コンバーター、トランジスター、マイクロ回路、およびその後の暴露を伴うブラックマジックの兆候の問題について

彼に言わせてください：

「あなたは古いロバです、あなたはそのように生きていませんでした、私は違った生き方をします。」

わかりましたが、彼に言わせてください！しかし、彼は黙っています。

最近、私の若い同僚（MMK）の一人が、その開発で誤解が起こっているのを見るように私に頼みました。この製品は、5Vから5Vへのステップアップコンバーターでした。その主な目的は、外部DVDドライブをUSBインターフェイスに接続するためのケーブルの電圧降下を補正することでした。コンバーターは、「セルフサポート」モードのMAX669マイクロ回路に基づいて構築されましたが、回路は推奨されるものに対応しますが、デバイスは機能しませんでした。出力電圧は4 Vでした。つまり、電源は5Vからワイヤーのドロップを差し引いたものからダイオードの順方向のドロップを差し引いたものでした。



トランジスタのゲートのオシログラムを見ると、90％が4Vの信号振幅で満たされているのがわかりますが、トランジスタは開きません。ここで、MMKが2PE208Aタイプの家庭用トランジスタを使用したことを明確にする必要があります。トランジスタ自体は悪くなく、パラメータはかなりまともですが、仕様によれば、開放電圧は2.5Vから4Vであるため、トランジスタはゲートで4Vで開かない権利があります-mea maximaculpa。



Yaroslavnaの最初の叫び（nYa）：上で述べたように、トランジスタのパラメータはかなりまともですが、（もちろん）1つの小さな欠点があります（少なくともドキュメントでは）-静的パラメータが必要なボリュームで指定されている場合、動的パラメータ（一般化された容量を除く）シャッター）は、何もないより少し多く表示されます。さらに、オンとオフの遅延時間自体はドキュメントに記載されており、特定のトランジスタは速度の点で非常に良好に動作しました（入力電圧を上げて開き始め、回路が動作し始めたとき）が、これらのパラメータは「参照データ」セクションの仕様に記載されています。さらに、これらは「標準値」と呼ばれます。つまり、「完全に」という言葉から、デバイスの設計時にこれらに依存することは不可能であり、上記のコンポーネントの可能な範囲が大幅に制限されます。トランジスタの開発者によるそのような決定の理由は私には謎のままでした、もし彼らの誰かがこの投稿を読んだら、コメントで説明してください。



さて、トランジスタをIRF7103タイプ（手元にあった）のインポートされたもの（インポート置換に失敗）に変更し、開放電圧は1.0V〜3.0Vで、回路は動作を開始しますが、やや奇妙です-ゲートはまだ90％満たされ、トランジスタは動作しますが、出力電圧は3.5Vですが、5Vからほぼ2Aが消費されます。ドライブをオフにします。画像は変わりません。消費は製品に集中します。 USBインターフェースをIDEに変換するTUSB9261マイクロ回路が熱くなり、（もちろん）クロックジェネレーターから始めて、脚のオシログラムを調べ始めます。外部消費は奇跡的に0.2Aに減少します。スイッチをオンに繰り返しますが、再び欠陥があり、クォーツ共振器の両端にコンデンサをはんだ付けすると、ボードが正常にオンになり始めます-meaculpa。



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ボードを再度オンにします-出力電圧は5Vで安定し、ドライブを接続して再度オンにします-出力電圧は必要な5Vに等しくなりますが、しばらくすると3.5Vに低下し、その後復元されてサイクルが繰り返されます。 USB電源の代わりに、安定化された実験用電源（LIPS）の出力を接続し、駆動モーターを始動したときの消費電流が0.3Aから1.2Aに急激に上昇するのを観察します。ええ、もちろん、インターフェースの保証された供給電流は0.5Aを超えることはできません。電流を2倍にするために、2本目のコードが必要です。これは一般的な方法です。meamaximaculpaです。すべてが明確で機能しているようです。一連の実験を行って、LIPSと4オームの抵抗の形で保証された負荷を使用して開発中のデバイスのソースの動的パラメータを決定することにしました。



LIPSからデバイス入力に電圧を供給するのは、バナナを貼り付けるのではなく、接続されたデバイスでソースの出力電圧をオンにすることです。一般的に、この検証方法は任意のLIPSには推奨できません。たとえば、スイッチをオンにした時点でYerevanのもの（ブランドは覚えていませんが、もちろん見つかりません）は、最大40Vのサージでオーバーシュートしましたが、このLIPSでは私たちは自信を持っているので、それを買う余裕があります。



