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10A級昇圧充電基板の製作-8

10ADCDC昇圧基板はひとまず完成と致します。
回路図です。定数等後日変更もあります。
10adcdc2360_20140131.jpg  
右半分は試作中の制御回路

ここまでに10ADCDCを作る上で要点、注意点などをまとめてみました。

① 重要な部品として昇圧コイル、電流制限回路、10AパワーFETSW駆動回路。
  入出力コンデンサの設計選択。各最適な定数の設計計算。
② パルス波形を扱う為の注意点を踏まえた回路パターン設計
  アースライン、大電流パターン
③ テスト、測定時のノイズ対策
④ 測定回路
⑤ 10A領域での放熱

こんなところでしょうか。記事を見て試作しても旨く行かないかもしれません
旨く行かなくていじっている内にFET,ショットキーダイオードを破壊させたとか。

その原因として考えられるのは、全く同一の部品、基板パターンであっても
測定方法、測定用電源、ダミーロード、テスターリードやオシロ測定ポイント、ノイズ対策など
がラフであれば、寄生発振、ブロッキング発振の様な現象に悩まされる事と思われます。

特に、最初の電源投入前にショートテストをし、最初から測定用の基板との接続はラインフィルター用のパッチンコアや有り合わせでもリングコアを必ず挿入される事をお勧めします。これでループでの異常動作や指示値がふらつくのを押えられます。この異常現象は回路自体の寄生発振と間違えやすいです。

またテスト用電源に回りこみ誤動作する場合も見られました。これらは上記対策で防止できます。今回安心して長時間の10A耐久テストなどが出来たのは紹介した測定回路、ステンレスワイヤーのダミーロードでした。

10ADCDC昇圧コンバーターは大電力ノイズ発生源でもあることを忘れてはならないと思います。これをシステムに実装する場合は、むき出しでなく、シールドケースが必要であること。外部にノイズを出さない対策も必要であることを、念頭に実装しなければならないと考えます。

次回からは、システムコントロールボックス実装に必要なハードウェア制御、FETスイッチ回路やソフトスタート回路、充電制御方法などを考えて行きます。使用中のコントロールボックス
LT1270の昇圧ユニットを取り出され別の心臓移植を待っています。左右に見られるリレーは撤去しNchMOSFET化される予定です。50Wもの電流制限抵抗も撤去予定です。既にPic制御はほぼ完成していますが、ハードルの低いハードウェア制御から試作してみたいと思っています。たくさんの提案を頂いています。選択に困っていますがユニークな制御回路を頂いています。ローコストでも実用的な回路で紹介したいと思っています。
"松山市の零さん" ご協力改めてお礼申し上げます。
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10A級昇圧充電基板の製作-7

 横道に外れるがインダクタを簡易的に測定してみた。

lcメーターが欲しかったのですがその昔トリオのディップメーターでl値を探っていたのを思い出しウェブをさまよっていました。下記の回路を見つけ作ってみました。インダクタンス測定回路です。といってもただの発振回路です。 
lsokutei.jpg
電源SWを入れ、被測定コイルを装着すると発振し、Fカウンターで表示を読取ります。
後はせっせと計算するのですが、昔の様に電卓も無かった時代とは違います。エクセル表計算で数式を入れておけば周波数を入力するだけでL値が一瞬に表示してくれます。
f=1/(2π√L*C) から L=1/(4π²*f²*C)
lsokutei1024.jpg 
部品は手持ち、トランジスタはジャンクボックスのFM帯用チップTR。共振コンデンサC1 C2 C3は0.001uFを使いました。3V電源はUM-3 2個。カウンターの上限が3MHz程度しか測れず計算する測定帯ではコンデンサは0.0015~0.002位のほうが良かった。上記回路の定数では発振してくれないのもあった。簡単に作れるのでCを変更したものなど複数作っておけば良い。カウンターも3MHz以上は無理なのかも。とりあえず測りたいのは10uHから数百uHなのでこんな適当なやり方でも昔の事を思えば立派なものである。 発振しない場合はa,bの位置から見ると発振する場合がある。周波数は微妙に違う。エミッターからが一番高くなる。

