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[参考译文] LMR62421:升压转换器可正确驱动电机浪涌电流

Guru**** 665180 points
Other Parts Discussed in Thread: LMR62421, BQ25060
请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/1223535/lmr62421-boost-converter-to-drive-motor-inrush-current-properly

器件型号:LMR62421
主题中讨论的其他器件: BQ25060

大家好、我在电池供电的电机驱动器中使用 LMR62421XMF。 该电池是标准的18650锂离子电池、我让充电/放电电电压介于2.8V 和4.2V 之间。

我添加了 FL1以减少返回到数字电路其余部分(比较器和类似器件)的升压转换器噪声、然后添加了根据在1.6MHz 下一个周期内提供足够的输出电流来确定大小的 C10和 C13旁路电容器。 这显然很愚蠢、因为它是电机、需要出现输出电流尖峰、但我不确定如何最好地解决它。

我需要添加 Q3和 Q2、以便 BOOST_EN 信号实际上完全关闭到电机的输出、否则电池电压将通过电感器和二极管传递到输出。 我添加了电容器 C6、以便实现软导通、但这一做法没有任何帮助、只能使关断需要一段时间、而无法使导通需要更长时间。

4.7uH 电感器是 WebBench 建议的、我没有对它进行过多的研究。 其他器件旨在使输出电压根据输出反馈电容器的平均值稍微调整一下。

对我来说,最奇怪的是,如果我把它打开了一段时间,这个*des*打开。。。 不方便。 升压转换器确实可以提供如此高的稳定状态电流、并且其额定值一定是流入电机的浪涌电流。 在达到导通之前、有大约200Hz 的巨大电压噪声、在这里、它会尝试导通然后崩溃。

是否有人知道使这项工作正确的方法?

我已经尝试在 Q2引脚1和2之间放置一个10uF 来减慢输出导通速度、并且为升压转换器提供更多的启动时间、但它只是达到6V (开路电压)、并在输出 PFET 导通后立即崩溃。 我还尝试了反向尝试、以使 Q2保持快速、但减慢 LMR62421上的使能引脚(也没有效果)。

我确实注意到、当电池电量较低时情况会更糟(低于3.7V 时尤其糟糕)。

如果我将大量的电容与 C13 (总电解电容为570uF)并联、可以使其在低至3.8V 的电压下正常工作、但低于该电压、即使是这个巨大的电荷库也不足以使其启动。 现在、我使用3.65V 的电池电压来运行它、十分钟后它无法完全打开。

我希望也许我遗漏了一些简单的东西,我们已经盯着这家酒店几个星期了,尝试了一些东西,似乎什么都没有办法以一种稳健的方式解决根本问题--是什么导致了这块芯片崩溃? 我是否只需要在输入端施加一个满法拉的电容? 我觉得我得做错了。

我添加了一个与 C11并联的额外100uF 电解电容器、但这看起来只会使浪涌电流变得更糟(即它在慢速导通之前)。 在这种情况下、输出电压较低。

任何线索都很受欢迎、所有东西都可以很好地实现开路输出、但负载让这个控制环路中的某些东西产生困惑、我没有看到它。

谢谢!

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    如果浪涌电流出现红色错误、我确实将一个10欧姆的电阻器与电机串联、而所发生的只是电机的总输出电压(通过万用表计算平均值)下降。 3V-10欧姆远低于此芯片的额定功率、因此我认为该问题可能与浪涌电流无关(不过、当其输出开路时、电压完全正确)。

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    我还尝试将 Q3的引脚1连接到升压转换器的输入电压、如某些升压转换器应用手册中所示、以实现关断。 当时想的是、栅极电压可能不足以打开。 但是、输出电压继续较低、并且输出和输入电压之间的差值不足以将 PFET 完全导通。 相反、我将这些引线短接以查看电机是否会在切换使能引脚时激活。

    PFET 短路和单独测试 EN 可提供与4V 至5V 输出相同的结果、而不是6V、这有时会在输入电压足够高时启动至6V。 升压转换器当然可以使用5V 电源正常工作。

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    您好、Brian、

    感谢您提供详细信息。 我会在下星期一查看并获得反馈。

    此致

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    您好、Brian、

    您能否根据随附原理图中所示的电流设置测量 Vin 电压波形? 请尽可能靠近器件 Vin 引脚进行测量。

    然后、尝试移除 FL1的滤波器、并检查稳压的6V 电压是否可以正确实现。

    在您的描述中、5V 电源可以使升压转换器完美地工作。 这是否意味着升压转换器可以正确驱动电机? 如果是、还请提供 Vin=5V 时的电流负载曲线。

    此致

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    谢谢你,Lei!