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そして、まったく予期せぬことに、デバイスが動作モードにならないことがわかりましたが、すべてが同じ理解できない状態にあり、LIPSは供給電流を2.2Aに安定させ、電圧を3.2Vに下げます。同時に、デューティサイクルが同じ90％であり、トランジスタが安定して切り替わるにもかかわらず、出力で3.5Vが観測されます。電圧上昇係数は3.5 / 3.2 = 1.1であり、予想される1 /（1-0.9）= 10よりも明らかに低く、ソースの効率は（3.5 * 3.5 / 4）/（3.2 * 2.2）= 43％であり、これは率直に言って少しです。 ..。ブラックマジック（エネルギーはどこにも行きません）と電子機器の法則の違反の明らかな兆候があります。一見、mea culpa、さらにはmea maxima culpaと言う理由はないので、問題を詳細に調査し、理論から始めましょう。



ブーストコンバーターのパワーステージの図を次の図に示します。

その動作の理論は多くの資料で説明されています（私は個人的に、写真が撮られたロバートエリクソンのコースが本当に好きです）、出力なしで結果を使用します（誰もが言及されたソースでそれを見つけるか、自分でそれを得ることができます-強く2番目の方法をお勧めします）。そして主な結果は、コンバーターが（式1 /（1-d）に従って）電圧を無限大に上げることができるのは、「球形の真空中」で、その作業が「真空の塊」によって妨害されない場合にのみ、実際には実際のコンポーネントを備えた回路には、制限電圧上昇係数

Kmax〜1 / 2 * sqrt（R /（Rl + Rds））があり、デューティ

サイクルd = 1-sgrt（（Rl + Rds）/ R）で達成されます。



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検討中のケース、R1 = 0.17オームおよびR = 4オームの場合、Km = 2.4および対応するd = 0.8になります。これは、入力電圧が4から始まる5Vに電圧を上げるのに十分なようですが、MAX669コントローラーマイクロ回路のレギ​​ュレーターが動作を開始する1.8Vから、すべてがそれほど良いわけではありませんが、そのような低い入力電圧は必要ありません。しかし、伝送係数の損失の別の原因（つまり、2つ目はダイオードの抵抗ですが、この場合はほとんど重要ではありません）、つまりオープントランジスタの両端の損失は考慮していません。



何と言っても、MMKの後で、選択したトランジスタのRdsは10分の1オーム（具体的には18mオーム）のオーダーであり、回路の動作に大きな影響を与えることはできませんが、間違いです。残念ながら、トランジスタの多くのメーカーは、ソースに対するゲートの電圧（制御電圧）が開放電圧よりも大幅に高い場合にこの数値を示しています。特定の技術文書（TD）には、最大ゲート/ソース電圧（開放電圧）2.5Vが示されています（他の投稿では、最小値ではなく、このパラメーターの最大値を取得する必要がある理由を示しました。さらに、標準ではありません... Satan）、および18mOhmの抵抗が10Vの制御電圧で与えられます。



一方、オープン電界効果トランジスタの抵抗（実際のトランジスタのこのインジケータは明らかに非線形であるため、それについて話すのが適切である限り）は制御電圧と電圧の差に反比例することが広く知られています（残念ながら、私たちが望むほど広くはありません）オープニング。つまり、制御電圧が3.5Vの場合、キー抵抗は（10-2.5）/（3.5-2.5）= TDに示されている値の7.5倍、18 * 7.5〜140mΩになります。これは、インダクタの抵抗にかなり匹敵します。

しかし、2.5Vの制御電圧、さらには2.5-0.4 = 2.1V（「セルフサポート」回路があります）では、トランジスタには通常、オンにならない権利があります。将来のためにこれを覚えておきましょう。



これで、達成可能な最大パラメーターを調整して、

Kmax = 1/2 * sqrt（4 /（0.17 + 0.14）= 1/2 * sqrt（12.9）= 1.8（d = 0.72で達成）そして2つのひどい事実が明らかになります：



1-入力で必要な定格への電圧上昇について夢にも思わない2.5V;

2-曲線因子が0.72を超えることは許容できません。



最初の事実に関連する問題が明らかな場合は、2番目の事実の影響について詳しく説明する必要があります。これについては少し後で説明します。ただし、最初に、間違いを修正します。インダクタンスを次のように置き換えます。 60 mOhmの抵抗と、CSD16342Q5Aのトランジスタを使用すると、より適切になります。CSD16342Q5Aでは、公開鍵の抵抗は、制御電圧2.5 V（最大開放電圧1.1 V）で12 mOhmです。

