降圧コンバーター、きしみ/鳴きインダクタ


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自家製の降圧コンバータに問題があります。これは、ディスクリートMOSFETドライバを備えたTL494制御チップに基づいています。問題は、出力電流が特定の値を超えると、インダクターがきしむ音を立てるということです。

インダクタとして、私は最初に古いATX PSUからの一般的なトロイダルチョークを使用しました(黄色で1つの白い面)。しかし、私はそれが本当に熱くなっていることに気づきました、そしてそれは私の銅線の損失ではなく、それはスイッチングの用途ではなく、むしろフィルタリングの目的には適さないコアでした。それから私は小さなフェライト変圧器を分解し、それに自分のインダクタを巻きましたが、それは再びきしみました。

次に、コアが理想的に接着されていないことが原因であると考えたので、大きな変圧器(おそらく中央部分が丸いEPCOS E 30/15/7)でこれを行うことにしましたが、残念ながら、このコアで使用されている材料、およびギャップがあるかどうか)ですが、今回はコアを分解せずに巻線を慎重に取り外します。

結果は許容範囲内でした(私の信号発生器がまだ届いていないため、インダクタンスを正確に測定できませんが、10uH、6ターン(表皮効果を減らすための2本のワイヤーの)の領域です)。それでもきしみはありますが、LED照明では到達できない電圧と電流でのみです(基本的に、PWMを使用する代わりに独自のDC-DCコンバーターを作成して、LEDに印加する電圧を制御したいため、EMIが多すぎます)。

これは、インダクタパウダーコア(黄白色)をインダクタコアとして使用しているときに取り込んだ波形(インダクタを流れる電流、0.082Ω抵抗器での測定電圧降下〜0.1 measured)です。すべての波形はDC結合されています。

低出力電流:約。1A

電流-インダクタを流れる1A


中出力電流:およそ。2A

電流-インダクタを流れる2A


高出力電流:約。3A。このレベルできしみが始まります。しかし、インダクタコアが約200℃に加熱されたことを強調する必要があります。90℃。これは基本的に上からの波形のように見えましたが、低周波数の正弦波によって変調されました。

電流-インダクタを流れる3A


0Aに触れずに電流波形を一定のレベルで発振させることができませんでした。オンラインの波形の写真や、オシロスコープを備えたOSKJ XL4016降圧コンバーターでは、到達しないはずです。それはこのように見えました:(ペイントされた波形について申し訳ありませんが、残念ながら私はそれを保存しませんでした。それは要点を証明するだけです)

CCM

鳴き始めた瞬間に現在のフェライト変圧器-インダクターで得た波形です。

インダクターを通る電圧と電流

チャネル1(黄色):電流
チャネル2(青):インダクタ両端の電圧。

この時点できしみ音が現れます。出力コンデンサを増減してみましたが、一般的には問題が解決しませんでした。また、リンギングが減衰します。非絶縁MOSFETヒートシンクに触れると、このリンギングが存在する理由さえわかりません。

これは私の回路図です(これは私のPCBに完全にあるものではありませんが、2つの抵抗ではなく電位差計と100 kHzの周波数を取得するために微調整されたコンデンサー値のように、変更はわずかです)。ピン2は現在Vrefに接続されており、ピン16はGNDに接続されており、コンバーターを永続的にオンにします。Vin–入力電圧= 24V。ダイオードD5で見られる高いピーク電流のため、5Aの場合はより耐久性のあるものに置き換えられました。

私の回路図

D4、C2、R15は最終的にはより優れた堅牢なソリューションに置き換えられましたが、インダクタL1の波形には影響しません。これは私のPCBレイアウトで、別のアプリケーション用に設計されています(最大0.5A〜1Aが必要なので、そこにヒートシンクを追加しませんでした)。また、一部の抵抗とコンデンサの値は手動で調整され、全負荷で最大86%の効率を実現しました。おそらくゲート信号とRdsの立ち上がりと立ち下がりが遅いため、MOSFET Q7で無駄な電力の大部分が発生します。 (オン)、0.3 being