カウンターは秋月の液晶簡易オシロのカウンター機能を波形を見ながら使える。結構役に立った。
下表が測定結果
周波数Hz  L計算値ケイサンチ(uH)333pF104
829536111.546 東京トウキョウデバイス120uH6.5A36t
105038169.572 東京デバイス120uH6.5Aをスウ29t
257740011.555 パッチンコア8tオリジナル8t
27773609.951 パッチンコア4分割ブンカツ8t8t
115013058.027 秋月アキヅキ15A改造カイゾウシングル24t24t
223671015.343 秋月アキヅキ15A改造カイゾウ2ジュウ 12t12t
593539217.885 電源デンゲンラインフィルター片側カタガワ8t
122400051.235 秋月アキヅキ68uH9A35t
東京デバイス120uH、秋月68uHから見ると少し下回る数値の様ですが、思っていた以上の精度でした。電流特性は形状やコア特性巻き線の太さなどで決まりますが、 L値は充分目安として利用できる。
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10A級昇圧充電基板の製作-6

自作LT1270 8A昇圧基板と Sz Part SRG4215をテスト

LT1270昇圧基板は現在のSLエブリイ走行充電システムの中核部品と使用しています。SzPart SRG4215はサンプルとして頂いたものです。SRG4215は机上テストのみでいまだ機器組込みには至っていません。
LT1270はノートPC用のLT1170の5Aと共に現用しておりましたが最大どこまで使えるかテストしたことがなく、今回改めてテストしてみました。残念ながらLT1170はテスト中、不注意でICモジュールを壊してしまいました。

さて、測定結果は (測定回路はこちら)
SZ4215   2013/1/19 
 出力電圧、入力電圧固定コテイ  
 出力電流 010A   
 入力電圧入力電流出力電圧出力電流効率
     #DIV/0!
 13.050.1415.990.3990.2%
 13.040.3515.991.2094.9%
 13.020.5815.992.0295.4%
 13.010.8815.983.0595.3%
 13.001.1715.974.0795.4%
 12.991.5215.965.0994.6%
 12.961.8415.966.0694.5%
 12.952.2015.967.0994.1%
 12.932.5815.948.0893.4%
 12.912.9615.939.0593.0%
 12.883.6415.9610.5292.1%
 12.854.1715.9711.5691.3%
 12.834.6315.9612.5093.7%
    平均ヘイキン93.7%
最大入力15Aというだけあって12.5A出力でも93.7%とまだ余裕はあります。13.5Aも少しの時間ですがまだ電流制限は掛かっていませんでした。当然発熱はあり、10Aでは基板をケースから取り出しファン冷却が必用と注意されています。発熱はFET,ショットキーダイオード、トロイダルコア、出力コンデンサで基板密度が高い為相互に熱伝導もあり、相当な高熱となります。

トロイダルコアは直径22ミリ、コイルはシングル、1.2mmですが15Aでありながら小型です。少し驚きでは有ります。MC34063A,
TL2843Aなどのチップ部品が見えます。ローコストで結構な性能を搾り出しています。 
充電用途では何らかの電流制限が必要ですが105Aクラスバッテリ充電にも使えそうです。
LT1270   2013/1/22  
 出力電圧、入力電圧固定コテイ   
 出力電流 010A    
 入力電圧入力電流出力電圧出力電流効率f(KHz)
     #DIV/0! 
 12.950.1215.840.3893.0% 
 12.940.3615.801.1793.4% 
 12.920.4715.781.5493.6% 
 12.920.6215.752.0193.2% 
 12.910.9515.733.0392.8% 
 12.901.2915.714.0392.3% 
 12.881.6415.675.0191.7% 
 12.862.0415.656.0491.0% 
 12.842.4015.626.9690.5% 
 12.812.9215.588.0589.2% 
 平均ヘイキン92.0% 
 12.822.7415.577.7489.7% 

