www.elektronik.si Seznam forumov www.elektronik.si
Forum o elektrotehniki in računalništvu
 
 PomočPomoč  IščiIšči  Seznam članovSeznam članov  SkupineSkupine  StatisticsStatistika  AlbumAlbum  DatotekeFilemanager DokumentacijaDocDB LinksPovezave   Registriraj seRegistriraj se 
  PravilaPravila  LinksBolha  PriponkePriponke  KoledarKoledar  ZapiskiZapiski Tvoj profilTvoj profil Prijava za pregled zasebnih sporočilPrijava za pregled zasebnih sporočil PrijavaPrijava 

Kako izbrati pravilno diodo za sinhroni buck pretvornik?

 
Objavi novo temo   Odgovori na to temo   Printer-friendly version    www.elektronik.si Seznam forumov -> Elektronika
Poglej prejšnjo temo :: Poglej naslednjo temo  
Avtor Sporočilo
Brusli
Član
Član



Pridružen-a: Tor 24 Nov 2020 12:10
Prispevkov: 26
Aktiv.: 2.08
Kraj: Hrastnik

PrispevekObjavljeno: Sob Sep 11, 2021 4:39 pm    Naslov sporočila:  Kako izbrati pravilno diodo za sinhroni buck pretvornik? Odgovori s citatom

Živjo!

Spravljam se v izdelavo svojega sinhronega DC/DC buck pretvornika (se pravi iz višje napetosti na nižjo), pa imam vprašanje na to temo. Prebral sem že kup literature iz spleta, a odgovora na to vprašanje nisem zasledil nikjer. Bom malo razložil o čem dovorim, da vidim, če sem zadevo razumel pravilno. Poglejmo si sliko, ki prikazuje razliko med sinhronim in asinhronim buck pretvornikom.



Kot vidimo, takšni pretvorniki napetosti delujejo tako, da z zgornjim mosfetom vklapljajo in izklapljajo vhodno napetost z določeno frekvenco in širino pulzov. Na izhodu mosfeta tako dobimo oglato-valovno napetost, ki pa jo moramo še pogladiti z LC filtrom, da na izhodu vezja dobimo lepo in gladko enosmerno napetost. Ko je zgornji mosfet izklopljen, mora preko tuljave še vedno teči nek tok v tokokrogu. Ta tokokrog pa bo pri asinhronih pretvornikih nastopil preko spodnje schottky-jeve diode. Tukaj se sicer troši neka moč, saj imajo schottky-jeve diode še vedno nek majhen padec napetosti oz. angl. "forward voltage" (cca 0.3V). Pri sinhronih pretvornikih pa schottky-jevo diodo nadomestimo z novim mosfetom ter nato oba vklapljamo in izklapljamo izmenično. Za to vrsto krmiljenja že obstajajo številna integrirana vezja - eden izmed njih je ADP3120A, ki ga nameravam uporabiti v svojem prototipu. Spodnji mosfet ima ob vklopu dosti nižjo upornost, kot schottky-jeva dioda, zato so sinhroni pretvorniki ponavadi bolj učinkoviti. Sicer pa je treba biti pozoren pri tovrstnem krmiljenju mosfetov, da se slučajno ne zgodi, da sta oba vklopljena hkrati, ker bi prišlo do kratkega stika. Zato krmilna vezja ponavadi uporabljajo tako imenovan mrtvi čas (dead time) - to je čas oz. zakasnitev, ki nastopa med preklopom mosfetov. Se pravi, da mora po tem, ko se prvi mosfet popolnoma izklopi, preteči nekaj časa preden se drugi mosfet sploh začne vklapljati. Med tem časom pa imamo zopet težavo, saj mora obstajati nek tokokrog. Se pravi, da mora nekaj prevajati tok. Kaj bo prevajalo? Eh?

Prevajala bo dioda v spodnjem mosfetu, ki je sestavni del vsakega n-kanalnega mosfeta.