私のPCBレイアウト

現在(テスト中)インダクターははんだ層の上に吊り下げられています(指定されたスペースに収まりきらないため、このボードを設計していたときに、通常の鉄粉コアを他のコアに使用できないことを知りませんでした) LM2576に基づくコンバーターは問題なく動作しましたが、電圧レギュレーションに問題があるため、これを設計したいと思いました)。最後に、インダクターがきしむ音を開始した電圧と電流を記録しました。結果は次のとおりです。

  • 5 V – 0.150 A←最小出力電圧
  • 6 V – 0.300 A
  • 7 V – 0.400 A
  • 8 V – 1 A
  • 9 V – 2.5 A
  • 10 V – 2.7 A
  • 11 V – 3.1 A←設計された出力電流
  • 12 V – 3.1+ A
  • 13 V – 3.1+ A←最大出力電圧

その後、1ターンほど巻き戻すことでインダクタンスを下げたところ、はるかに低い電流できしみ音が鳴り始めました。巻線を追加しても同じことが起こります。周波数を変更しても、面白いことは何も起こりません。また、TL494データシート内に提供されている式を使用してコンデンサとインダクタの値を計算しましたが、それらも同様にきしみました。すべての電流測定はインダクタの出力側で行われました。出力コンデンサのESRを測定しましたが、LCR-T4テスターは0.09Ωを示しました。

要約すると:私は、うなり/きしむインダクタに問題があり、それを修正する方法がわかりません。

すべてのレベルで、LEDライトはインダクターを鳴らすために必要な電流をあまり消費しませんが、私の心は本当にこれがなぜ起こっているのか、そして私が理解していないことや理解していないことを知りたいです。私を助けてください。詳細を逃した場合は、この質問のコメントに記入します。私の「英語」に間違いがあってすみません、それは私の母国語ではありません。私はこの分野での経験がありませんので、大きな間違いをした場合はご容赦ください。

編集: 「すべてのレベルで、LEDライトはより少ない電流を消費します。これはインダクターをきしむために必要です。」つまり、LEDは常により少ない電流を消費し、インダクターをきしむようにするために必要です⇒通常の動作中、インダクターはすべきではありませんきしむ。出力電流、スイッチング周波数、出力電圧を変えながら波形を動画でYouTubeにアップロードしました。負荷は、MOSFETとMOSFETゲートの電圧を調整するポテンショメータから作られた、その場しのぎの「定電流負荷」であり、粗雑ですが、機能します。mehmet.ali.anilが書いたように(しかし、彼が答えを削除したことがわかりました)、新しいワイヤを巻いてインダクタンスを約200uHに増やし、ビデオの最後で周波数を誤って調整したことがわかります。 「完璧な」値であり、CCM作業が成功した結果、しかし、それは常に静かにきしみ音を発し、特に出力電圧の変化の間はしつこく鳴ります。さらに、周波数は本当に限界に近く、約300 kHzです。事前に似たような動画をアップロードしておけばよかった。ここにリンクがあります:https://youtu.be/tgllx-tegwo


事件を誤解したため、回答を削除しました。
mehmet.ali.anil

きしみ音が大電流で発生する場合、飽和電流が原因である可能性がありますか?しきい電流の後、磁界はもはや磁気双極子を作成できないため、インダクタンスは突然ゼロになります。この電流は温度に強く依存し、コア材料によって決まります。
mehmet.ali.anil

ドレインからヒートシンクへの静電容量ソース:ecee.colorado.edu/~ecen5797/course_material/layout.pdfヒートシンクの実際のソースはEMCのこれです。learnemc.com/ pcb-layout興味深いと思ったので、思い出しましたそれ。
mehmet.ali.anil

