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請問圖中mosfet高壓穩壓最輸出電壓最大是

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Re: 請問圖中mosfet高壓穩壓最輸出電壓最大是

文章xaudio 發表於 週五 8月 09, 2013 3:48 am

fullshinetw 寫:現在決定要捲土重來,買了6800uF的電解電容作C1,預計負載電流為1A,將RF和R7換了2W,整流子使用蕭特基二極體1N5822 VF=0.3以減少壓降。希望能夠輸出12V(理想是12.6V),1.5A電流來推管晶耳擴NP-100-12V。為此暫級PK的計畫,直接實際應用投注很大的希望在這低壓版的LDO高效率穩壓。

蕭特基二極體能省的壓降不會太多,RF 改小或乾脆短路更有效!

思考了一下,覺得自己好像也想得太複雜,C4 的尺寸差不了多少,何必斤斤計較。
理論上 C4 稍大一點無妨,反而對穩定性有利,只怕容量不夠。
如果 C4 能高低壓共用事情就進一步簡化了,看那些規格又大又好買:
http://shop.cpu.com.tw/cPath/1004
http://www.yd-tech.com.tw/index.php/cPa ... b2c7d8e08f
http://www.kinsten.com.tw/KIN3.ASP?ITEM=C5

在 250V 中 2.2uF、3.3uF、4.7uF 似乎不成問題,附上 MEF、MEC 尺寸:
http://www.jackcon.com.tw/PDF/mef.pdf
http://www.mouser.com/catalog/specsheets/meb.pdf
2.2uF、3.3uF、4.7uF 都是相同的 27.5mm 腳距,接下來 PCB layout 就好做了。

經過仿真測試,先暫定 R8 = 20.0Ω、C4 = 4.7uF,應該不會離譜到無法接受。

Voltage_Regulator.png

Transient Analysis
Transient.png

AC Small Signal Analysis
AC_Small_Signal.png

Pole-Zero Analysis
Pole-Zero.png

期待集體創作的成品快點出現,加油、加油!(謝謝觀賞,仿冒不究)
xaudio
 
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Re: 請問圖中mosfet高壓穩壓最輸出電壓最大是

文章fullshinetw 發表於 週五 8月 09, 2013 12:17 pm

xaudio 寫:蕭特基二極體能省的壓降不會太多,RF 改小或乾脆短路更有效!

思考了一下,覺得自己好像也想得太複雜,C4 的尺寸差不了多少,何必斤斤計較。
理論上 C4 稍大一點無妨,反而對穩定性有利,只怕容量不夠。
如果 C4 能高低壓共用事情就進一步簡化了,看那些規格又大又好買:
http://shop.cpu.com.tw/cPath/1004
http://www.yd-tech.com.tw/index.php/cPa ... b2c7d8e08f
http://www.kinsten.com.tw/KIN3.ASP?ITEM=C5

在 250V 中 2.2uF、3.3uF、4.7uF 似乎不成問題,附上 MEF、MEC 尺寸:
http://www.jackcon.com.tw/PDF/mef.pdf
http://www.mouser.com/catalog/specsheets/meb.pdf
2.2uF、3.3uF、4.7uF 都是相同的 27.5mm 腳距,接下來 PCB layout 就好做了。

經過仿真測試,先暫定 R8 = 20.0Ω、C4 = 4.7uF,應該不會離譜到無法接受。
..
期待集體創作的成品快點出現,加油、加油!(謝謝觀賞,仿冒不究)


上一個PO的電路圖二極體方向性錯了更正,C4參考大大指二採用腳距27.5mm
XS_Transformers_LV_Ver4.png
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Re: 請問圖中mosfet高壓穩壓最輸出電壓最大是

文章xianrenb 發表於 週五 8月 09, 2013 1:28 pm

xaudio 寫:蕭特基二極體能省的壓降不會太多,RF 改小或乾脆短路更有效!

思考了一下,覺得自己好像也想得太複雜,C4 的尺寸差不了多少,何必斤斤計較。
理論上 C4 稍大一點無妨,反而對穩定性有利,只怕容量不夠。
如果 C4 能高低壓共用事情就進一步簡化了,看那些規格又大又好買:
http://shop.cpu.com.tw/cPath/1004
http://www.yd-tech.com.tw/index.php/cPa ... b2c7d8e08f
http://www.kinsten.com.tw/KIN3.ASP?ITEM=C5

在 250V 中 2.2uF、3.3uF、4.7uF 似乎不成問題,附上 MEF、MEC 尺寸:
http://www.jackcon.com.tw/PDF/mef.pdf
http://www.mouser.com/catalog/specsheets/meb.pdf
2.2uF、3.3uF、4.7uF 都是相同的 27.5mm 腳距,接下來 PCB layout 就好做了。