    我将尽可能接近地检查 VIN 波形、但是当我从芯片(在 FL1处)进一步检查它时、它是非常干净的、在芯片启动时有一个小的骤降、但只有80mV 左右。 不过、这可能是最可疑的信号、我将看看能否在芯片尝试启动时触发更好的测量结果。

    • 我已经尝试过几次在 FL1上短接、以防它限制转换器的电流、而不发生任何变化。
    • 我应该说"当我插入电池充电器芯片时"、因为输出到电机的电压不是5V (始终是2.8-4.2V)。 但当我插入 USB 充电器时、电池充电器芯片会输出比电池本身稍高的电荷。 当 VIN 获得额外支持时、它将启动系统。

    电池充电器芯片的额定电流为1A、即 BQ25060。 我完全购买电源阻抗不知何故太高、但将电池直接短接到升压转换器的输入端并没有任何变化、因此我认为不是这样(或至少不是全部)。 我认为18650的内电阻比 USB 电缆大、而且肯定足以支持稳态运行。

    我看到一条使用升压转换器输出来引导 VIN 的建议、但这在我看来并不明智。 我看到另一个建议是由一个单独的电源来提供 VIN 作为电感--我在这里可以通过给 VIN 提供预 FL1系统电压来实现这一点。

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    您好、Brian、

    感谢您的检查。 根据您的实验、可能将器件 Vin 引脚拉低至 UVLO 以下的最可疑原因不应该是正确的。  

    为了进一步检查、我想先从整个电路可以完美工作的条件开始、即5V 电源。 您是否能够在这种情况下测量负载电流? 然后将电源从5V 降至3.3V、并监控输入电压、SW 和输出电流。

    如果您有任何新发现、请告诉我!

    此致

    磊   

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    尊敬的 Lei:

    非常感谢您为解决这个问题所提供的支持!

    我使用了 USB 示波器捕获了许多可能对我们有用的信息。

    这些是在不同条件下对 Vin 的测量。 不幸的是、它们是在电容器上测量的、因此并不完美。

    电池插入、EN 禁用升压转换器。

    首次启用 EN 时、插入电池。 根据我的示波器、它会骤降至2.633V、该示波器的采样速度应该足够快、可以看到下降速度更快、但我仍然在电容器上、所以芯片的情况可能会更糟。

    稳态无法仅通过电池启动。

    在插入 USB 充电器后(在为电池充电时增大 Vin)。

    在拔下 USB 充电器并保持开启状态(电池足以维持稳定状态)后。 纹波

    我还查看了要比较的输出电压。 我在电机引线上进行这些测量、因此它们与升压转换器(以及输出 MOSFET 之后)的距离有点远。

    这是电池无法启动时的输出电压。

    这是我插入 USB 充电器后的输出电压(因此会稍微增大 Vin)。 很好。

    拔下 USB 充电器后、电池电量足以维持电源和电压输出。

    我可以设置一个更复杂的测试来查看电源的电压阈值、但让我知道上述是否有任何线索。 为了进行此测试、我会连接电源来代替电池、以便我可以仿真具有不同充电水平的电池;如果这种仿真足够好、我可以尝试一下。 不过、我观察过它在输入电压下经过了大约3.6-3.7V 的电压、之后才开始出现故障(输入电压处具有570uF 的额外电解电容)。 如果 Vin 没有额外的电容、即使在4V 电池电压下、我也无法可靠地启动。

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    如果您有任何关于更好地仿真这些电路的建议的话、那就更好了、是否有任何工具可以仿真这些器件(这个和电池充电器毕竟都是 TI 提供的) 如果采用通用的方式、以便可以近似计算电路的其余部分、那么它将非常有用。

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    您好、Brian、

    感谢您提供这些波形。 根据您的测量、我认为如果将 FL1的引脚1连接到"强"Vsource、您连接的电路应该工作正常。 所以我仍然认为问题在于电池或者 BQ 器件的输出电流能力(在 USB 充电器未插入时)。