おそらく問題ではありませんが、入力と出力の両方に電解のみのコンデンサを使用することは、常に安全策とは言えません。たとえば1 uFのフィルムをそれぞれ平行に配置すると、違いがわかりますか?きしみ音は何回ですか?それはあなたの出力のLC時定数に近いところですか?
winny

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3A / us di / dt。インダクタンス値を再確認します。インダクタの場合di / dt = V / L
sstobbe

回答:


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更新

594は494よりもはるかに高いGBWとより厳しい5V許容誤差を持っていますが、スイッチング速度には100 kHzではなく20 kHzを使用するリファレンスデザインがあります。また、f制御のC値を低くすることができます。他のすべては同じように見えるので、いくつかの変更を加えることで494をよりよく機能させることができます。

設計には、おそらく弱いプッシュプル電流またはデッドタイム電圧による奇妙なデッドタイムがあるようです。プッシュプルドライバーの設計には、fのf / 2(サブハーモニック)と弱いベース電流の組み合わせがあり、不安定になっています。したがって、ベース抵抗を10 Kではなく330オームに減らし、20 kHzのシングルエンドをRc = 10x Rbにして、Vgsを20Vに制限する必要がある場合は、分圧器またはツェナーでFETを駆動することをお勧めします。

この組み合わせにより、1%のデッドタイムと0%PWMから99%までのより厳しいレギュレーションが可能になります。ただし、デッドタイム設定を確認してください。

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磁気コンポーネントは、コイル、絶縁テープ、ボビンなどの多くの物理的に可動な要素を含んでいるため、可聴ノイズを生成する可能性があります。コイル内の電流は、コイル間に反発力および/または引力を生成する電磁場を生成します。これにより、電源のスイッチング周波数が20 Hz〜20 KHzの範囲にある場合、コイル、フェライトコア、または絶縁テープに機械的振動が発生し、人間の耳だけがノイズを聞くことができます。

可能な修正

  • Imax / Iminとスイッチレートの選択により、フラックススイングBppを下げる
  • 最小5%以上の負荷でCM電流を使用してDCモードで使用する場合、磁束の反転を防止します。(理想的ではない)
  • L抵抗、DCRを最小化すると、電流ランプの前にステップが上昇し、効果的にリップルが追加されるため、制御ループにノイズが追加されます。L / R比を計算し、低ESRキャップのC * ESR時定数と比較して、リアクター時定数を減らします。

フェライトには磁区があり、電流が逆方向になるとヒステリシスが生じます。これらを電流で刺激して0 Aを返すと、振動が刺激されますが、なぜですか?

仮説

サブハーモニックf / 2が不安定で、変調パルス幅が生じ、ボトムサイクルレートで使用されるメインの100kHz fと混ざる場合、100k〜50kの大きなスーパーヘットオーディオスキールが発生し、このサウンドが0〜50kHzになる可能性があります。

  • フィードバックフィルターへの変更は、進み遅れフィルターがこれを改善する可能性があります。

アップデート#2

Opは偶然にフェーズリードフィルターを作成して安定性を向上させる方法を発見しましたhttps://m.imgur.com/nBEd18F、次の改善は安定性マージンを最適化するフェーズ「リードラグフィルター」です。1つのキャップの代わりに2つのキャップとシリーズRを使用できます。1つのキャップは10倍大きく、Vdcの制御に使用されるRのシリーズの約1/10 in // HPFとして機能するフィードバックRを使用して、パルスの高周波成分を減らし、出力リップルを減らします。(申し訳ありませんが、タッチスクリーン上で指を使った回路図ありません)

  • 更新を終了

インダクターで電流が停止したとき、それは不連続モード(DCM)で動作しており、スイッチはこの時点で開いていなければならず、電流負荷はほとんど加えられていません。スイッチは、Lと直列に小さな静電容量を示します。これにより、最後の曲線で6 MHzの高インピーダンスの並列//共振が10μs未満で減衰します。これは皮膚の抵抗によって弱まり、皮膚と身体の静電容量によって周波数が低くなります。(?100k // 200pF ??)ヒートシンクに触れたがノイズの問題ではない場合。