Ta dioda pa je tipa PN, kar pomeni, da ima precej visok padec napetosti (0,7V) in tukaj se bo trošilo nekaj moči. Zato se pri sinhronih pretvornikih paralelno spodnjemu mosfetu ponavadi doda še schottky-jeva dioda, ki ima dosti manjši padec napetosti (0,3V) in učimkovitost pretvornika se izboljša za par %. Res je, da bo dioda prevajala samo ob mrtvem času, ki traja npr. 50ns ob vsakem preklopu, je pa teh preklopov zelo veliko, če zadevo krmilimo s frekvencami od 100 kHz navzgor.


Sedaj pa vprašanje.
V veliko besedilih sem našel razne enačbe za izračun izgub oz. moči, ki se troši na posameznih komponentah (oba mosfeta, tuljava, kondenzatorji, itd). Iz teh vrednosti lahko ocenimo kako velike komponente bomo potrebovali v svojem vezju. Nikjer pa ne najdem nobene enačbe za oceno moči te schottky-jeve diode. V nekaj člankih sem zasledil ocene moči, ki se trošijo na PN diodi v spodnjem mosfetu, kadar nimamo schottky-jeve diode.

Dead time power loss:
P(dt) = U(drv) * I(out) * (t(Dr) + t(Df)) * f(sw)
P(dt) [W] ... Dead time power loss; moč, ki se troši na diodi zaradi mrtvega časa
U(drv) [V] ... Driver voltage; Napetost na GATE terminalu mosfeta
I(out) [A] ... Output current; maksimalni tok na izhodu vezja
t(Dr) [ns] ... Dead time (rise); mrtvi čas pri vklopu mosfeta
t(Df) [ns] ... Dead time (fall); mrtvi čas pri izklopu mosfeta
f(sw) [Hz] ... Switching frequency; frekvenca preklaplanja

Diode reverse recovery loss:
P(rr) = Q(rr) * U(in) * f(sw)
P(rr) [W] ... Reverse recovery power loss
Q(rr) [nC] ... Diode reverse-recovery charge
U(in) [V] ... Input voltage; napetost na vhodu vezja
f(sw) [Hz] ... Switching frequency; frekvenca preklaplanja

Ti dve enačbi sem sicer želel prilagoditi za schottky-jevo diodo, vendar pa nobena schottky-jeva dioda nima v svojem datasheet-u navedenega parametra Q(rr). Think Za prvo enačbo sem pa uporabil tole enačbo:

P = U(fv) * I(out) * (t(Dr) + t(Df)) * f(sw)
U(fv) [V] ... Schottky diode forward voltage (0.3V)
I(out) [A] ... povprečni tok, ki teče preko te diode v mrtvem času (16A)
t(Dr), t(Df) [ns] ... mrtva časa, ki jih dobim iz datasheet-a krmilnika (Za ADP3120A sta 70ns in 35ns).
f(sw) [kHz] ... frekvenca preklaplanja (100 kHz)

P = U(fv) * I(out) * (t(Dr) + t(Df)) * f(sw)
P = 0.3V * 16A * (70ns + 35ns) * 100 kHz
P = 0,0504W

Se pravi, za tako vezje bo zadostovala schottky-jeva dioda moči 0.05W, vendar bomo zaradi varnosti vzeli nekaj rezerve in izbrali diodo z nekoliko večjo močjo. Izbrali bomo npr. 250 mW schottky-jevo diodo.

Bo takšen izračun pravilen?

lp
Nazaj na vrh
Odsoten Poglej uporabnikov profil Pošlji zasebno sporočilo
bostjang
Član
Član



Pridružen-a: Tor 03 Jan 2006 15:29
Prispevkov: 2394
Aktiv.: 12.35
Kraj: Postojna

PrispevekObjavljeno: Ned Sep 12, 2021 7:43 am    Naslov sporočila:   Odgovori s citatom

Lepa razlaga delovanja in razlik v asinhronem in sinhronem pretvorniku.

