Mataas na Boltahe Lumipat Mode Power Supply (SMPS) / Boost Converter para sa Nixie Tubes: 6 Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:15

Ang SMPS na ito ay nagpapalakas ng mababang boltahe (5-20 volts) sa mataas na boltahe na kinakailangan upang maghimok ng mga nixie tubes (170-200 volts). Babalaan: kahit na ang maliit na circuit na ito ay maaaring mapatakbo sa mga baterya / mababang boltahe na pader-worts, ang output ay higit pa sa sapat upang mapatay ka!

Kasama sa proyekto ang: Helper Spreadsheet EagleCAD CCT & PCB file MikroBasic Firmware Source

Hakbang 1: Paano Ito Gumagana?

Ang disenyo na ito ay batay sa Microchip Application Note TB053 na may maraming mga pagbabago batay sa karanasan ng mga miyembro ng Neonixie-L (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Kunin ang tala ng app - magandang basahin lamang ng ilang mga pahina: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Ang ilustrasyon sa ibaba ay sipi mula sa TB053. Binabalangkas nito ang pangunahing prinsipyo sa likod ng SMPS. Ang isang microcontroller ay nagbigay ng batayan sa isang FET (Q1), na nagpapahintulot sa isang pagsingil na bumuo sa inductor L1. Kapag ang FET ay naka-off, ang singil ay dumadaloy sa pamamagitan ng diode D1 sa capacitor C1. Ang Vvfb ay isang feedback ng divider ng boltahe na nagbibigay-daan sa microcontroller na subaybayan ang mataas na boltahe at buhayin ang FET kung kinakailangan upang mapanatili ang nais na boltahe.

Hakbang 2: Mga Katangian ng Inductor

Bagaman napakaganda, ang tala ng Microchip app ay tila isang paurong sa akin. Nagsisimula ito sa pamamagitan ng pagtukoy ng kinakailangang lakas, pagkatapos ay pipili ng isang oras ng pagsingil ng inductor nang walang pag-aalala para sa mga magagamit na inductor. Natagpuan ko na mas kapaki-pakinabang upang pumili ng isang inductor at idisenyo ang application sa paligid nito. Ang mga inductor na ginamit ko ay "C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH" (Mouser part 580-18R104C, 1.2 amp, $ 1.40), (Mouser part 580-22R104C, 0.67 amp, $ 0.59). Pinili ko ang mga inductor na ito sapagkat ang mga ito ay napakaliit, napakamura, mayroon pang disenteng mga rating ng kuryente. Alam na namin ang max na tuloy-tuloy na rating ng aming coil (0.67 amps para sa 22R104C), ngunit