これは私のMOSFETドライバの現在の回路図です:imgur.com/VWLBdt3。古いものでは電圧降下がありました(特定の電流を超えると、ツェナーダイオードの代わりにLM317レギュレーターを使用した場合でも、魔法のように電圧が降下して電源が見つかりませんでした)。これで問題が解決しました。
KamilWitek

それはOK、動作しますが、それはFET 330または470とすることができる場合BJTインピーダンスの減少は準最適3K2 TP 2K FETに2Kする場合
トニー・スチュワートSunnyskyguy EE75

結局のところ、抵抗によってピンがグランドに引き下げられているため、デッドタイムは追加されていません。これで、電圧を0Vから5Vに調整するポテンショメーターを追加したので、特定の出力電圧と電流のデッドタイムを微調整することができました。電圧を下げると、うなりが完全に削除されましたが、ヒスノイズが戻りました。デッドタイムを増やしてみましたが、オンタイムが短くなったため、高い電圧に戻すことができませんでした。もう1つの問題は、目的の電圧を選択してから電流を増やすことができることです。逆にすると、シューという音が戻ってきます。
KamilWitek

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多くの場合、ヒスノイズはCap ESRが高すぎるため、インダクタリップル電流が高すぎます。
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

フィルムコンデンサを直列に追加しました(ESRをLCR-T4テスターで確認したところ、0.00 showedでした)が、何もしませんでした。鉄粉コアでもう一度試しましたが、今回はCCMですが、以前と同じ話です。特定の出力電力では機能しますが、別の出力電力ではきしみます。最終的には、フェライトトランス、6ターンのワイヤー、DCMである最後の「動作」状態に戻りました。それは一種の作品ですが、私がそれを働かせたいとは思っていません。私は間違いなく将来この問題に戻るつもりですが、今私は(電流リミッターとして2番目のコンパレーターを使用する以外に)何が違うのかを知りません。
KamilWitek

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この問題を解決するための解決策は、このビデオhttps://youtu.be/wNnOfF1NkxI?t=1584で説明されているように、負のフィードバックを追加することです。まず、TL494の出力ピンとフィードバックピンの間にコンデンサを追加しました。問題は解決したようですが、適切な負のフィードバックを追加するよりもうまく機能しません。これを証明するいくつかのテストを実行しました。最初に、電流を0Aから3Aに増やし、次に発振器周波数を〜170 kHzから〜20 kHzに変更してから、「クラッシュ」(おそらく)に進みます。 TL494⇒300 kHzを超えてから、約170 kHzに戻ります。黄色のトレース-発振コンデンサの電圧、青色のトレース-インダクタを流れる電流。インダクターは鳴き声ではなくヒスノイズですが、使用しているコアによって異なります。EIを試したところ、目立たなくなったためです(夜の間にテープが緩んでインダクターがきしむようになりました。今はマニキュアを試しています。コアを接着し、それを分解する方法)、このテストは、工場で接着されたEEコアを使用して行われました。「spectroid」アプリのスクリーンショットは、出力電流が3Aで下部にあるときに行われます。20kHzのモーメントと上部の300 kHzが表示されます。

負帰還+コンデンサ https://youtu.be/S9KfA9NNXkE 負帰還+コンデンサ

否定的なフィードバック https://youtu.be/h1AN7rQTDa4 負のフィードバック

コンデンサー https://youtu.be/7h7OzDj9q8Y コンデンサー

なし(初期問題) https://youtu.be/nVOfPynJRGE 何もない

負帰還とコンデンサとは、次のことを意味します。 説明

後で、プッシュプルMOSFETドライバーが正常に機能するかどうかを確認します。必要に応じて、より高度な記録を行い、発振器の周波数に対応するインダクタによって生成される周波数を表示できます。

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