebowanie na moc wyjściową i wynosi ono te 515mA to wpisujesz ze 20% więcej i patrzysz na wyniki. 1A jest w tym wypadku OK.

4. Prąd. Masz wpisać prąd tętnień i nie ma to nic wspólnego z napięciem. Prąd w indukcyjności będzie z definicji wahał się wokół wartości średniej prądu wyjściowego. Jeżeli wpiszesz wyjście 1A a zażądasz tętnień bardzo małych, np. 50mA to będziesz zmuszony użyć ogromnej cewki, żeby jej indukcyjność tłumiła wahania prądu do tak małych wartości. Z jednej strony to fajne, bo upraszcza filtr wyjściowy, ale z drugiej bardzo rosną wymiary cewki, bo przecież prąd jaki musi wytrzymać spada tylko trochę. Przyjęło się liczyć takie układy na tętnienia w granicach 30-40% prądu wyjściowego. Jeśli wpiszesz wyjście 1A, to tutaj wpisz 300mA. Po to jest kalkulator żeby eksperymentować. Zobacz co na co wpływa - to całkiem dobra nauka.

5. Dobrze słyszałeś. I dlatego, żeby nie wpaść w kłopoty i nie musieć zagłębiać się np. w dopuszczalny Iac(rms) elektrolitów lub zmiany ESR w funkcji choćby temperatury zapomnij o nich. Przyjmij jako zasadę stosowanie w przetwornicach pracujących powyżej 500kHz wyłącznie ceramicznych MLCC.

6. Jakie wytyczne Cię interesują? Ma mieć indukcyjność co najmniej taką jak obliczona, pracować przy prądzie co najmniej takim jak wyliczony (czyli prąd wyjściowy + (tętnienia/2) ), mieć rezonans własny dużo wyżej niż 900kHz, mieć zamknięty obwód magnetyczny oraz być tania i mała 🙂

To ja teraz mam pytanie do Ciebie: Może zamiast puszczać się na tak głęboką wodę (bo temat tylko z pozoru wydaje się trywialny) pomyśl o zastosowaniu gotowych przetwornic impulsowych produkowanych w postaci modułu z indukcyjnością w środku?

No i witamy na Forum, oczywiście 🙂

[Patryk55]

Witam,

Ja zrozumiałem to tak, że Kolega chce zasilać wyłącznie "elektronikę".

Tak, zgadza się. 😉

Nie wiem co to za skomplikowany system, skoro będzie pobierał 500mA z 5V, ale co tam, może będzie to pierwsze(?) sumo na Malinie.

A czemu nie. 😉 A tak na serio to niedopowiedziałem najważniejszej rzeczy. Cały bilans prądów był liczony dla max. poboru prądu przez układy i dlatego tak wyszło dużo. 😉 Ale spokojnie będzie można odjąć te 100mA. Sam sharp GP2Y0D340K pobiera przy detekcji 50mA a przy kilku to już sporo.

Mam nadzieję, że nie myślał o silnikach, bo to przecież bez sensu.

Nie, o to można być spokojnym. 😉

Minimalne i maksymalne napięcie wejściowe to zakres napięć z jakimi Twoja przetwornica spotka się na wejściu. Jej nic nie obchodzi stan akumulatora. Jeżeli kiedykolwiek możliwe będzie, że rozładujesz go do 6V, to Vmin = 6V. Ponieważ nigdy nie projektuje się na styk, wypadałoby wpisać zakres trochę szerszy.

Czyli min. 6.5-7V powinno wystarczyć.

Niestety z danych katalogowych (a także z jej ograniczeń konstrukcyjnych) wychodzi, że dla założonych 5V napięcia wyjściowego ta przetwornica może nie znieść napięcia wejściowego <= 6V z małym haczykiem. Albo pomyśl nad innym układem albo będziesz musiał całość wyłączać dużo wcześniej.

Nie do końca rozumię te stwierdzenie. Widziałem kilka konstrukcji na forum na tej przetwornicy i przy wyższym napięciu zasilania niż 6V które miały na wyj. 5V. Albo coś mieszam. 😉

Przyjęło się liczyć takie układy na tętnienia w granicach 30-40% prądu wyjściowego. Jeśli wpiszesz wyjście 1A, to tutaj wpisz 300mA. Po to jest kalkulator żeby eksperymentować. Zobacz co na co wpływa - to całkiem dobra nauka.

Przyjmij jako zasadę stosowanie w przetwornicach pracujących powyżej 500kHz wyłącznie ceramicznych MLCC.