經過仿真測試,先暫定 R8 = 20.0Ω、C4 = 4.7uF,應該不會離譜到無法接受。

Voltage_Regulator.png

Transient Analysis
Transient.png

AC Small Signal Analysis
AC_Small_Signal.png

Pole-Zero Analysis
Pole-Zero.png

期待集體創作的成品快點出現,加油、加油!(謝謝觀賞,仿冒不究)


相信會有不少同好像我不太懂看最後一幅 pole-zero analysis 的圖。
在網上找到以下很有用的資源,值得參考: http://web.mit.edu/2.14/www/Handouts/PoleZero.pdf
看來該分析的一個重點是看 pole (X) 在 origin 左方出現就是 stable ,但在右方有出現則是 unstable 。
那麼按仿真結果, xaudio 兄的設計就肯定是 stable ,沒振盪了。
在網上約略搜尋過,如果要用免費軟件做類似分析,相信可以安裝 Cygwin + Ngspice 用“.PZ”來分析。

這種量度/分析應該不能在真實電路上應用。
但這種仿真分析結果看來是一看就能斷定電路的正確性。
如果 LTspice 有這種功能就好了。
xianrenb
 
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Re: 請問圖中mosfet高壓穩壓最輸出電壓最大是

文章xaudio 發表於 週五 8月 09, 2013 4:22 pm

fullshinetw 寫:上一個PO的電路圖二極體方向性錯了更正,C4參考大大指二採用腳距27.5mm

(1) Q1-Q2 方向反了沒更正。
(2) Q6 到板緣距離?
(3) 螺絲孔到板緣距離?

請多注意機械尺寸,凸槌一樣是不能用。
自己 DIY 會浪費時間,打樣一次幾 K 就沒了。

xianrenb 寫:相信會有不少同好像我不太懂看最後一幅 pole-zero analysis 的圖。
在網上找到以下很有用的資源,值得參考: http://web.mit.edu/2.14/www/Handouts/PoleZero.pdf
看來該分析的一個重點是看 pole (X) 在 origin 左方出現就是 stable ,但在右方有出現則是 unstable 。
那麼按仿真結果, xaudio 兄的設計就肯定是 stable ,沒振盪了。

果然是高手,一看就懂了!
這種分析我不熟悉,像學術派在玩的,需要技巧才能解讀全部涵意。
用上面相同電路作對照組,R8 由 20 改成 0.5,ESR 產生的 zero 推高。

Transient Analysis
Transient-1.png

AC Small Signal Analysis
AC_Small_Signal-1.png

Pole-Zero Analysis
Pole-Zero-1.png

所有 pole (X) 在 origin 左方,看出什麼端倪了嗎? :wink:
xaudio
 
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Re: 請問圖中mosfet高壓穩壓最輸出電壓最大是

文章xianrenb 發表於 週五 8月 09, 2013 6:25 pm

xaudio 寫:果然是高手,一看就懂了!
這種分析我不熟悉,像學術派在玩的,需要技巧才能解讀全部涵意。
用上面相同電路作對照組,R8 由 20 改成 0.5,ESR 產生的 zero 推高。

Transient Analysis
Transient-1.png

AC Small Signal Analysis
AC_Small_Signal-1.png

Pole-Zero Analysis
Pole-Zero-1.png

所有 pole (X) 在 origin 左方,看出什麼端倪了嗎? :wink:


我也不知是否算是懂了,大概是若 pole 是 a + bj 的話(j^2 = -1),那麼出來的 signal 就是 C * e ^ at * sin(bt + phi) 的樣子。
所以當 a < 0 (在 origin 左方)就是波幅隨時間越變越小, a > 0 (在 origin 右方)就是波幅隨時間越變越大。
如果 a < 0 同時使 b 變大了,應該就是 t 變化小些也會有相似效果,看來就是修正形式的振盪的頻率變大。

其實是否應該看 V-out 與 V-in 的關係呢?
而且現在我懷疑這類分析很可能不是所有輸入範圍都適用。
簡單的想像如 diode ,大約 0.7 V 上下就有很大的差別。
3 V 輸入的結果就應該不等於 1 V 輸入加 2 V 輸入的結果相加。
在你的圖表中亦見到 r7[i] 可以跌至 0 mA 。

或許 LTspice 沒有 distortion 及 pole-zero analysis 的一個原因是這類分析誤差大。
印像中我以前試過用 ngspice 的 distortion analysis ,與 transient analysis 的結果好像有較大的出入。
看 ngspice 的資料亦好像說 pole-zero analysis 不一定能正確找到所有 pole 或 zero 的。
或許換個角度說,就是電路的結果應該不容易簡化成只得幾個 pole 或 zero 數值就能決定。
我相信還是看 ac analysis 的 bode plot 比較全面。
xianrenb
 
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Re: 請問圖中mosfet高壓穩壓最輸出電壓最大是

文章xaudio 發表於 週五 8月 09, 2013 10:09 pm

xianrenb 寫:其實是否應該看 V-out 與 V-in 的關係呢?