上表はLT1270の結果です。
やはり規格表のとおり、8A連続動作は可能ですがこれを超えると9Aに到達することはなく、最下行のように電流制限がかかっているのがわかります。これは放熱さえしっかりすれば簡易的な充電初期の定電流充電として使えるのでは?。
P1170624.jpg
発熱はヒートシンクを大型(478CPU用を半分に切断したもの)にしていますので8Aでも問題はないようです。但し、付近の接着剤など高温に耐えるものを使わないと溶けてきます。ホットメルトの固定や接着は禁止です。エポキシ系のものに変更しています。

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10A級昇圧充電基板の製作-5

10A連続運転で問題になることは各部の温度上昇です。

部品毎の温度上昇の順位は
1 10ミリΩ電流検出チップ抵抗110℃
2 スイッチングダイオードMBR3045 最大点78℃(脚)
3 コア温度、コイル温度 65℃
4 出力コンデンサー 65℃
5 パワーFET 60℃

の5点です。いずれも室温20℃で連続10A出力時です。
何れも耐用温度内であり、10Aは常用電流域ではないので問題は少ないのです。
また、冷却ファンを設ける事により問題は少ないとは言えます。

各部の温度対策をする事により、効率の向上、性能劣化の防止、
コンデンサーの延命効果。動作の安定などが見込めます。

1 現在2WだがW数の大きいものに交換する→簡単に入手不可能次回に。
2 MBR3045をVFの少ない物に交換は次回。ヒートシンクを大きい物に交換する
3 コア温度、銅線温度を下げるには二重巻→3重巻き、線を1.2mm→1.4mm
先日やった4分割巻きの再チャレンジ→これは確認済みでインダクタンスを
 チェックすれば最適な値が得られる可能性はある
4 現在出力コンデンサーは一般電源用ですが、低ESRタイプ2個並列に
   変更。MBR3045の脚からの熱伝導を防止する為コンデンサ脚を5mm浮かせる。

5 パワーFET。唯一10Aは平気。ヒートシンクはショットキーダイオードと独立させた方がよい(熱伝導の)遮断) 
6 コアの温度上昇、巻き線の温度上昇対策→4分割巻き7ターン
  

今回は下記対策を同時実施し、温度上昇を再度テストしてみました。
 10A 90分連続エージング後室内温度18℃

① コンデンサーは低ESR25V470uF2個並列使用
② 出力ラインに3045ダイオードからの熱伝導対策としてコンデンサ脚を5mm浮かせた。
③ コアコイルから6㎜離れる

④ FET
独立小型ヒートシンクに変更
⑤ 4分割巻き7ターン2重巻き線昇圧コイル

温度測定結果は

MBR3045-
ネジ頭50℃、カソード脚73℃
出力C 56℃ (2個をテープで包み測定)
コア内部温度 60℃

パワーFET ほんのり暖かい程度
 
下記は1/18再測定 8T(コア通過回数です)

試作2号機   2013/1/18 
分割ブンカツ出力電圧、入力電圧固定コテイ  
8T出力電流 010A   
 入力電圧入力電流出力電圧出力電流効率
 13.006.6mA16.000.00 
 13.040.1116.000.3895.2%
 13.040.3416.001.1895.3%
 13.030.6016.002.0595.0%
 13.000.8816.013.0695.6%
 13.001.1615.994.0895.8%
 12.991.4515.985.0695.6%
 12.981.7715.976.0795.3%
 12.982.1115.997.1295.0%
 12.942.3915.978.0295.1%
 12.942.6015.949.0895.8%
 12.922.9715.9310.0795.2%
 12.913.5215.8911.2793.8%
 12.873.8615.8912.3695.2%
    平均ヘイキン95.2%

10kiban.jpg 
右側がコア通過8ターン。 外から見ると7ターンに見えます。


なお、別途オリジナルの35V220UF4個並列を6個に変更した温度測定では5℃程度低下 し、さらに8個に変更するとさらに5℃低下しました。一定の効果は有りました。