    很抱歉、我不熟悉 BQ 器件、需要先检查。 我今天晚些时候会给你反馈。

    此致

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    谢谢、我很感激。 它应提供1A 的容量、但电池本身实质上直接连接到 FL1的输入端。 我把它完全从电路上断开,只是在没有改变行为的情况下连接电池,我认为它没有什么问题。

    如果我们假设电池阻抗是问题、是否有办法让该芯片通过巧妙的电路连接到电机负载? 570uF 是无法在输入端添加的电容过多、似乎需要多次使用该电容才能正常工作。

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    您好、Brian、

    电池的电压是多少? 或许它接近阈值、因为先插入 USB 充电器再充电、电路就可以工作了。 当 FL1的引脚1直接连接到电池时、您能否提供 LMR62421的 Vin 引脚上的电压波形?  

    在原始电路中、FL1的引脚1是连接到 BQ25060的 OUT 引脚还是 BAT 引脚? 您是否还可以附上 BQ 器件和电池的示意图?

    实验表明、使用"强"Vsource 时、BOOST 电路可以工作、但使用 "弱"电池时、 BOOST 电路无法调节 Vout。 是否有可能尝试不同的电池?  

    如果确认电池阻抗是问题所在、没有其他具有低 阻抗的电池选择、我认为增加 Cin 是唯一可用的选择。

    此致

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    新购买的锂离子18650、在测试过程中的充电电压为3.7V。 该器件有一个充电周期、当我对其充电至4.2V 时(电机在该点运行良好)、当充电电压降至3.6-3.7V 以下时、输入电压不够。 电池设计为放电至2.8V、我认为升压转换器应该能够处理此电压输入电平。

    当然、我可以这么做(将电池连接到 FL1)。 我还有一个电流探头。

    我也可以尝试不同的电池;虽然他们是全新的。充电甚至不低,他们是在其标称电压。 如果它们被放电、它们将一直下降到接近2.8V、我想启动升压转换器时肯定不起作用。

    是否有其他升压转换器更有可能?

    如果使用更大的输出电容器并长时间延迟输出 PFET (以便使升压起动机自举)、情况会怎样?

    人们是否使用这些电路将负载缓慢连接到电路、以避免 Vin 崩溃(发生这种情况时)? 一位同事建议在 Vout 和 PFET 的栅极之间使用一个电容器、但我想查找一份有关使用升压转换器驱动有刷直流电机的应用手册。

    我很难猜测此处需要多大的电容器、但似乎需要10、000uF 才能保证安全... 这似乎不适合小型直流电机、此设备仅使用80mA 的平均电流。 我将查看是否可以将电流探头连接到电机导线上来查看浪涌电流。 我之前看到的几百毫安可能是错的。

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    尊敬的 Lei:

    我在插入 USB 电缆的情况下捕获了打开电机的启动电流、因此这应该表示启动期间的正常电机电流。

    我对有刷直流电机不是非常熟悉、这种情况对您有什么意义吗? 我看到它达到峰值电流~1.4A 大约持续了1ms、但我知道这不应该导致这个升压转换器芯片出现任何问题。

    另一位同事建议,串联热敏电阻可能会有所帮助。

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    您好、Brian、

    感谢您提供电流波形、它很有趣、提供了很多有用的信息。

    有一点很好奇、尽管该问题可能与本主题无关:在稳定状态下、电机是否为36000RPM?

    从电机电流波形可以看出、电机的启动过程是:

    1. 从 REST 状态开始、强制使用6V 并且初始电流增加到较大的~1.4A 值。 然后电机开始旋转;
    2. 旋转速度逐渐增加。 在此阶段、仍需要大电流。 在大约100ms 后、电机进入稳定状态;
    3. 在稳定状态下、需要小电流、而电池可以使电机工作。 "拔下 USB 充电器并使其保持开启状态(电池足以满足稳态条件)"的图片可以证明这一点。

    问题是、如果仅使用电池为电路供电、 电机将被困在 Phase2中 转速为~12000RPM、在稳定状态下仅为速度的三分之一、如下图中的圆圈所示。

    在这种捕获状态下、电机需要200Hz 的大"脉冲"电流。 这就是您可以观察到 Vin 引脚上200Hz 纹波的原因。  

    从您提供的以下图片中可以看到、在被捕获状态下、电机"消耗"的0.8A 峰值电流时、升压 Vout 将被下拉至2.2V。 这应该是电机无法进入下一个稳定相位的原因之一。  