Z izračunom se strinjam. Prednost schottky diode je tudi njena hitrost, zato Qrr zanemarimo. Res pa je tudi, da MOSFET-a vplivata na čas prevajanje te diode. Ena od možnosti za preverjanje izračunov je simulacija, seveda če imaš realne modele vseh elementov.
Nazaj na vrh
Odsoten Poglej uporabnikov profil Pošlji zasebno sporočilo
DusanK
Član
Član



Pridružen-a: Pon 19 Nov 2012 23:46
Prispevkov: 1452
Aktiv.: 13.19
Kraj: Medvode - med vodami

PrispevekObjavljeno: Ned Sep 12, 2021 12:03 pm    Naslov sporočila:   Odgovori s citatom

Nisem ravno strokovnjak ampak 16A in 0,05W mi ne gresta skupaj, resda je čas kratek pa vseeno.
V tem članku je izračun za schottky diodo D2, ki je dana paralelno drugemu mosfetu v buck konverterju, kjer je Vin=10V, Vout=5V in Load current Il=0,9A.

Izračun toka hitre diode je po formuli Id=(1-Vout/Vin)*Il = (1-0,5)*0,9 = 0,45A. Vzeli so potem tako za 1A, 30V in low
reverse recovery time
.

Mogoče lahko potegneš kako vzporednico.



Buck_converter_design_for_photovoltaic_generators_.pdf
 Opis:

Download
 Ime datoteke:  Buck_converter_design_for_photovoltaic_generators_.pdf
 Velikost datoteke:  638.75 KB
 Downloadano:  3 krat


_________________
Največji čar - električar
Nazaj na vrh
Odsoten Poglej uporabnikov profil Pošlji zasebno sporočilo
Brusli
Član
Član



Pridružen-a: Tor 24 Nov 2020 12:10
Prispevkov: 26
Aktiv.: 2.08
Kraj: Hrastnik

PrispevekObjavljeno: Ned Sep 12, 2021 1:16 pm    Naslov sporočila:   Odgovori s citatom

DusanK: Tole meni ne gre čisto v glavo. Če prav razumem tale članek, so oni izračunali "povprečen tok", ki naj bi tekel skozi diodo, ko sta oba mosfeta izklopljena. Samo se mi tista enačba zdi nekam čudna oz. se s tem ne strinjam.

Tok, ki bo tekel skozi schottky-jevo diodo, bo enak kar toku na tuljavi, kadar bo dioda prevajala in ta bo prevajala samo ob mrtvem času. Se pravi, ko sta oba mosfeta izklopljena. Mrtvi čas bomo pa pridobili oz. prebrali iz datasheeta za sinhroni krmilnik, ki krmili oba mosfeta. Tista enačba I(D) = (1 - D) * I(L) pa podaja povprečni tok, ki bi tekel skozi schottky-jevo diodo, če spodnjega mosfeta nebi bilo (se pravi pri asinhronem pretvorniku), ko je zgornji mosfet izklopljen. Ker so oni v bistvu uporabili enačbo za duty-cycle D = V(out)/V(in) in ta nam podaja delež časa, ko je zgornji mosfet vklopljen oz. 1-D, ko je spodnji mosfet vklopljen.

Posledično so izbrali diodo, ki se nanaša na celotni tok v spodnjem delu. Pri sinhronem pretvorniku pa bo večino časa prevajal mosfet na spodnjem delu, zato bomo diodo izbrali le glede na tokovne pulze ob mrtvem času - se pravi, da diodo izberemo tako, da bo imela "surge current" večji od maksimalnega toka na tuljavi I(max) = I(out) + I(ripple) / 2 ter zaporno napetost večjo od vhodne napetosti z nekaj rezerve.

Še dodatni izračun:
V njihovem izračunu je upoštevan celoten čaz izklopa zgornjega mosfeta, kjer naj bi tok prevajalo nekaj v spodnjem delu. To pa bi bilo (1-D) * t(perioda). D = V(out) / V(in) = 5V / 10V = 50%. Polovico časa naj bi prevajal zgornji mosfet, polovico časa pa spodnji del. In oni so za diodo izračunali povprećni tok glede na delež izklopa zgornjega mosfeta: I(avg) = 0.9A * 0.5 = 0.45 A. Kot da polovico časa prevaja dioda, polovico časa ne.