kailangan nating malaman kung gaano katagal bago mag-charge (pagtaas ng oras). Sa halip na gumamit ng isang nakapirming oras ng pagsingil (tingnan ang equation 6 sa TB053) upang matukoy ang kinakailangang mga coil amp, maaari nating tanungin ang equation 6 at malutas ang pagtaas ng oras: (tala: ang equation 6 sa TB053 ay mali, dapat itong L, hindi 2L) (Volts in / Inductor uH) * pagtaas_time = Peak Amps -becomes- (Inductor uH / Volts in) * Peak Amps = pagtaas ng oras.-gamit ang 22R104C na may isang supply ng 5 volt ay nagbibigay sa mga sumusunod- (100/5) * 0.67 = Ang 13.5uSIt ay kukuha ng 13.5 uS upang ganap na singilin ang coil ng inductor sa 5 volts. Malinaw na, ang halagang ito ay magkakaiba sa iba't ibang mga voltages ng supply. Tulad ng nabanggit sa TB053: "Ang kasalukuyang nasa isang inductor ay hindi maaaring magbago kaagad. Kapag ang Q1 ay naka-off, ang kasalukuyang sa L1 ay patuloy na dumaloy sa pamamagitan ng D1 sa imbakan capacitor, C1, at ang pagkarga, RL. Kaya, ang kasalukuyang sa inductor binabawas nang tuwid sa oras mula sa rurok na kasalukuyang. "Maaari nating matukoy ang dami ng oras na aabutin ng kasalukuyang daloy mula sa inductor gamit ang TB05 equation 7. Sa pagsasagawa ang oras na ito ay napakaikli. Ang equation na ito ay ipinatupad sa kasama na spreadsheet, ngunit hindi tatalakayin dito. Gaano karaming lakas ang makakakuha tayo mula sa isang 0.67 amp inductor? Ang kabuuang lakas ay natutukoy ng sumusunod na equation (equation ng tb053 5): Power = (((pagtaas ng oras) * (Volts in)^{2) / (2 * Inductor uH))}-gamit ng aming nakaraang mga halaga na nakita namin-1.68 Watts = (13.5uS * 5volts^{2) / (2 * 100uH)}-convert watts sa mA-mA = ((Power Watts) / (output volts)) * 1000-gamit ang isang output boltahe na 180 na matatagpuan namin-9.31mA = (1.68Watts / 180volts) * 1000Makakuha tayo ng maximum na 9.31 mA mula sa ang coil na ito na may 5 volt supply, hindi pinapansin ang lahat ng mga inefficiency at paglipat ng pagkalugi. Ang higit na lakas na output ay maaaring makamit sa pamamagitan ng pagtaas ng boltahe ng suplay. Ang lahat ng mga kalkulasyon na ito ay ipinatupad sa "Talahanayan 1: Mga Pagkalkula ng Coil para sa Mataas na Boltahe Power Supply" ng spreadsheet na kasama ng itinuturo na ito. Maraming mga halimbawa ng coil ang ipinasok.