Kmax = 1/2 * sqrt（4 / 0.06 + 0.012）= 3.7であり、d = 0.94で達成されるため、入力電圧（5 + 0.6）/3.7=1.5Vから開始して、コンバーターの完全に安定した動作を期待できます。



完全にpYではないので、数はありません。TIのWebサイトで、低い制御で必要な保証抵抗を備えたトランジスタを見つけることは、理想的なサイトのある理想的な世界ほど簡単ではありません。必要なトランジスタを平均開口部で並べ替えることができます。次に、トランジスタを1つずつ開いて、対応する技術文書を確認する必要があります。そして理想的なサイトでは、追加のパラメータ「Ug​​sでの最小Rds = 2.5V」を要求して、すぐに答えを得ることができます。



実際、これらの要素を交換した後、ステップアップソースは正常に動作し始め、2.5V〜5Vの入力電圧で5V /1.2Aを供給します。 1.8〜2.5Vの範囲で、0.5の固定デューティサイクルで動作し、その後出力電圧の調整を開始する制御マイクロ回路の特性により、動作入力電圧が実際に計算された電圧よりも高いことが判明したことに注意してください。また、特定のインスタンスの動作に関係なく、コンバーターが計算値を下回って動作することを保証できないことにも注意してください。



ステップアップコンバーターがあるので、どうすれば5つのうち5つを取得できますか？実際には、5.4〜5.8（負荷電流に応じて）が得られ、ダイオードの後、電圧は必要な5Vに低下します。



これですべてが正常になり、問題は解決されました-残念ながら、完全ではありません。すべてがこのようであるならば、私は自分の過ちについてだけの話で投稿を書くことはしません（これまでのところ、それらを除いて、私たちは何も修正していません）。回路の元のコンポーネントに戻ります。これは、3Vの入力電圧で動作することが保証されており、3.2Vの入力電圧では、「お気に入り」モード（デューティサイクル90％、出力電圧3.5V、入力電流2.2A）で動作することが保証されているためです。はい、「より正確な」コンポーネントでは、この現象は観察されませんでしたが、コンポーネントの「正確さ」の境界は何ですか。私たちは一貫して主な質問に答えます。



「誰が有罪か」。







もう一度、デューティサイクル（デューティサイクル）に応じた出力電圧の変化のグラフをよく見て、上向きと下向きの2つのセクションを見つけましょう（この場合は0.05です）。固定入力電圧で必要な出力電圧に対応する直線を描くと、このグラフとの交点が2つあり（おそらく1つまたはまったくないが、これらは率直に言って動作モードではありません）、必要な変換係数を達成できます。それにもかかわらず、最大値の左側にあるポイント（デューティサイクルが低い）のみが次のベースで機能しています。



1）マイクロ回路に組み込まれた調整則は、制御パラメータ（出力電圧）が調整パラメータ（デューティサイクル）に直接依存することを意味し、曲線の下降部分では依存性が逆になります。これは、次の状況がなければ問題の半分になります。 ;



2）デューティサイクルに応じてブーストソースの効率をプロットすると、決定の全範囲にわたってデューティサイクルが増加するにつれてその値が減少することがわかります。最初はスムーズに、最大変換の時点で効率は50％になり、その後、最大で壊滅的です。ゼロに。 80％または20％の効率で同じ出力電圧を得ることが可能である場合、2番目のオプションには実際の実装の見通しがないはずであることは非常に明白です。







この効果は、チョークとトランジスタの寄生抵抗の低下の増加によって説明され、これらのコンポーネントを流れる電流は出力電流に関連付けられているため、低下は明らかに非線形に大きくなります。出力電流は、変換係数（デューティサイクル）による出力電圧の増加とともに増加します。私はすでに上記の闘争の方法を示しました-寄生抵抗を減らすことですが、今はそれについて話していません。



そのため、負荷パラメータと回路コンポーネントの実際のパラメータによって決定される特定の値を超えて曲線因子を増加させないようにしました。ただし、ICは、必要と見なされる場合、最大90％のデューティサイクルで制御信号を提供できます。そして、まさにこの機能に関連して、2.5Vの電圧から始まるマイクロ回路が機能する能力を考えると、「スナップ」と呼ばれる非常に不快なプロセスに直面しています。