Ma mieć indukcyjność co najmniej taką jak obliczona, pracować przy prądzie co najmniej takim jak wyliczony (czyli prąd wyjściowy + (tętnienia/2) ), mieć rezonans własny dużo wyżej niż 900kHz, mieć zamknięty obwód magnetyczny oraz być tania i mała

O to mi właśnie chodziło. 😉 Dziękuję za radę. Chiałem wiedzieć czym się kierować podczas zakupu elementów. 🙂

To ja teraz mam pytanie do Ciebie: Może zamiast puszczać się na tak głęboką wodę (bo temat tylko z pozoru wydaje się trywialny) pomyśl o zastosowaniu gotowych przetwornic impulsowych produkowanych w postaci modułu z indukcyjnością w środku?

Też nad tym myślałem. 🙂 A jaką byś polecił? Lecz czasami trzeba skoczyć na głęboką wodę aby się nauczyć pływać. 😉 A po za tym kiedyś trzeba się będzie z tym tematem zmierzyć. Ale szanuję tą radę.

Pozdrawiam,
Patryk

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[marek1707]

"..dla założonych 5V napięcia wyjściowego ta przetwornica może nie znieść napięcia wejściowego <= 6V z małym haczykiem."

Hm, bez skrótów to zdanie powinno brzmieć tak:

"..dla założonych 5V napięcia wyjściowego ta przetwornica może nie znieść napięcia wejściowego mniejszego niż 6.2V" 😖

Przepraszam za gniota. Już czytając tuż po wysłaniu wydał mi się podejrzanie niejasny.

Innymi słowy między wejściem a wyjściem przetwornicy step-down lub stabilizatora liniowego musi istnieć minimalna różnica napięcia będąca cechą danego układu i funkcją pobieranego prądu.

Tutaj, ponieważ mamy ograniczenie od góry maksymalnego wypełnienia PWM sterującego głównym kluczem oraz nieuniknione spadki na indukcyjności i obu MOSFETach, jest to niestety grubo ponad 1V - to i tak rewelacyjny wynik jak na przetwornicę impulsową. Dlatego, jeśli chcesz uniknąć niestabilności napięcia na głównej szynie zasilania systemu musisz ograniczyć rozładowanie akumulatora (moim zdaniem) do 6.5V. Po osiągnięciu tego progu procesor powinien bezwarunkowo wyłączyć wszystko co możliwe (napędy, czujniki itp) i zapalić jakiś alarm (migająca dioda LED lub bipczak). Można też - podobnie jak robią to regulatory modelarskie - zacząć wstępną sygnalizację wcześniej (np. przy 7V) by się nie okazało, że nagle kompletnie nie ma prądu by dociągnąć 300m do lotniska i.. gleba.

EDIT: Z tym pływaniem to chyba jest raczej tak, że skaczesz na głęboką wodę by upewnić się, że umiesz przynajmniej nie utonąć. Na naukę wybrałbym jednak inne miejsce, np. takie:

http://www.tme.eu/pl/details/lmz12003tz-adj_nop/regulatory-napiecia-uklady-dc-dc/texas-instruments/#

lub takie:

http://pl.farnell.com/tracopower/tsr-1-2450/przetwornik-dc-dc-5v-1a-sip/dp/1696320

albo takie:

http://pl.farnell.com/linear-technology/ltm4624iy-pbf/konwersja-u-modul-wejscie-14-v/dp/2355974

oraz SEPIC robiący 5V z wejścia 3-12V:

http://pl.farnell.com/linear-technology/ltm8045ey-pbf/sepic-2-8-18v-0-7a-2mhz-2-5v-40bga/dp/2313469

albo jeszcze parę innych...

[Patryk55]

Witam,

mniejszego niż 6.2V

O to mi właśnie chodziło, myślałem, że chodziło o większego dlatego miałem pewne mieszane uczucia. Ale przepraszam za zamieszanie. 😉

Dlatego, jeśli chcesz uniknąć niestabilności napięcia na głównej szynie zasilania systemu musisz ograniczyć rozładowanie akumulatora (moim zdaniem) do 6.5V. Po osiągnięciu tego progu procesor powinien bezwarunkowo wyłączyć wszystko co możliwe (napędy, czujniki itp) i zapalić jakiś alarm (migająca dioda LED lub bipczak). Można też - podobnie jak robią to regulatory modelarskie - zacząć wstępną sygnalizację wcześniej (np. przy 7V) by się nie okazało, że nagle kompletnie nie ma prądu by dociągnąć 300m do lotniska i.. gleba.

Ok. 😉 Zastosuje dzielnik napięciowy i przy 7V będzie zapalać diodę i to powinno wystarczyć. 🙂 Albo zastosuje w takim wypadku pakiet 3S, ale wtedy może odbić sie to na silnikach, będą się szybciej zużywały. 😉 Ale coś za coś. Ale to się zobaczy jak będzie z miejscem.

I mam takie jeszcze dwa małe pytania.