Hakbang 3: Pagmamaneho ng SMPS Gamit ang isang Microcontroller

Ngayon na nakalkula namin ang oras ng pagtaas para sa aming coil maaari naming i-program ang isang microcontroller upang singilin ito ng sapat na katagal upang maabot ang na-rate na mA. Isa sa mga pinakamadaling paraan upang magawa ito ay ang paggamit ng hardware pulse width modulator ng isang PIC. Ang pulso width modulation (PWM) ay may dalawang variable na nakabalangkas sa figure sa ibaba. Sa panahon ng cycle ng tungkulin ang PIC ay lumiliko sa FET, saligan ito at pinapayagan ang kasalukuyang sa coil ng inductor (pagtaas ng oras). Sa natitirang panahon na ang FET ay patay at kasalukuyang dumadaloy mula sa inductor sa pamamagitan ng diode patungo sa mga capacitor at load (fall time). Alam na natin ang kinakailangang oras ng pagtaas mula sa aming nakaraang mga kalkulasyon: 13.5uS. Ipinapahiwatig ng TB053 na ang oras ng pagtaas ay 75% ng panahon. Natukoy ko ang aking halaga ng panahon sa pamamagitan ng pagpaparami ng oras ng pagtaas ng 1.33: 17.9uS. Ito ay naaayon sa mungkahi sa TB053 at tinitiyak na ang inductor ay mananatili sa hindi nagpapatuloy na mode â ganap na naglalabas pagkatapos ng bawat pagsingil. Posibleng makalkula ang isang mas eksaktong panahon sa pamamagitan ng pagdaragdag ng kinakalkula ng oras ng pagtaas sa kinakalkula na oras ng taglagas, ngunit hindi ko ito tinangka. Ngayon matutukoy natin ang aktwal na mga cycle ng tungkulin at mga halaga ng panahon upang pumasok sa microcontroller upang makuha ang nais na mga agwat ng oras. Sa manwal ng Microchip PIC Mid-range nakita namin ang mga sumusunod na equation (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf):PWM Duty Cycle uS = (10 bit Duty Cycle Value) * (1 / Oscillator Frequency) * Prescaler Kung itinakda namin ang prescaler sa 1 at talunin ang equation na ito sa isang stick ng algebra na nakukuha namin: 10 bit Halaga ng Cycle ng Katungkulan = PWM Duty Cycle uS * Oscillator FrequencyPagpalit ng Duty Cycle uS para sa kinakalkula na oras ng pagtaas, at ipalagay ang isang 8 Mhz oscillator dalas: 107 = 13.5uS * 8Mhz107 ay ipinasok sa PIC upang makakuha ng isang cycle ng tungkulin na 13.5uS. Susunod, natutukoy namin ang PWM na Panahon na Halaga. Mula sa Manu-manong Mid-Range nakukuha namin ang sumusunod na equation: PWM period uS = ((PWM period halaga) + 1) * 4 * (1 / oscillator frequency) * (prescale value) Muli, itinakda namin ang prescaler sa 1 at ginugulo ang equation para sa halaga ng panahon ng PWM, na nagbibigay sa amin: Halaga ng panahon ng PWM = ((PWM Panahon uS / (4 / Oscillator frequency)) - 1) Panahon ng Kapalit uS para sa (1.33 * pagtaas ng oras), at ipalagay ang dalas ng 8 Mhz oscillator: 35 = ((17.9 / (4/8)) - 1) 35 ay ipinasok sa PIC upang makakuha ng isang panahon ng 17.9uS. Ngunit sandali! Hindi ba mas maikli ang panahon kaysa sa cycle ng tungkulin? Hindi - Ang mga PIC ay mayroong 10 bit duty cycle register at isang 8 bit period register. Mayroong higit pang resolusyon para sa halaga ng cycle ng tungkulin, kung gayon ang halaga nito minsan ay magiging mas malaki kaysa sa halaga ng panahon - lalo na sa mga mataas na frequency. Ang lahat ng mga kalkulasyon na ito ay ipinatupad sa "Talahanayan 2. Mga Pagkalkula ng PWM" ng spreadsheet na kasama ng itinuturo na ito. Maraming mga halimbawa ng coil ang ipinasok.