これは9ターン 
右側の2個の超低ESRコンデンサ日本ケミコン製1個75円。左が入力側一般電源用。
0P1170570.jpg 
4分割巻き再登場。ショットキーダイオードは巨大ヒートシンク昔のペンティアムCPU用を半分に切断したものです。FETは小型ヒートシンクTO220形状用。
0P1170562.jpg
10Aロードテスト測定風景。左のヒートシンクは本番用。
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10A級昇圧充電基板の製作-4 の訂正

 先日4分割巻きの昇圧コイルの記事で訂正があります。
訂正というより全くの反対の結果で失敗の巻きでした。

負荷テスト測定の為、安易にデジタルテスターのリード線をたこ足状態で接続していましたがこれが大失敗の原因でした。3A以内位の小電流域ではなんとも無いのですが、この域を超えた段階からテスターのリード線にノイズが乗ってたとえば極端には14.5Vが13.5Vとかにばたつきながら誤表示したのです。

スイッチング周波数も秋月簡易オシロのカウンターがノイズを拾って倍近い誤表示をしていたのです。+-を捩るだけでも効果がありました。DCDCコンバーターはノイズ発生器でもあることを思い知らされた次第。

AMラジオを近づけるとピーギャーだらけです。
このノイズ対策は廃棄品から取り出しいつか使えると思って取っておいたパッチンコアやトロイダルコアです。単純に1回通すだけで効果があります。この対策は実装時にも必須です。
noize.jpg 
秋月電子の簡易オシロもRCAピンからBNCに変更しました。1000円プローブも購入。
noize01.jpg
結果的にはオリジナルのパッチンコア二重巻きが比較データ取り直すと最良である事を確認しました。4分割巻きはスイッチング周波数も少し低下が見られます。洩れ磁束の増加もあったのかもしれませんし、そのためノイズ量の増加も考えられます。

シャント抵抗での測定のもうひとつの注意点は抵抗の直近で測ること。線路抵抗を測ってしまうと電流値を高くみてしまいます。

オリジナルで12v→14.5Vで4A域では95%以上の効率が得られています。13Vではさらに向上するはずです。95%からの改善は至難の技です。

しかしオリジナルのままが巻きがきれいです。無理していじる必要はない様です。

その3の記事は数日自虐的にそのままに、しておきますがいずれ訂正したものに差換えます。ブログとしてはそのままでよいのですが、製作記事としてはお粗末です。
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10A級昇圧充電基板の製作-4

   NJM2360A (MC34063A)を使った10A級の昇圧コンバーターへの道程は松山市の零氏のご指導であっけなく達成されました。

Web上で検索しても参考資料は見当たらず、やはりデータシートの個々の意味を100%理解し、定数を決定する必要があり、私には簡単に設計できるスキルは持ち合わせておりませんでした。

設計要点を解説していただきました。詳細は省略させて頂きますが
要点1: 電流制限抵抗の決定
要点2: スイッチング周波数
要点3: 昇圧コイル
要点4: パワーFETドライバー
要点5: 入出力コンデンサー
要点6: パターン設計
以上の数値容量などを計算し設計しなければならないと言う事になります。
設計完了し試作テストが完了すればアマチュア的には実用可能となります。
商品的にはさらに2次試作し、安全性や長期テストなどステップを繰り返す。
私が2次試作3次試作をさせていただき、テストもさせて頂きます。

要点1:、要点2: は様々な要件を考慮し値を決定出来ますが、要点3:昇圧コイルは通常トロイダルコアを使われるのが一般的で、製作過程1,2の形状のもの(以下パッチンコア)を今回の回路に使われるのを見た事が無いと思います。