「これはどのように起こりますか」。



障害シナリオ：



1。コンバーターが負荷に接続されているときにLIPSをオンにすると、出力の電圧がゆっくりと上昇し始め、電圧1.8までは何も起こりません。



2.入力電圧が1.8〜2.5の場合、マイクロ回路は50％のデューティサイクルで制御信号を生成し、トランジスタが動作を開始する（または運が良ければ起動しない）と、出力電圧が上昇しますが、その値は不明です。



3. 2.5の電圧に達した後、マイクロ回路はコンバーターの制御を開始し、5 + 0.6Vの出力電圧に到達しようとします。これには、5.6 / 2.5 = 2.24倍の電圧の増加が必要であり、これは明らかに私たちが設定した制限を超えています。したがって、デューティサイクルは最大値0.9に達し、出力電圧は2.5 * 4 * 0.1 /（4 * 0.1 * 0.1 + 0.17 + 0.14）= 2.8Vになりますが、効率は20％未満です。



4.入力電圧は、出力電圧と出力電流（および入力電流）とともにさらに上昇し、ある時点で入力電流（ちなみに出力の9倍）が保護限界を超え、LIPSが入ります。電流安定化モード。それで、私たちは私たちの「作業ポイント」に到達しました。そこでは、私たちは無限に長い間存在します。



PNP：これが最良のシナリオです。LIPSに電流保護がない場合、入力電圧が5.6 / 1.12 = 5Vに達した後、マイクロ回路は電圧が必要な電圧を超えたことを確認し、デューティサイクルを減らし始め、調整曲線の左側に戻ります。以前に5 * 1.8 = 9Vのピークを通過しており、付属のコンポーネントに予測できない結果が生じています。



"何をすべきか"。

低い（3V未満）供給電圧での回路の正しい（より正確には、間違った）動作がわからないため、低い入力電圧の回路が曲線の右側に入らないように対策を講じる必要があります。これを行うための可能な方法を示します。



0）「私たちは笑顔で手を振る」-ひどいことは何も起こらず、食べ物は常に「飛躍」的に供給され、失敗はありません-一般的に、ウォーターパークが崩壊し、ロケットが爆発し、飛行機が制御不能に行く理由を理解していますダイビングすると、車は制御不能に加速します。



0 *）「問題は私たちの側ではありません」-技術文書で「ジャンプ」電源を明示的に要求し、電圧が動作電圧を下回らないようにします。この方法は前の方法よりも明らかに優れており、問題をカーペットの下に隠しませんでしたが、明確に特定しました。もう1つは、電源の「浄化装置」を特別に設置する人はいないことです（この要件に注意が払われるかどうかはわかりません）。また、製品を接続するための要件が​​満たされていないことを証明するのは簡単ではありません。それでも、被害者を容易にすることはできませんが、発生した事件に対する責任を自分自身から解放する根本的な機会があります。



1）「支払う必要がある場合、紳士は常に笑顔で支払います」-マージンの大きい回路コンポーネントを選択し、低電圧での動作を保証します。方法は理解でき、それを採用しました。同時に、動作モードでの効率を少し上げましたが、「この世界のすべてにお金を払わなければならない」ため、質量寸法パラメータや製品のコストを増やす必要があります。



PNP：同時に、制限がまだ残っていることを考慮する必要があります。制限だけがシフトしています。インダクタンス抵抗60mΩ、トランジスタ12mΩ、入力電圧2.5での通常動作の必要性との交換を検討すると、Kmax> = 5.2 / 2.5 = 2.24が得られ、限界負荷抵抗R> = 4 * Kmax * Kmax *（Rl + Rds）= 1.44オーム、つまり、コンバーターから消費される電流は、スイッチを入れたときを含め、すべてのモードで3.5Aを超えてはなりません。危険な限界に近づかず、重要なパラメータで1.5倍または2倍の保護を行う方がよいことは明らかですが、これはあなたの好みです。



2）「風を制御することはできませんが、帆を完全に制御することはできます」-エラーをブロックします。つまり、コンバータの入力に低い入力電圧を供給する可能性を排除します。外部ソースの動作を保証することはできませんが、独自の入力回路を制御することはできます。方法は良いですが、回路の修正が必要なので、今はそうではありません。



2 *）低い入力電圧での回路の動作を禁止します-電源要素が不要であり、特にマイクロ回路に許可入力が存在するため、方向は前の方向よりも有望に見えます。しかし、以前の方法のように、今はそうではありません。

PNP：さまざまな方法で作業のブロックを実装できます。これは、抵抗分割器と、上記の方法で開放電圧を形成するゼナー/ 3リードゼナーダイオードとバイポーラトランジスタ、および実際のコンパレータなどを使用したものです。