Hakbang 4: Disenyo ng PCB

Ang PCB & CCT ay nasa format na EagleCad. Parehong kasama sa archive ng ZIP.

Tiningnan ko ang maraming mga mayroon nang mga disenyo kapag ginagawa ang PCB na ito. Narito ang aking mga tala: mahalagang katangian ng disenyo: 1. Sinundan ko ang tala ng Microchip APP at gumamit ng TC4427A upang himukin ang FET. Pinoprotektahan ng A) ang microcontroller mula sa flyback voltages na nagmumula sa FET, at B) ay maaaring himukin ang FET sa mas mataas na voltages kaysa sa PIC para sa mas mabilis / mas mahirap na paglipat na may mas mahusay na kahusayan. 2. Ang distansya mula sa PWM ng PIC sa FET ay nai-minimize. 3. FET, inductor, capacitors naka-pack na talagang masikip. 4. bakas ng suplay ng taba. 5. Mahusay na lupa sa pagitan ng FET at point ng koneksyon sa wall-wort. Pinili ko ang PIC 12F683 microcontroller para sa proyektong ito. Ito ay isang 8 pin PIC na may hardware PWM, 4 analog sa digital converter, 8Mhz internal oscillator, at 256 byte EEPROM. Pinakamahalaga, mayroon akong isa sa mayroon mula sa isang nakaraang proyekto. Ginamit ko ang IRF740 FET dahil sa mataas na pagkilala nito sa listahan ng Neonixie-L. Mayroong 2 capacitor upang makinis ang supply ng HV. Ang isa ay isang electrolytic (mataas na temperatura, 250 volts, 1uF), ang isa pa ay isang metal film (250 volts, 0.47uf). Ang huli ay mas malaki at mas mahal ($ 0.50 kumpara sa $ 0.05), ngunit kinakailangan upang makakuha ng isang malinis na output. Mayroong dalawang mga circuit ng feedback ng boltahe sa disenyo na ito. Pinapayagan ng una ang PIC na maunawaan ang output boltahe at maglapat ng mga pulso sa FET kung kinakailangan upang mapanatili ang nais na antas. Ang "Table3. Mga Kalkulasyon ng Network ng feedback ng Mataas na Boltahe" ay maaaring magamit upang matukoy ang tamang halaga ng feedback na ibinigay sa 3 risistor divider divider at nais na boltahe ng output. Ang pinong pag-tune ay tapos na sa 1k trimmer risistor. Sinusukat ng pangalawang feedback ang supply boltahe upang matukoy ng PIC ang pinakamainam na oras ng pagtaas (at mga halaga ng cycle ng panahon / tungkulin). Mula sa mga equation sa hakbang 1 nakita namin na ang oras ng pagtaas ng inductor ay nakasalalay sa boltahe ng suplay. Posibleng ipasok ang eksaktong mga halaga mula sa spreadsheet sa iyong PIC, ngunit kung binago ang supply ng kuryente ang mga halaga ay hindi na pinakamainam. Kung tumatakbo mula sa mga baterya, ang boltahe ay mabawasan habang ang mga baterya ay naglalabas na nangangailangan ng mas mahabang oras ng pagtaas. Ang aking solusyon ay hayaan ang PIC na kalkulahin ang lahat ng ito at magtakda ng sarili nitong mga halaga (tingnan ang firmware). Pinipili ng tatlong pin jumper ang mapagkukunan ng supply para sa TC4427A at inductor coil. Posibleng patakbuhin ang pareho mula sa 7805 5 volt regulator, ngunit ang mas mahusay na mga kahusayan at mas mataas na output ay nakamit sa isang mas malaking boltahe ng suplay. Parehong ang TC4427a at ang IRF740 FET ay makatiis hanggang sa ~ 20 volts. Dahil ang PIC ay i-calibrate para sa anumang naibigay na boltahe ng suplay makatuwiran na pakainin ang mga ito nang direkta mula sa power supply. Lalo na ito ay mahalaga sa pagpapatakbo ng baterya - hindi na kailangang mag-aksaya ng lakas sa 7805, direktang feed lang ang inductor mula sa mga cell. Ang mga LED ay opsyonal, ngunit madaling gamitin para sa pag-shoot ng problema. Ang 'kaliwang' LED (dilaw sa aking mga board) ay nagpapahiwatig na ang feedback ng HV ay nasa ilalim ng nais na punto, habang ang tamang LED (pula sa aking disenyo) ay nagpapahiwatig na tapos na ito. Sa pagsasagawa makakakuha ka ng isang magandang epekto sa PWM kung saan ang LEDS ay kumikinang sa kasidhian na may kaugnayan sa kasalukuyang karga. Kung ang pulang LED ay lumiliko (solid) off ipinapahiwatig nito na, sa kabila ng pinakamahusay na pagsisikap nito, hindi maipapanatili ng PIC ang output boltahe sa nais na antas. Sa madaling salita, lumampas ang load sa maximum na output ng SMPS. HUWAG MAKALIMUTAN ANG MGA JUMPER WIRES na ipinakita sa Pula! Partlist Part Value C1 1uF 250V C3 47uF 50V C4 47uF (50V) C5 0.1uF C6.1uf C7 4u7 (50V) C8 0.1uF C9 0.1uF C11 0.47uF / 250V D1 600V 250ns IC2 TC4427a IC5 7805 5volt regulator IC7 PIC 12F683 L1 Induct (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0.47K R3 1K Linear Trimmer R4 330 Ohm R5 100K R6 330 Ohm R7 10K SV1 3 Pin Header X2 3 Screw Terminal