秋葉原のパーツ屋さんでも10A級のものは少なくしかもトロイダルコアのインダクタばかりです。
参照 http://www.tdk.co.jp/techmag/power/200902/index.htm
磁気飽和を少なくするにはコアギャップを設ける方法が解説されています。
そこで零氏がひらめいたのがコンバーター電源のノイズフィルターとして使われるコードを挟みパッチンと挟み込む分割形のコアです。
今回秋月電子で売られている中でLF-130Bを選択し手います。重さ130g結構重量があります。さらに大きなLF-190Bも有りますが巨大すぎます。
様々な要素から製作し、選択したのは分割コアにそれぞれ1.2mmエナメル線8T巻いた物で試作しました。ギャップも0ミリ~2mmのテストの結果、1mmギャップに決定しました。高温に耐える材料、接着剤を使います。私はガラスエポキシ基板1.2mmを砥石で削り1mmに手直しし、ジェル状瞬間接着剤を使いましたが2液混合のエポキシ接着剤の方が良いようです。画像は 零氏自作インダクタ12uH 200KHz 8t です。この昇圧コイルで10Aをクリアー。
koa01.jpgkoa04.jpg
koa03.jpgkoa05.jpg
 
koa00.jpg
4分割巻きをテストした。巻き始と終わりをそれぞれ2T巻きなおすだけと思っていましたが、リード線部が僅かに足りず、新たにコア接着したまま巻き直しました。 データは最後の表に。
koa003.jpg 

銅線ロスを考慮して2重巻き、3重巻きの考慮。磁気飽和についてはトロイダルコアの2段重ね3段重ねもあるようです。
トロイダルコアを2個使用し、1.4mm銅線2重巻き 
壊れた12V20Aスイッチング電源から取り出したインダクタ。1.4mmポリウレタン線2重巻き15tだったのを8tに減らしました。10Aはクリアできましたが激しくコア温度上昇した事と、コア鳴きがひどく耳が痛くなりました。 これは没。

4分割巻きのデータです。
変換効率は全域2%以上向上しました。10A域では5%以上伸びています。でも他に原因があったのかもしれません。それはアースラインを強化したり、部分的にランドやパターンを太くした為かも知れません。
特にシャント抵抗の電圧点の取り方で大幅に変化しし、データの信頼性が失われます。
入力電圧12.2V     出力電圧14.5V 出力電流プロット
コイル蜜巻きを4分割巻きに変更した   2013/01/05
入力電圧入力電流出力電圧出力電流効率      KHz     
12.100.1114.50.3188.44.7
12.000.3514.51.2293.915
12.000.6014.50201694.625
11.900.9714.503.1493.155
11.831.2214.54.1094.577
11.761.5314.505.0494.6115
11.711.8914.56.0594.4127
11.632.2514.507.0694.5175
11.592.6214.58.1094.5203
11.732.9614.59.0993.2159
11.323.3314.4010.1095.7270
11.303.8814.4011.5095.3338
10A連続時温度測定結果
コア内部62℃
コア表面50℃
出力コンデンサ61℃
SWダイオード57℃
ふぇT50℃
電流制限抵抗98℃(規格内)
コア鳴き全域で聞こえなかった。
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10A級昇圧充電基板の製作-3

あけましておめでとうございます。
今年もよろしくお願い申し上げます。
           一月元旦

今日は暖かい元旦です。が、家にこもって先日からの昇圧コンバーターのテストです。

テスト用入力電源は古いATXパソコンの電源の流用です。
12V固定電源で可変は出来ません。昇圧設定を14.5Vと16Vでのテストを行いました。
ついでに要所の温度上昇、冷却対策、スイッチング周波数の変化などを測定しました。連続耐久テストも実施中です。

電圧電流特性の測定 測定回路は-2-
入力電流制限と出力電圧調整の半固定抵抗を調整して測定

試作1号機 入力電圧 12.2V(固定)  設定電圧14.5V 出力電流をプロット
入力電圧入力電流出力電圧 出力電流 効率f(KHz)
12.20 0.0414.500.000.0%10
12.200.1314.500.3486.0%142
12.200.3914.501.2690.8%279
12.100.8414.50 3.1194.4%146
12.00 1.0914.50 4.0195.0%148
11.90 1.4914.50 5.1194.3%142
12.001.8914.50 6.1592.4%194
12.002.4914.60 7.1290.1%192
11.90 2.96 14.60 8.1189.9%196
11.80 3.82 14.50 10.1089.2%186