說的也是,雞蛋裡挑了一根骨頭,RF 濾波效果還沒看到呢! :lol:

Voltage_Regulator.png

AC Small Signal Analysis
AC_Small_Signal-2.png

V-IN 輸入 1V,V-OUT 輸出全程在 28.71uV 以下。
換算 ripple rejection 為 90.8dB (任何頻率),夠水準了吧!
xaudio
 
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Re: 請問圖中mosfet高壓穩壓最輸出電壓最大是

文章xianrenb 發表於 週六 8月 10, 2013 10:52 am

xaudio 寫:說的也是,雞蛋裡挑了一根骨頭,RF 濾波效果還沒看到呢! :lol:

Voltage_Regulator.png

AC Small Signal Analysis
AC_Small_Signal-2.png

V-IN 輸入 1V,V-OUT 輸出全程在 28.71uV 以下。
換算 ripple rejection 為 90.8dB (任何頻率),夠水準了吧!


xaudio 兄的設計已近乎完美了。
不過我心中有個疑問,是否 Q1 、 Q2 E 腳處像 Q3 、 Q4 那樣加電阻會保險些呢?
或者是否有某種原因而要選擇不加?
xianrenb
 
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Re: 請問圖中mosfet高壓穩壓最輸出電壓最大是

文章xaudio 發表於 週六 8月 10, 2013 2:22 pm

xianrenb 寫:xaudio 兄的設計已近乎完美了。
不過我心中有個疑問,是否 Q1 、 Q2 E 腳處像 Q3 、 Q4 那樣加電阻會保險些呢?
或者是否有某種原因而要選擇不加?

首先,"完美" 二字不是那麼容易得到的,我自己找個小問題說明就很容易了解了。
Q1~Q4 是一個 single stage OPA,結構簡單,最大優點是 "反應快速"。
決定 DC 性能有兩個因素,一是平衡程度,一是開迴路增益。

差動級兩半邊 BJT 接合面溫度相同才能真正平衡,也就是電流、電壓都要全等。
目前電路很接近理想,電流相等,電壓差 (Q6.g - Q3.b),距離完美還有一步之遙。
消除 (Q6.g - Q3.b) 是可行的,電路將會變複雜,提供的改善恐怕也有限。
和假想敵比較,雖然沒到完美程度,"低飄移" 必定大克是無庸置疑的。

Q3-Q4 加 RE 有助平衡,Q1-Q2 加 RE 會犧牲 gain,況且 "低成本" 要差兩個電阻。

我不是什麼 LDO 專家,在此之前對 regulator 的認知大概只比 LM78XX 多一點而已。
LDO regulator 幾乎都是低壓用途,CMOS 製程,可說是 IC 設計領域的東西。
現成的 IC 買就有了,用 BJT 做一個高壓版才有意思,沒人玩過的就是我有興趣的。

LDO regulator 有兩級增益,想也知道必需注意穩定性的問題,剛開始觀念還相當模糊。
研讀一些論文後終於犛清疑點,理論基礎確立,貼了下圖:

圖檔

你可以發現我從此不再懷疑自己的電路設計,信心來自別人的知識,不是仿真!
之後的討論持續進行,兩次小修正都已經和主架構無關了。

Po = 1 / (2 * π * Vout / Iload * Cout)
Pa = 1 / (2 * π * Ro-a * Co-a)
Za = 1 / (2 * π * Resr * Cout)


搞懂關連且清楚知道 Po、Za 可操控,最佳分析就是飛船老師的 "咱們腦袋想像無限"。
圖形已經在腦袋裡自動浮現,頻率特性仿真是驗證,還可以印出來給大家看。
最後決定成敗的關鍵會在實務,我知道可能遭遇的難題,這部份仿真幫不上忙。

(1) Cout 容量
電解電容不適合,鉭質電容不耐壓,有沒有容量夠大的無感電容可供選用?