Vendar jaz pa pravim, da bo stvar delovala drugače. Ko je odprt zgornji mosfet, takrat tok skozi diodo ne teče. Ko pa je ta zaprt in odprt spodnji mosfet, pa tok teče skozi slednjega. Tok skozi schottky-jevo diodo teče samo takrat, ko sta oba mosfeta zaprta. Torej samo v mrtvem času. Recimo, da imamo mrtvi čas za vzpon 50 ns in za padec 50 ns - torej 100 ns skupaj.

Oni pa pretvornik krmilijo s frekvenco 400 kHz, kar pomeni, da bo ena perioda dolga 2.5 mikro sekunde oz. 2500 ns. Če sedaj izračunamo povprečni tok skozi diodo glede na ta dva časa, dobimo:

DTR = t(mrtvi) / t(perioda) = 100ns / 2500ns = 0,04
I(avg) = I(out) * DTR = 0,9A * 0,04 = 36 mA.

Povprečni tok skozi schottky-jevo diodo bo torej 36 mA, vendar moramo izbrati takšno diodo, ki ima "surge current" večji od 1,1A (z nekaj rezerve).


Nazadnje urejal/a Brusli Ned Sep 12, 2021 1:37 pm; skupaj popravljeno 1 krat
Nazaj na vrh
Odsoten Poglej uporabnikov profil Pošlji zasebno sporočilo
Sigi
Član
Član



Pridružen-a: Čet 31 Jul 2014 11:42
Prispevkov: 169
Aktiv.: 1.89
Kraj: Kamnik

PrispevekObjavljeno: Ned Sep 12, 2021 1:36 pm    Naslov sporočila:   Odgovori s citatom

0,3V na Schottky diodi je precej optimistično za majhno diodo, ki jo ženeš pulzno v "surge current" meje. Preveri Uf pri diodi za nazivni izhodni tok napajalnika in predvidevam, da boš moral ne glede na izračunano moč na diodi izbrati kar precej veliko diodo, če boš želel dobiti sprejemljivo majhen Uf za smiselno povečanje izkoristka napajalnika
Nazaj na vrh
Odsoten Poglej uporabnikov profil Pošlji zasebno sporočilo
bostjang
Član
Član



Pridružen-a: Tor 03 Jan 2006 15:29
Prispevkov: 2394
Aktiv.: 12.35
Kraj: Postojna

PrispevekObjavljeno: Pon Sep 13, 2021 8:32 am    Naslov sporočila:   Odgovori s citatom

Takoj je. Eno je moč, ki se bo trošila na diodi, drugo je tok, ki bo ob prevajanju tekel skozi diodo. Pri taki uporabi je dobro upoštevati serijsko upornost diode, da se izračuna padec na diodi.
Ravno delam na enem pretvorniku, kjer se schottky dioda v TO-220 na zraku segreje proti 100C, čeprav je povprečen tok do 200mA. Impulzi so namreč do 35A.
Nazaj na vrh
Odsoten Poglej uporabnikov profil Pošlji zasebno sporočilo
Brusli
Član
Član



Pridružen-a: Tor 24 Nov 2020 12:10
Prispevkov: 26
Aktiv.: 2.08
Kraj: Hrastnik

PrispevekObjavljeno: Pon Sep 13, 2021 11:47 am    Naslov sporočila:   Odgovori s citatom

Tisto napetost 0,3V sem dal tako na hitro za primerjavo. Bolj realne vrednosti bodo okoli 0,4V. Res pa je, da bo treba pogledati v datasheet za bolj točne podatke.

Za moje potrebe bo ocena:
P(sch) = U(fw) * I(out) * t(dead) * f(sw)
= 0,4V * 16A * 100 ns * 100 kHz
= 64 mW

Poglejmo si npr. naslednjo diodo:
https://eu.mouser.com/datasheet/2/427/VISH_S_A0006177026_1-2569584.pdf

Ta ima Uf enak 0,37V. V mojem primeru imam izračunan D enak cca 30% pri frekvenci 100 kHz in toku 16A. Povprečni tok skozi diodo bo torej I(out) * t(dead) * f(sw) = 16A * 100 ns * 100 kHz = 160 mA. Na grafu "Average power loss" na strani 2 (desno spodaj) v datasheet-u lahko vidimo približno zgubo energije glede na povprečni tok. Če pogledamo krivuljo za D = 0,3, vidimo, da bo pri 160 mA vrednost res okoli 0,06W. Mogoče bi vzel kar tole diodo, pa voljno.
Nazaj na vrh
Odsoten Poglej uporabnikov profil Pošlji zasebno sporočilo
bostjang
Član
Član