Hakbang 5: Firmware

Ang firmware ay nakasulat sa MikroBasic, ang tagatala ay libre para sa mga programa hanggang sa 2K (https://www.mikroe.com/). Kung kailangan mo ng isang programmer ng PIC, isaalang-alang ang aking pinahusay na board programmer ng JDM2 na nai-post din sa mga itinuturo (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Pangunahing operasyon: 1. Kapag nailapat ang lakas ay nagsisimula ang PIC. 2. Ang mga pagkaantala ng PIC para sa 1 segundo upang payagan ang mga voltages na patatagin. 3. Binabasa ng PIC ang feedback ng supply boltahe at kinakalkula ang pinakamainam na cycle ng tungkulin at mga halaga ng panahon. 4. Na-log ng PIC ang pagbabasa ng ADC, cycle ng tungkulin, at mga halaga ng panahon sa EEPROM. Pinapayagan nito ang ilang mga pagbaril sa problema at tumutulong na masuri ang mga pagkabigo ng sakuna. Ang address ng EEPROM 0 ay ang pointer ng pagsulat. Ang isang 4 byte log ay nai-save sa tuwing nagsisimula ang SMPS (muling). Ang unang 2 byte ay mataas / mababa ang ADC, ang pangatlong byte ay mas mababa sa 8 piraso ng halaga ng cycle ng tungkulin, ika-apat na byte ang halaga ng panahon. Isang kabuuan ng 50 calibration (200 bytes) ay naka-log bago gumulong ang sumulat ng pointer at magsimulang muli sa EEPROM address 1. Ang pinakahuling log ay matatagpuan sa pointer-4. Maaaring mabasa ang mga ito mula sa maliit na tilad gamit ang isang programmer ng PIC. Ang pinakamataas na 55 byte ay iniiwan na libre para sa mga pagpapahusay sa hinaharap (tingnan ang mga pagpapabuti). 5. Ang PIC ay pumapasok sa walang katapusang loop - sinusukat ang halaga ng feedback ng mataas na boltahe. Kung ito ay nasa ibaba ng ninanais na halaga ang mga pagrehistro ng cycle ng tungkulin ng PWM ay puno ng kinakalkula na halaga - TANDAAN: ang mas mababang dalawang piraso ay mahalaga at dapat na mai-load sa CPP1CON 5: 4, ang itaas na 8 na bit ay pupunta sa CRP1L. Kung ang puna ay nasa itaas ng nais na halaga, ang PIC ay naglo-load ng pagrerehistro sa cycle ng tungkulin na may 0. Ito ay isang 'pulse skip' system. Napagpasyahan kong laktawan ang pulso para sa dalawang kadahilanan: 1) sa napakataas na frequency na walang gaanong lapad ng tungkulin upang i-play (0-107 sa aming halimbawa, mas mababa sa mas mataas na mga voltages ng pag-supply), at 2) posible ang pagbago ng dalas, at nagbibigay ng mas maraming silid para sa pagsasaayos (35-255 sa aming halimbawa), ngunit ANG TUNGKULIN LANG NG TUNGKULIN ANG Dobleng DALAWANG TATAPOS SA HARDWARE. Ang pagbabago ng dalas habang ang PWM ay tumatakbo ay maaaring magkaroon ng 'kakaibang' epekto. Gamit ang firmware: Maraming mga hakbang sa pagkakalibrate ang kinakailangan upang magamit ang firmware. Ang mga halagang ito ay dapat na naipon sa firmware. Ang ilang mga hakbang ay opsyonal, ngunit makakatulong sa iyong masulit ang iyong supply ng kuryente. Const v_ref as float = 5.1 'float const supply_ratio as float = 11.35' float const osc_freq as float = 8 'float const L_Ipeak as float = 67' float const fb_value as word = 290 'word Ang mga halagang ito ay matatagpuan sa tuktok ng firmware code. Hanapin ang mga halaga at itakda bilang mga sumusunod. v_ref Ito ang sanggunian ng boltahe ng ADC. Kailangan ito upang matukoy ang tunay na boltahe ng suplay upang isama sa mga equation na inilarawan sa step1. Kung ang PIC ay pinatakbo mula sa isang 7805 5volt regulator maaari nating asahan