Как получить высокое напряжение из обычного boost конвертера?

Недавно на работе у меня была задача получить высокое выходное напряжение (100V) при небольшом токе (до 5мА). Разрабатываемое устройство должно быть компактным и дешевым.
Обычные boost-конвертеры редко выдают такие напряжения, а те что выдают - либо дорогие, либо редкие, либо большие.
Во время определения архитектуры девайса мне пришлось прочитать некоторое количество научных статей и одна из них предложила гениальное решение для этой проблемы.

Coupled inductors
Основная проблема обычных boost конвертеров при работе с высоким напряжением - это ограничение по Vds внутреннего транзистора и большой Duty cycle, близкий к 1.
Изящное решение этой проблемы - использовать вместо одиночной индуктивности связанные индукторы (coupled inductors).
Это две индуктивности, намотанные на одном сердечнике. Их можно соединять как параллельно, так и последовательно. В нашем случае мы их подключаем последовательно, как на изображении ниже.

Таким образом получается, что за счет трансформаторного эффекта и разного количества витков, можно получить большее выходное напряжение при меньшем duty cycle.
По сути, coupled inductors - это трансформатор на минималках: они компактнее, дешевле, отсутствует гальваническая изоляция. Но принцип преобразования напряжения остается тем же.
Подробнее обо всех расчетах и подборах написано в application note от TI: Extend the Boost Converter Output Voltage With a Coupled Inductor

На практике эта схема тоже проверена и действительно, всё работает!

Сегодня ровно 3 года с момента создания канала.

Мне всегда нравился формат телеграм-каналов: ты едешь куда-то и заодно прочитал какой-то полезный пост, ты думскроллишь новости и заодно прочитал какой-то полезный пост. Так повторяется изо дня в день и со временем ты обрастаешь новыми знаниями, просто разбавляя свою рутину.

Я пытался найти что-то похожее по hardware разработке, спрашивал у знакомых, но улов был очень скудным. Всё-таки это нишевая тема, на которой не соберешь большого количества аудитории.
Зато я открыл для себя англоязычный YouTube — настоящий кладезь знаний по электронике.

Чтобы как-то законспектировать и не забыть полезную информацию, я создал этот канал: писал сюда короткие заметки и кидал полезные ссылки.
Потом рассказал об этом нескольким коллегам, и они стали моими первыми подписчиками. А сейчас мне просто сносит голову тот факт, что мои посты и статьи интересны целым 400 человек, а не 20.
Я каждый раз смотрю на эту цифру и не верю своим глазам. Радуюсь каждому подписчику, каждой реакции и особенно комментарию. Спасибо, что все мы вместе пытаемся разобраться в электронике и обмениваемся опытом.

Почему такое название?
Когда я начал смотреть видео на английском, моя девушка (а ныне уже жена) смотрела их вместе со мной. Самое запомнившееся ей слово было "circuits" и она потом спрашивала: «А сегодня мы будем смотреть про сёркиты?».

Почему такая аватарка?
Это мой любимый мем про работу, который лучше всего ее описывает (по крайней мере в моем случае).

Ну и по случаю годовщины, предлагаю прочитать один из первых постов, где я впервые постарался разобраться самостоятельно и провел небольшой ресерч. Свой формат и стиль написания я тогда только нащупывал, но саму тему считаю интересной.

Нет тепловизора под рукой? Не проблема.
Небольшая таблица, которая поможет определить температуру пальцем, достаточно лишь дотронуться до интересующего вас компонента

Хотите отмывать платы как на производстве? Нужна струйная машина, но не хватает денег? Вот какую альтернативу предлагают в этой статье:

«Любопытное и очень распространенное решение – закуп на производство обычной посудомоечной машины на таблетках. Получается дешево, доступно, не подвержено санкциям. Если не смущают потемневшая медь и серое олово на плате – прекрасный вариант»

Рекламщику TI премию.

На днях наткнулся на самую лучшую статью о ферритовых бусинах, которую я когда либо видел.
В ней отлично описано всё, что нужно о них знать, начиная от базовых принципов работы, продолжая описанием нужных параметров для выбора и заканчивая схемами применения, чтоб не вызвать резонанс.
При этом есть графики, которые очень важны для понимания работы, но их обычно нет в даташитах.