この回路は私たちの主なタスクを解決しないので（これは入力電圧の特定の値に達するまで回路の動作を禁止することです）、他のいくつか（制御されたものと一致しない特定の電圧に達した後の特定の時間間隔の形成）とオプション0 *を参照します。同時に、このようなチェーンは、上記のタイプの比較回路の後で、スイッチングポイント付近のバウンスを排除するのに役立ちます。

PNP：RC回路を使用する場合は、抵抗またはコンデンサーをダイオードでシャントしてコンデンサー放電回路を提供することを忘れないでください。そうしないと、電源障害により、否定的な感情的背景を持つ多くの「素晴らしい発見」が準備されます。



さて、ここに来ます（私の定期的な読者はすでに神経質で、完全に無駄でした、それは起こりました）長い5番目のポイント：マイクロサーキットの開発者は、技術文書

「その他（望ましくない）からの次の文によって証明されるように、それに基づくソースのそのような動作の可能性について知らなかったとは言えません）ブートストラップ動作の特徴は…低い入力電圧で高い負荷電流で起動する能力の低下です」、これは私が次のように解釈する傾向があります

「自立動作の望ましくない側面は、低い入力電圧で高い負荷電流で開始する能力が低下することです。」

私の意見では、そのような警告は完全に不十分であり、アプリケーションノートへのリンクが必要です。この投稿の内容はごく一部である必要があります。



たとえば、「インダクタンスの選択」のセクションでは、この抵抗の要件はまったく言及されていません。これらの要件はエンジニアに知られている必要があることは明らかですが、最小インダクタンスの要件はエンジニアにあまり知られてはならず、後者はこのドキュメントに正確に示されています。



さて、一番上のチェリーのように、ドキュメントには「トランジスタの選択」のセクションがあり、低電圧で動作する必要性を考慮する必要があると述べていますが、同じドキュメントでは、出力12V / 0.5A（または5V / 1A、ちょうど私たちの場合）、図に1.8-5Vの入力電圧範囲を示し、次のことを完全に忘れてください：



1）最大2.5V、マイクロ回路は0.5の調整されていないデューティサイクルで動作するため、出力電圧は5V以下になり、12Vとは多少異なります（および5Vにさえ等しくない）;

PNP：私は一般に、マイクロ回路の位置（タイトルから始まるドキュメントのテキスト全体）に多少驚いています。1.8Vから開始しますが、これは完全に誤りです。最小動作電圧である2.5Vの方が正確です。



2）FDS6680タイプの使用済みトランジスタは、3Vの制御電圧を受信するまで開かない権利があり、「自立型」回路にダイオードが存在する場合、これは最小3.5V入力電圧であり、指定された最小入力1.8Vを明らかに上回っています。



Pnpと同時に6番目のpYa：最初はそれは単なる間違いだと思っていましたが（そうです、これは私とMMKだけでなく、すべての人に起こります）、1つの小さな状況で気が変わりました。この状況は、「トランジスタの選択」のセクションのパラグラフ5にあります。

«5) Minimum threshold voltage (VTH(MIN))». , , , . , . , , .



ちなみに、技術文書での使用が推奨されている2番目のIRF7401トランジスタは、正確に最小しきい値電圧（0.7V）を示し、それ以上はありません。最大しきい値（通常、ドキュメントに示されていてもかまいません。回路の計算に使用することだけを気にします）が最小しきい値と一致する場合、オプションを除外することはできませんが、ドキュメントで指定されているこの情報を明示的に確認したいと思います。ある意味で、別のアプローチが私たちを「推測と仮定の不安定な地盤」に追いやるので、それは決して正直なエンジニアリング作業の信頼できる基盤にはなり得ません。



投稿で批判された文書の著者（または彼らの共感者）が彼らの立場を説明し、ほとんど信仰のない人々を恥じるために彼らの弁護において何か言うことがあるならいくつかの疑わしい点の明確化、コメントでお願いします。私はすぐに言います：「最初にそれを手に入れなさい」私は個人的に説得力のある議論とは見なされません。



さて、いつものように、黒い魔法の暴露が起こりました、私たちはスキームの観察された振る舞いについて自然科学的な説明を見つけました（1つの注目すべきキャラクターが言ったように：「私は物質主義者です」）そして私たちは暗い側に行く必要はありませんでした。私のメモが実際に誰かに役立つか、少なくとも読書の過程で楽しまれることがわかったことを願っています。