(2) Iload 變動
關係穩定性的穩定性,輸出電流不同 Po、gain 會受影響,可能是上百倍的巨幅變動。
很多新的研究朝向 capacitor-less 發展,除成本考量外穩定性也是重要因素。
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Re: 請問圖中mosfet高壓穩壓最輸出電壓最大是

文章fullshinetw 發表於 週一 8月 12, 2013 11:03 am

xaudio 寫:
fullshinetw 寫:上一個PO的電路圖二極體方向性錯了更正,C4參考大大指二採用腳距27.5mm

(1) Q1-Q2 方向反了沒更正。
(2) Q6 到板緣距離?
(3) 螺絲孔到板緣距離?

請多注意機械尺寸,凸槌一樣是不能用。
自己 DIY 會浪費時間,打樣一次幾 K 就沒了。


原來自己在決定製作低壓板時忘記把之前發現的Q1/Q2錯誤更正過來了,感謝糾正 :D
1. 更新Q1/Q2腳位
2. 改善Q6到板緣距離
3. 螺絲孔到板距離?請問應該保留多少比較合適如果是用M3的鏍絲
洗PCB板用的方法是站上分享的熱轉印法,很適合我這種少量的玩家,其實玩DIY最大的成本應該是寶貴時間,像擠牙膏一樣用力擠才擠出一點時間來學習。
XS_Transformers_LV_Ver4_u1.png
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Re: 請問圖中mosfet高壓穩壓最輸出電壓最大是

文章xaudio 發表於 週一 8月 12, 2013 2:24 pm

fullshinetw 寫:原來自己在決定製作低壓板時忘記把之前發現的Q1/Q2錯誤更正過來了,感謝糾正 :D
1. 更新Q1/Q2腳位
2. 改善Q6到板緣距離
3. 螺絲孔到板距離?請問應該保留多少比較合適如果是用M3的鏍絲
洗PCB板用的方法是站上分享的熱轉印法,很適合我這種少量的玩家,其實玩DIY最大的成本應該是寶貴時間,像擠牙膏一樣用力擠才擠出一點時間來學習。

TO-220 到板緣 125mil 是很合適的距離。
M3、1/8" 到板緣 200~250mil,沒限制的話 250mil 機械強度不錯。

C4 注意 MEF、MEC 外框尺寸不同,W x T 分別為 30 x 16 和 32 x 15,最好兩用。
引線位置會有偏差,四週要各留 1mm 以上,別抓得太緊。

C1 應該 HV、LV 全盤考量,PCB layout 設計一次就可以了。

PCB 考慮做正式一點,用組合式端子台接線:
http://shop.cpu.com.tw/product/4286/info/
http://shop.cpu.com.tw/product/4287/info/

看能不能做到橋式整流和中心抽頭通用,大概要多拉幾條線到端子台。

R8、C4 作一些補充說明:
根據仿真 R8 應在 10~20Ω,暫定 20Ω 先求穩定,合理值 14Ω 左右。
R8 太小的情形可參考前面 0.5Ω 對照組仿真。
目前 C4 = 4.7uF / 250V 是省事的選擇,另有 6.8uF / 100V 可供低壓專用。
xaudio
 
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Re: 請問圖中mosfet高壓穩壓最輸出電壓最大是

文章fullshinetw 發表於 週一 8月 12, 2013 4:54 pm

xaudio 寫:
fullshinetw 寫:原來自己在決定製作低壓板時忘記把之前發現的Q1/Q2錯誤更正過來了,感謝糾正 :D
1. 更新Q1/Q2腳位
2. 改善Q6到板緣距離
3. 螺絲孔到板距離?請問應該保留多少比較合適如果是用M3的鏍絲
洗PCB板用的方法是站上分享的熱轉印法,很適合我這種少量的玩家,其實玩DIY最大的成本應該是寶貴時間,像擠牙膏一樣用力擠才擠出一點時間來學習。

TO-220 到板緣 125mil 是很合適的距離。
M3、1/8" 到板緣 200~250mil,沒限制的話 250mil 機械強度不錯。

C4 注意 MEF、MEC 外框尺寸不同,W x T 分別為 30 x 16 和 32 x 15,最好兩用。
引線位置會有偏差,四週要各留 1mm 以上,別抓得太緊。

C1 應該 HV、LV 全盤考量,PCB layout 設計一次就可以了。

PCB 考慮做正式一點,用組合式端子台接線:
http://shop.cpu.com.tw/product/4286/info/
http://shop.cpu.com.tw/product/4287/info/

看能不能做到橋式整流和中心抽頭通用,大概要多拉幾條線到端子台。

R8、C4 作一些補充說明:
根據仿真 R8 應在 10~20Ω,暫定 20Ω 先求穩定,合理值 14Ω 左右。
R8 太小的情形可參考前面 0.5Ω 對照組仿真。
目前 C4 = 4.7uF / 250V 是省事的選擇,另有 6.8uF / 100V 可供低壓專用。