Больше всего мне понравилась часть про DC Bias current эффект и я решил пересказать ее со своими комментариями и дополнениями.
Считаю эту тему достаточно важной, потому что, во-первых я сам раньше его неправильно учитывал, а во-вторых мне не попадалось таких же емких объяснений с экспериментальными данными.

Ну и сам оригинал статьи, я конечно тоже рекомендую для прочтения 😉

Очень хороший видос о методах охлаждения в электронике.
Открыл для себя, что медные трубки для отвода тепла это не просто кусок меди, который отводит тепло за счет теплопроводности, а система с капиллярным эффектом😯
Про испарительные камеры в мобильных телефонах даже и не знал.

В остальном довольно ясно и понятно рассказано про радиаторы, вентиляторы, термопасты и т.д. Рекомендую, как минимум, для систематизации знаний.

Встречались ли вам в даташитах на импульсные DC-DC рекомендация использовать электролитический конденсатор на выходе?
Я никогда не понимал, зачем это нужно, и всегда пропускал этот пункт. Есть керамика - с ней всё отлично работает. Электролит большой, страшный, ломает красивую трассировку, а керамика компактная, красивая и обладает низким ESR.

Как выяснилось, именно последний пункт - это причина, по которой иногда рекомендуют использовать алюминиевые электролиты.

Что такое Buck DC-DC? Это по сути LC фильтр, АЧХ которого имеет резонансный участок, где шум определенной частоты не сглаживается, а усиливается.
Переключение внутренних транзисторов, резкое изменение нагрузки - всё это может вызвать выбросы напряжения на линии питания на резонансной частоте.

Существуют разные способы гашения этих выбросов, один из которых - снаббер на выходе DC-DC.

Снабберы в свою очередь тоже бывают разные, но самый простой и популярный вариант - это резистор и конденсатор, соединенные последовательно.
И вот тут ESR алюминиевого конденсатора из минуса превращается в плюс, ведь оно вместе с его емкостью формирует снаббер. Считается, что чем больше емкость, тем меньше нужно ставить сопротивление. У таких конденсаторов как раз большие емкости и ESR обычно от сотен мОм до единиц Ом. Убиваете двух зайцев одним компонентом.

А насколько актуальна такая рекомендация - уже зависит от особенностей конкретно вашей разработки.

Hans Rosenberg в своем недавнем видео рассказал, как пытался решить одну проблему в высококлассном аудио усилителе.

Ему нужно было получить очень низкий уровень THD+N, но по каким-то причинам он не получал нужных значений.
В итоге источник проблемы был найден, исправлен, но в конце видео он затрагивает тему того, как обычные резисторы могут влиять на ваш сигнал.

Мне эта тема показалась очень интересной, потому что я от многих компонентов ожидал подставы, но не от резисторов!
Поэтому пошел разбираться с тем, как частота сигнала влияет на сопротивление.

Кстати, вот вам интересный факт про материал для плат FR-4.

Все думают, что это какой-то один конкретный материал, типа рецепта. А на самом деле это просто стандарт, как техзадание. Его придумали ещё в 1968 году, чтобы платы хотя бы не горели и были прочными.

Из-за этого производители делают его кто во что горазд. У каждого свои патентованные примочки в составе смолы, разные пропитки и добавки.

Поэтому две платы с маркировкой FR-4 от разных фабрик — это как двоюродные братья. Вроде бы одно семейство, но могут сильно отличаться по характеру: одна лучше держит температуру, другая — стабильнее по электрике.

FR — это аббревиатура от Flame Retardant, "огнестойкий" или "самозатухающий". Это главное требование к материалу — он не должен поддерживать горение.

Цифра 4 — это просто номер класса или градации этого материала в большом стандарте (NEMA LI 1-1968).

· FR-1 — самый простой (например, из картона с пропиткой).
· FR-2 — чуть получше.
· FR-3 — ещё лучше.
· FR-4 — это самый крутой и распространённый класс из стеклоткани и эпоксидной смолы.

Проще говоря, FR — это что он делает (не горит), а 4 — это какой он (четвёртый, самый продвинутый в своей линейке).

Так что, когда говорим «FR-4», надо помнить, что это не одна штука, а целый класс немного отличпющихся материалов.