効率= 出力電流*出力電圧/(入力電流+出力電流)*入力電圧

スイッチング周波数は電流制限VRで多少変化します。10A少し超える程度まで全域固定測定しました。
FBTのコア鳴き
5A~聞こえる
10A制限をかけていくと小さくなる周波数も高くなります。
測定回路でのATX電源最大負荷3.82Aのリップル 3.82A時1VPP
njm23063a05.jpg
各部温度上昇 出力電流10A時  (室内温度21.0℃)
昇圧コイルコア内部66℃。
スイッチングダイオード63℃
入出力コンデンサ61℃
アルミ放熱63℃
-------------------------------------------
12V8cmファンで冷却対策
放熱板D 約34℃
コア内部 約35℃
コア表面 31℃
入出力コン 30℃
-------------------------------------------
スイッチング波形
njm23063a06.jpg
-------------------------------------------------
ゲート波形  10VPP
njm23063a07.jpg
---------------------------------------------------
MC34063Aと差替えてみました。スイッチング波形
njm23063a08.jpg 
よく似ていますが微妙に違います。周波数も最大点で1000KHzでした。実用域でも高めでした。後日再測定します。 使用したオシロは簡易型秋月電子のこれです。
-----------------------------------------------------
8センチファンで冷却しながら10A耐久テストです。
基板右半分は測定用シャント抵抗、LED電圧計など仮設です。
njm23063a03.jpg
配線図?  まだ公開できません。
次回はテスト用可変電源20Aで再度負荷電流特性を測定します。この測定法では10A程度で充分なはずですが。

肝心の12.5V以上の常用域測定ができていません。でも今日の11.6V~12.2Vでのテストは連続することは無い、車載時には厳しい条件です。ただし最近の省燃費車、特にアイストップ車はアイストップの度に数分間この条件となると予測されます。



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10A級昇圧充電基板の製作-2

10A級DCDC昇圧回路基板の負荷テストです。

テスト用12V 20A電源が年末手配していたのが新品不良で負荷テストが年を越してしまいますのであきらめていたのですが、パソコン用ATX電源が眠っていましたので活用する事にしました。最大定格12V10Aのものですが、固定電圧であること以外は使用する測定法の電源としては充分です。
njm23063a02.jpg
入力電圧11.8V。 出力電圧14.5V
出力電流10.09A、入力電流3.22A
(シャントは10mΩ。2台共200mVテスターなので小数点を1桁繰上げて読み替え100.9は10.09A)

測定回路は
sokutei.jpg
一般的な測定法ではありませんので測定回路のみ掲示いたします。テスト電源は負荷抵抗とコンバータ損失分を供給出来れば良い都合のよい測定回路です。
この測定法は多分ネット上ではあまり見た事ないと思います。理論的な説明は割愛します(私も短文では説明不可為)負荷抵抗器は1.6mmステンレスワイヤー90角の木材は焦げてきます。レンガを使おうか。通常測定の120w程度ならすぐ焼損です。これでも昇圧ユニット含めテストでもファンで冷やさねばなりません。デバイスの温度上昇は気になりますが特に入出力コンデンサーはこのままでは急速に劣化が進みます。

10A連続負荷での各部の表面温度(発酵器用に自作したK型熱伝対とオムロンデジタル温度調節器で測定)
インダクタコア内部66℃。
スイッチングダイオード63℃
入出力コンデンサ61℃
アルミ放熱63℃
どれも長く触っていると火傷しそうです。
--------------------------------
木製ドラムのダミーロードも負荷抵抗消費電力はコンバータ損失分の20w程度とは言えども焦げてきます。グラスファイバー?防燃カバーを角に巻きました。 後日100均で購入した陶器の花瓶に変更しました。
njm23063a04.jpg
2013年内に紅白見ながらここまでこぎ着けました。設計者に感謝。
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