1. Czy warto zastosować bezpiecznik smd za włacznikiem zasilania?

2. Czy to prawda, że przy doborze elemetów lepiej dać te 20% więcej na wartościach elemetów?

To dziękuję za pomoc. 😉

Pozdrawiam,
Patryk

[marek1707]

Bezpiecznik to element bardzo złudny, przereklamowany i trzeba trochę doświadczenia by zaprojektować układ "pod bezpiecznik". Nie będę już powtarzał moich standardowych narzekań, ale proponuję Ci przejrzeć dane katalogowe jakiejś rodziny bezpieczników polimerowych SMD - bo o takim jak rozumiem - myślisz. Zastanów się który by Ci pasował prądem i napięciem rozłączania a potem rozważ zalety i wady tego rozwiązania. W szczególności popatrz na prądy i związane z nimi czasy wyłączania. Moim zdaniem jest to element, który może ochronić co najwyżej kabelki i/lub ścieżki drukowane na PCB albo Twoje zdrowie w przypadku zwarcia akumulatora oraz inne podobne elementy które są w stanie przeżyć przez kilka sekund prąd np. 10-krotnie większy niż maksymalny "ustawiony" bezpiecznikiem. Dowolny tranzystor czy scalak będzie dużo "szybszy" niż bezpiecznik. Przemyśl przed skutkami jakich awarii i co miałby ten bezpiecznik chronić. Zastanów się też nad dobrym zabezpieczeniem przed odwróceniem polaryzacji a dodatkowe elektroniczne ograniczenie prądowe też jest do zrobienia.

20% więcej czego?

[Patryk55]

Dzięki. 😉 Chodzi mi o to, że jeżeli mamy dobrane wartości elementów w przetwornicy to czy te wartości podwyższyć o 20%.

[marek1707]

No ale właśnie wartości czego? Przecież każdy element ma kilka "wartości" i do czegoś w układzie jest. Zmiany muszą uwzględniać pełnioną rolę oraz ich wpływ na parametry całości.

Rezystancje oporników? To bez sensu, choć w dzielniku ważny jest ich stosunek, możesz zmieniać. Moc oporników? Możesz, ale po co, tu i tak wystarczą 1/8W. Pojemności kondensatorów? Trochę można, ale tu już dowolności nie ma bo przegięcie grozi utratą stabilności pętli regulacji. Napięcia kondensatorów - to jasne, że muszą być większe niż to przy którym będą pracowały a w przetwornicach impulsowych obciążenia są tak duże (szczególnie na wyjściu), że margines 100% zapasu minimum. Indukcyjność? Możesz kupić większą, ale większa na ten sam prąd będzie po prostu.. fizycznie większa - po co? Jej prąd nasycenia? To samo - niepotrzebnie duży spowoduje spuchnięcie wymiarów cewki. Czy coś nam zostało?

To o których "wartościach" myślisz?

[Patryk55]

Trochę namieszałem 🙂 Ale widzę, że wszystko kolega mi wyjaśnił. 😉

[Patryk55]

Witam,

Po przemyśleniu paru kwestii wracam do tematu. 😉 Zrezygnuje jednak z tej przetwornicy, ponieważ nie mogę znależdz odpowiedniej cewki. I nie wiem czy jest sens zasilać układ z przetwornicy, tak naprawdę dla 1V przy 7.4V z li-pola.

Nasuneło mi się kilka pytań co do samej kwestii zasilania minisumo. Czy lepiej przetwornica czu stabilizator, jeżeli chodzi o zasilanie z li-pol 7.4V? Co do stabilizatora to myślałem o daniu dwóch, jeden dla elektroniki, drugi dla sharpów( 6 sztuk ), co o tym myślicie? Jak wiadomo sharpy lubią pociągnąć trochę prądu w impulsie, więc rozdzielenie na dwa oddzielne żródła zasilania powinno dać pozytywny skutek i wyeliminować znacząco grzanie stabilizatorów i zapotrzebowanie na prąd? Myslałem nad takim dla scharpów:stabilizator zapas prądu jest, wychodzi, że przy pobieranym prądzie + 20% to 300mA. A dla elektroniki: stabilizator wyszło przy pobieranym prądzie + 20% 445mA. tak dużo bo jest jeszcze btm-222. Prosiłbym was o pomoc, bo nie wiem co miałbym w tym temacie zrobić.

Pozdrawiam,
Patryk 🙂

[marek1707]

LDO to dobry wybór przy różnicach rzędu 1V. Cieszę się, że do tego doszedłeś. Właśnie po to te stabilizatory zostały zrobione.