Pridružen-a: Tor 03 Jan 2006 15:29
Prispevkov: 2394
Aktiv.: 12.35
Kraj: Postojna

PrispevekObjavljeno: Pon Sep 13, 2021 2:15 pm    Naslov sporočila:   Odgovori s citatom

Ne bo držalo. Briga diodo kakšen je D tvojega pretvornika. Njo zanima kakšen je njen D (1%).

Gledati moraš sliko 3, kjer razbereš, da je pri 16A padec 0,8V in tega upoštevaš v izračunih (množiš s tvojih 160mA). Vidimo, da je krivulja tam mnogo bolj položna, znatni del padca je torej na ohmski upornosti diode.
Ampak ali tolikšen padec še pomeni, da dioda opravlja svojo funkcijo (prevzema tok iz MOSFET-a nase)?

Žal je tako, da je včasih treba diodo izbrati glede na impulz, ne glede na moč, ki se troši na njej.
Nazaj na vrh
Odsoten Poglej uporabnikov profil Pošlji zasebno sporočilo
Sigi
Član
Član



Pridružen-a: Čet 31 Jul 2014 11:42
Prispevkov: 169
Aktiv.: 1.89
Kraj: Kamnik

PrispevekObjavljeno: Pon Sep 13, 2021 2:15 pm    Naslov sporočila:   Odgovori s citatom

Brusli je napisal/a:
Tisto napetost 0,3V sem dal tako na hitro za primerjavo. Bolj realne vrednosti bodo okoli 0,4V. Res pa je, da bo treba pogledati v datasheet za bolj točne podatke.

Za moje potrebe bo ocena:
P(sch) = U(fw) * I(out) * t(dead) * f(sw)
= 0,4V * 16A * 100 ns * 100 kHz
= 64 mW

Poglejmo si npr. naslednjo diodo:
https://eu.mouser.com/datasheet/2/427/VISH_S_A0006177026_1-2569584.pdf

Ta ima Uf enak 0,37V. V mojem primeru imam izračunan D enak cca 30% pri frekvenci 100 kHz in toku 16A. Povprečni tok skozi diodo bo torej I(out) * t(dead) * f(sw) = 16A * 100 ns * 100 kHz = 160 mA. Na grafu "Average power loss" na strani 2 (desno spodaj) v datasheet-u lahko vidimo približno zgubo energije glede na povprečni tok. Če pogledamo krivuljo za D = 0,3, vidimo, da bo pri 160 mA vrednost res okoli 0,06W. Mogoče bi vzel kar tole diodo, pa voljno.


Ne vem s kje pobiraš te "ocene" za Uf? Za izbrano diodo z linka v forward karakteristiki pri 16A preberem cca 0,7V. Ali pa tukaj nekaj ne razumem in bom prav vesel če bom moral kaj novega naučit...
Nazaj na vrh
Odsoten Poglej uporabnikov profil Pošlji zasebno sporočilo
Sigi
Član
Član



Pridružen-a: Čet 31 Jul 2014 11:42
Prispevkov: 169
Aktiv.: 1.89
Kraj: Kamnik

PrispevekObjavljeno: Pon Sep 13, 2021 2:17 pm    Naslov sporočila:   Odgovori s citatom

Me je prehitel Boštjan Very Happy
Nazaj na vrh
Odsoten Poglej uporabnikov profil Pošlji zasebno sporočilo
Brusli
Član
Član



Pridružen-a: Tor 24 Nov 2020 12:10
Prispevkov: 26
Aktiv.: 2.08
Kraj: Hrastnik

PrispevekObjavljeno: Pon Sep 13, 2021 4:06 pm    Naslov sporočila:   Odgovori s citatom