很好的意見,更新如下:
如果是用中心抽頭的變壓器可省略D6-D7, 並將中心線接到地線的組合式端子台,而穩壓輸出改用組合式端子台可用雙絞線出線。
XS_Transformers_LV_Ver4_u2.png
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Re: 請問圖中mosfet高壓穩壓最輸出電壓最大是

文章fullshinetw 發表於 週四 8月 22, 2013 10:35 am

進度更新,先貼個作好的照片,還要找空測試輸出。這次為了減少壓降所以按xaudio大的說明省略了RF電阻改成跳線,整橋子仍然是用1N5822也是很大一顆只好立著焊。

端子座的零件在layout時用錯了只好將錯就錯,等測試完成再適度調整。
tn_XS_LDO_Regulator_producting.jpg
production one


6800uF/25V電容比我預留的空間大一些,只好架高。
tn_XS_LDO_Regulator_producting2.jpg
production two


Q1/Q2, Q3/Q4的熱偶作法是先上散熱膏,然後用束線綁在一起,沒有用AB膠只好用手上有的材料弄。
tn_XS_LDO_Regulator_producting3.jpg
production three
fullshinetw
 
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Re: 請問圖中mosfet高壓穩壓最輸出電壓最大是

文章xaudio 發表於 週五 8月 23, 2013 11:46 pm

仔細看過照片發現 R7 不對,那是 100mA 限流的設定。

R7 = 0.65V / Imax ... 設定電流
記得以前的規格是 12V/1A 持續,Imax 要設 1.3A 以上,R7 = 0.5Ω 以下。

Vout = Vref * (R6 + VR1 + R4) / (VR1 / 2 + R4)
Vout = 5.1V * (R6 + 1K + 3.16K) / (0.5K + 3.16K)
R5 = R6 = Vout * 3.66K / 5.1V - 4.16K ... 設定電壓
R5 = R6 = 4.53K
xaudio
 
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Re: 請問圖中mosfet高壓穩壓最輸出電壓最大是

文章fullshinetw 發表於 週日 8月 25, 2013 3:59 pm

xaudio 寫:仔細看過照片發現 R7 不對,那是 100mA 限流的設定。

R7 = 0.65V / Imax ... 設定電流
記得以前的規格是 12V/1A 持續,Imax 要設 1.3A 以上,R7 = 0.5Ω 以下。

Vout = Vref * (R6 + VR1 + R4) / (VR1 / 2 + R4)
Vout = 5.1V * (R6 + 1K + 3.16K) / (0.5K + 3.16K)
R5 = R6 = Vout * 3.66K / 5.1V - 4.16K ... 設定電壓
R5 = R6 = 4.53K


其實心理也覺得奇怪, 還以為同樣的阻值可適用0-100V, 原來還是要算一下, 還好偷賴還沒開始測試, 明天再來去買電阻。最後我應該會把相關的討論整理成一份完整的文件方便大家參考, 文件應該會以google doc方式分享並設成共同編輯,這樣不止電路連說明文件都是集體創作。
fullshinetw
 
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Re: 請問圖中mosfet高壓穩壓最輸出電壓最大是

文章fullshinetw 發表於 週二 8月 27, 2013 12:33 am

xaudio 寫:仔細看過照片發現 R7 不對,那是 100mA 限流的設定。

R7 = 0.65V / Imax ... 設定電流
記得以前的規格是 12V/1A 持續,Imax 要設 1.3A 以上,R7 = 0.5Ω 以下。

Vout = Vref * (R6 + VR1 + R4) / (VR1 / 2 + R4)
Vout = 5.1V * (R6 + 1K + 3.16K) / (0.5K + 3.16K)
R5 = R6 = Vout * 3.66K / 5.1V - 4.16K ... 設定電壓
R5 = R6 = 4.53K


設定為Imax > 1.5A , Vout = 12.6V, R4=3K, VR1=1K, Vref=5.1V 計算結果如下:
R7= 0.65v / 1.5v = 0.433R
Vout = Vref * (R6 + VR1 + R4) / (VR1 / 2 + R4)
12.6v = 5.1v * (R6 + 4K) / 3.5K
44.1 = 5.1 * (R6 + 4K)
8.64 = R6 + 4K
R6 = 4.64K
R6 = R5 找巿面找最接近的 4.7K 算出Vout = 12.677142857 ( pass)
R7 找不到0.43R,最接近有3W 0.33R等於Imax=1.96A (pass)
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