Całkowita ilość ciepłą jakie się wydzieli i tak będzie stała więc niczego tu nie zmieniasz dając dwa stabilizatory. Ważny jest sumaryczny prąd i różnica napięć. Dopóki nie przekraczasz prądu pojedynczego stabilizatora, to jedynym pożytkiem jest to, że możesz dać dwa mniejsze radiatory niż jeden większy - jeżeli to jakoś ułatwia rozłożenie elementów lub obniżenie temperatury punktowej np. w celu wydłużenia życia elektrolitów. Radiatory nie muszą być oczywiście pucem z blachy jak to się zwykle rozumie, bo w tym przypadku (obudowy SOT223 i DPAK) oba elementy leżą na PCB i radiatorem jest pole miedzi wokół obudowy. Kupowanie dwóch różnych też nie jest optymalne. Gdyby różnice prądów była np. jak 20mA do 500mA to może warto dać na ten pierwszy obwód coś malutkiego w SOT23 a na ten drugi coś większego ale tutaj? Zauważ, że w środku każdego 1117 które wskazałeś siedzi ta sama struktura o prądzie 800mA. Te dwie obudowy różnią się przede wszystkim (oprócz oczywiście cech estetycznych, ale o gustach się nie dyskutuje) rezystancją termiczną czyli de facto dopuszczalną mocą strat. Jeżeli w obu przypadkach wystarczy mniejsza - weź 2xSOT223. Jeżeli choć w jednym musisz dać DPAK - weź 2xDPAK. Zacznij się przyzwyczajać do optymalizacji kosztów i upraszczania procesu projektowania. Stabilizatory liniowe nie mają być zimne - mają pracować w dopuszczalnych zakresach parametrów: prądów, napięć i temperatur. Jeżeli wyjdzie, że nawet w temperaturze otoczenia +35°C (w Polsce rzadko bywa cieplej) Twój stabilizator będzie miał <80°C to jest OK. Policz o ile się ogrzeje struktura w warunkach jakie jej stworzysz i wyjdzie jak na dłoni.

[Patryk55]

Ok, z tego co wyliczyłem dla obudowy TO252 czyli DPAK a liczyłem na podstawie takiego wzoru: Tj = Ta + Rthja * ( Ui - Uo ) * Io, więc wychodzi Tj = 35 + 92 * ( 8.4 - 5 ) * 0.445 = 174.2 C dla elektroniki i 129 C dla sharpów to dużo sporo niż temp. max 150C, coś jest nie tak? Prądy są dla max. zapotrzebowania. 🙂

[marek1707]

"Nie tak" jest oczywiście wynik - temperatura dużo powyżej progu sensowności oraz ograniczeń samych struktur.

Taki wzrost wziął się oczywiście z przyjętych założeń. Do wzoru podstawiłeś rezystancję Rthja czyli złącze-otoczenie (junction-ambient) a to znaczy, że w ogóle nie przewidziałeś radiatora. Przekładając liczby które użyłeś na język potoczny: postawiłeś stabilizator pionowo (lub na płasko na laminacie z minimalnymi koniecznymi do montażu padami) w nieruchomym powietrzu i podłączyłeś go do układu. Jeżeli to miał być test na konieczność stosowania radiatora to tak - już wiesz, że musisz go użyć.

Teraz zajrzyj do rozdziału "Hetasink requirements" oraz do tabelek z rezystancjami różnych dróg ciepła (w szczególności junction-to-case) dla różnych obudów, narysuj sobie układ zastępczy tych rezystancji (niektóre są szeregowo a inne równolegle do pozostałych) i policz rezystancję termiczną wypadkową dla danego radiatora.

Możesz też odwrotnie: jak dobry musi być radiator (jaka musi być wypadkowa Rth całości) by utrzymać temperaturę złącza w zadanych warunkach na poziomie np. +80°C?

Akurat dane katalogowe 1117 Nationala/Texasa są pod tym względem bardzo bogate. Mamy przykłady różnych radiatorów z folii miedzianej na PCB wraz z ich rezystancjami termicznymi (wraz z rysunkami i polami powierzchni), wiele fajnych wykresów dla konkretnych obudów itp. Ponieważ takie rzeczy są stałe dla danego typu obudowy i nie zależą od tego jaki scalak w środku siedzi, warto sobie takie rzeczy zachowywać by mieć na szybko odniesienie przy innych, gorzej opisanych układach.

W przypadku gdyby się okazało, że obudowy SMD wymagają niepraktycznie dużych powierzchni miedzi (a od pewnego rozmiaru spadek Rth właściwie zanika bo folia jest cienka) to może warto rozpatrzyć przypadek jednego TO220 stojącego pionowo z jakąś "choinką" z alu. Takie gotowe, czernione, stojące i leżące radiatory pod np. TO220 są sprzedawane po kilka złotych w ogromnym zakresie Rth (gdzieś od 2 do 25°C/W).

[Patryk55]

Wolałbym nie stosować radiatora. Zależy mi na miejscu. 😉