    对于 LMR62421、支持 Iout=0.8A、Vin=3V、Vout=6V 和效率=80%、 则所需的输入电流为2A。 虽然接近电流限值、但它不应成为生成~2.2V 低 Vout 的原因。 我认为原因是对电池最大输出电流进行了限制。  

    您能帮助检查一下  您使用的18650锂离子电池的最大输出电流是多少?  是否可以试用  最大输出电流>=2A 的18650锂离子电池;

    我还希望尝试增加 Cout。 尽管您尝试了一个100uF 的电容器并获得了更低的 Vout、但它不需要那么大的10、000uF、而是 C11的三到四倍、例如47uF。   

    希望我们即将关闭、以使电机正常工作。

    此致

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    谢谢 Lei、我还没有听说过电机的这一阶段2正在启动。

    当电池处于正常电压时、我从电池中获取了阻抗谱。 响应包括接线、因此高频响应可能来自接线中的电感、而不是来自电池、但足够公平、可以包含在内。

    听起来我应该尝试在输出端放置一个更大的电容器、也可以使用铁氧体、以确保不会在 EN 打开升压转换器时损坏尝试为其充电的升压转换器(毕竟、低 ESR 陶瓷电容器也是无电短路...)、 然后使用延迟开启来在一小段时间后激活输出 FET、这样升压转换器能够完全为输出电容器充电。

    接下来、我将根据我们讨论的内容来尝试它、 但我承认我担心的是、一旦电容器充电、升压转换器会下降到低占空比空闲模式、而不会以足够快的速度增加反馈环路中的占空比来保持上升、 我不确定在连接电机的情况下启动转换器还是让稳压器达到最大电压(和零电流)是否更好、并希望它能够足够快地增大电流。

    您知道转换器与大输出电容器的行为吗? 我可以轻松连接100uF 陶瓷、但如果直接连接会使稳压器混乱、我可以将一个小电阻器与之串联。

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    您好、Brian、

    "第2阶段"或"第2阶段"不是书中所定义的经典概念。 我只是根据从静止到快速旋转的稳定状态的电机行为以及您提供的电流波形来使用它。

    我认为 Cout 不是问题所在、因为采用相同的设置时、当您插入 USB 充电器时可以正确驱动电机。 唯一的 区别 是前一级(BQ 器件)可以为 LMR62421提供比电池更高的输出电流。

    我的建议是使用具有更高最大电流输出的18650电池、或使 Cout 增大两三倍、目的是防止拉低 Vout。 "第2相"是一种特殊状态、只要输出能量可以更高一点以使电机更快地旋转、那么电机所需的电流就会显著降低。  

    我对直流电机的属性不熟悉、如果我有任何错误的理解、请更正我。

    至于 Cout、如果它非常大、则输出极点和交叉频率将非常小、相位裕度 也可能很小。   

    此致

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    Lei、您好!

    我按照所讨论的内容对我的电路进行了一些修改。 我移除了与 R16并联的10uF 电容(尝试慢速开启、在该启动情况下适得其反)、而改为在 Q2的引脚1和2之间放置10uF、以延迟激活会拉低输出 PFET 的 NFET。 我想幸运的是、我使用了一个允许进行此操作的更复杂的导通电路。

    此外、我在 C11两端(在 PFET 之前)添加了100uF 陶瓷电容器、以使升压转换器输出具有强大的浪涌电流能力。

    这些修改在以前都不足以使其正常工作、但作为组合、我能够使电机完全开启和关闭。 我能够查看 C11上的输出波形、并且可以看到它在尝试开启输出之前已达到6V 的充满电状态一段时间(将 R15替换为120k 以使其再减慢10倍)。

    我仍然遇到一些不相关的问题、其中 EN 引脚似乎没有一直被拉高、但这与升压转换器(希望这与升压转换器无关)、因此我将称之为问题这一部分的解决方案。

    谢谢 Lei!

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    您好、Brian、

    我很高兴听到您成功驱动了电机、尽管仍然有一些小问题。 并且非常感谢您分享详细信息。

    我认为将 C6移至 Q2后、减慢升压输出和电机之间的连接会更有效。 再加上增大的100uF 电容、升压转换器可以在连接到电机之前累积更多能量、并帮助电机将相位从静止状态传递到稳定的快速旋转。

    此致