Uf, pa res. d'oh!
Hvala obema za opozorilo. Zgleda, da sem se zakalkuliral oz. grafe narobe interpretiral. Dioda na zgornji povezavi ima Uf res pri 0,37V, vendar pri toku 3A, ne pa pri 16A! Bom popravil izračune.
P = 0,8V * 16A * 100 ns * 100 kHz = 0,128W
Tisto glede Uf večji od mosfetove diode bo pa spet držalo. Bom moral nazaj na iskalnik. Potem bolje, da iščem take, ki imajo forward current večji od cca 16A namesto surge current?
Primer: https://eu.mouser.com/datasheet/2/115/DIOD_S_A0001069160_1-2541914.pdf

Sigi je napisal/a:
Ne vem s kje pobiraš te "ocene" za Uf?

Dobivam jih na spletnih trgovinah, kot so Mouser, Farnell in TME. Tu imaš seznam parametrov, kjer se lahko iščeš izdelke po specifikacijah. Schottky diode imajo polje, kjer lahko izberem Uf in dobim seznam vseh diod, ki imajo ta parameter med 0 in npr. 500 mV. Okoli 400 do 500 mV jih je kar precej, tiste pod 400 mV pa so že kar redke. Res pa je, da nisem bil pozoren pri katerm toku velja ta parameter. Silenced
Nazaj na vrh
Odsoten Poglej uporabnikov profil Pošlji zasebno sporočilo
bostjang
Član
Član



Pridružen-a: Tor 03 Jan 2006 15:29
Prispevkov: 2394
Aktiv.: 12.35
Kraj: Postojna

PrispevekObjavljeno: Tor Sep 14, 2021 9:26 am    Naslov sporočila:   Odgovori s citatom

Brusli je napisal/a:
Potem bolje, da iščem take, ki imajo forward current večji od cca 16A namesto surge current?

Ni potrebe.
Brusli je napisal/a:
Schottky diode imajo polje, kjer lahko izberem Uf in dobim seznam vseh diod, ki imajo ta parameter med 0 in npr. 500 mV. Okoli 400 do 500 mV jih je kar precej, tiste pod 400 mV pa so že kar redke. Res pa je, da nisem bil pozoren pri katerm toku velja ta parameter. :-#

Ravno zaradi tega so take izbire precej nerodne in pogosto neuporabne. Raje filtriraj po napetosti in sprejemljivih ohišjih. (Diode, ki zdržijo višjo napetost imajo praviloma tudi višji padec v prevodni smeri.) Za tok (pa tudi napetost) izbereš neko smiselno območje (ugotovil si, da bo 3A najbrž premalo). Potem pa rezultate malo preklikaš.
V praksi se pogosto uporabi močnejšo diodo (ali tranzistor) zgolj zaradi manjšega padca.
Nazaj na vrh
Odsoten Poglej uporabnikov profil Pošlji zasebno sporočilo
mosqito
Član
Član



Pridružen-a: Čet 07 Apr 2016 23:22
Prispevkov: 1523
Aktiv.: 22.11

PrispevekObjavljeno: Tor Sep 14, 2021 11:25 am    Naslov sporočila:   Odgovori s citatom

V tem času je zelo pomemben podatek tudi razpoložljivost komponent. Na žalost moraš začeti pri tem, sicer se ti obeta čakanje 50 in več tednov Sad
_________________
Always going the extra mile.
Nazaj na vrh
Odsoten Poglej uporabnikov profil Pošlji zasebno sporočilo
Pokaži sporočila:   
Objavi novo temo   Odgovori na to temo   Printer-friendly version    www.elektronik.si Seznam forumov -> Elektronika Časovni pas GMT + 2 uri, srednjeevropski - poletni čas
Stran 1 od 1

 
Pojdi na:  
Ne, ne moreš dodajati novih tem v tem forumu
Ne, ne moreš odgovarjati na teme v tem forumu
Ne, ne moreš urejati svojih prispevkov v tem forumu
Ne, ne moreš brisati svojih prispevkov v tem forumu
Ne ne moreš glasovati v anketi v tem forumu
Ne, ne moreš pripeti datotek v tem forumu
Ne, ne moreš povleči datotek v tem forumu

Uptime: 113 dni


Powered by phpBB © 2001, 2005 phpBB Group