sa paligid ng 5 volts. Gamit ang isang multimeter sukatin ang boltahe sa pagitan ng PIC power pin (PIN1) at lupa sa terminal ng tornilyo. Ang eksaktong halaga ko ay 5.1 volts. Ipasok ang halagang ito dito. supply_ratio Ang supply voltage divider ay binubuo ng isang 100K at 10K resistor. Teoretikal na ang feedback ay dapat na katumbas ng boltahe ng suplay na hinati ng 11 (tingnan ang Talahanayan 5. Mga Pagkalkula ng Network ng Feedback ng Boltahe ng Supply). Sa pagsasagawa, ang mga resistor ay may iba't ibang pagpapahintulot at hindi eksaktong halaga. Upang hanapin ang eksaktong ratio ng feedback: 1. Sukatin ang supply boltahe sa pagitan ng mga terminal ng tornilyo. 2. Sukatin ang boltahe ng feedback sa pagitan ng PIC pin 7 at lupa sa terminal ng tornilyo. 3. Ibahagi ang Supply V ng FB V upang makakuha ng eksaktong ratio. Maaari mo ring gamitin ang "Talahanayan 6. Pag-calibrate ng Feedback ng Boltahe ng Supply". osc_freq Lamang ang dalas ng oscillator. Ginagamit ko ang 12F683 panloob na 8Mhz oscillator, kaya't nagpasok ako ng halagang 8. L_Ipeak Multiply ang inductor coil uH ng maximum na tuluy-tuloy na amps upang makuha ang halagang ito. Sa halimbawa ang 22r104C ay isang 100uH coil na may rating na.67amp tuloy-tuloy. 100 *.67 = 67. Ang pagpaparami ng halaga dito ay inaalis ang isang 32 bit na lumulutang point variable at pagkalkula na kung hindi man ay kailangang gawin sa PIC. Ang halagang ito ay kinakalkula sa "Talahanayan 1: Mga Kalkulasyon ng Coil para sa Mataas na Boltahe na Suplay ng Kuryente". fb_value Ito ang aktwal na halaga ng integer na gagamitin ng PIC upang matukoy kung ang output ng mataas na boltahe ay nasa itaas o mas mababa sa nais na antas. Gamitin ang Talahanayan 3 upang matukoy ang ratio sa pagitan ng output ng HV at boltahe ng feedback kapag ang linear trimmer ay nasa gitnang posisyon. Ang paggamit ng halaga sa gitna ay nagbibigay ng silid sa pagsasaayos sa magkabilang panig. Susunod, ipasok ang ratio na ito at ang iyong eksaktong sanggunian sa boltahe sa "Talahanayan 4. Mataas na Boltahe na Feedback na ADC Itakda ang Halaga" upang matukoy ang fb_value. Matapos mong makita ang mga halagang ito ipasok ang mga ito sa code at ipagsama. Sunugin ang HEX sa PIC at handa ka nang umalis! TANDAAN: Ang EEPROM byte 0 ay ang log write pointer. Itakda ito sa 1 upang simulang mag-log sa byte 1 sa isang sariwang larawan. Dahil sa pagkakalibrate, ang FET at inductor ay hindi dapat maging mainit. Hindi mo rin dapat marinig ang isang tunog ng tugtog mula sa coil ng inductor. Ang parehong mga kundisyong ito ay nagpapahiwatig ng isang error sa pagkakalibrate. Suriin ang data log sa EEPROM upang makatulong na matukoy kung saan ang iyong problema.

Hakbang 6: Mga Pagpapabuti

Ang isang pares na bagay ay maaaring mapabuti:

1. Ilagay ang terminal ng tornilyo na malapit sa FET para sa mas mahusay na landas sa lupa. 2. Patayin ang suplay ng bakas sa mga capacitor at inductor. 3. Magdagdag ng isang matatag na sanggunian ng boltahe upang mapabuti ang pagpapatakbo mula sa mga baterya at supply voltages na mas mababa sa 7 volts (kung saan ang output ng 7805 dips sa ibaba 5 volts). 4. Gamitin ang itaas na 55 mga byte ng EEPROM upang mag-log ng kaakit-akit na kaunting walang silbi na data - kabuuang oras ng pagpapatakbo, mga sobrang kaganapan, min / max / average na pagkarga. -ian instrumental-at-whereisian-dot-com