Capire sorgente di corrente con buck (LTC3623)

[boiler]

Ciao a tutti

Sto avendo difficoltà a digerire un esempio applicativo contenuto in un datasheet Linear:
https://www.analog.com/media/en/technic ... 3623fa.pdf
Pagina 23, Figure 9, Programmable 5A Current Source

L'ho ridisegnata in FidoCad per vostra comodità:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

L'unico cambiamento è l'aggiunta di un carico: il resistore da 0.5 ohm verso ground.

Il principio di funzionamento mi sembra comprensibile e anche piuttosto elegante.
L'error amplifier all'interno dell'LTC3623 regola l'uscita in modo che la caduta di tensione sullo shunt e sul resistore di feedback sia pari.
Dato che il rapporto delle resistenze è 1:100'000, la corrente attraverso lo shunt deve essere 100'000 volte maggiore di quella attraverso il resistore di feedback.
Un circuito di controllo composto da op-amp e transistor "ruba" corrente ad una sorgente di precisione. Quello che resta deve scorrere attraverso il resistore di feedback, e quindi moltiplicata per 100'000 attraverso lo shunt.

Quello che mi dà filo da torcere è cosa succede se impostiamo una Vshunt = 0.5 V (che corrisponde a 0 A in uscita) nelle condizioni che abbiamo qui nello schema?

Se voglio avere 0 A in uscita, sul carico avrò una caduta di tensione di 0 V.
Quindi il nodo C deve essere anche lui a 0 V.
Con Vshunt = 0.5 V, il circuito di controllo impone 50 uA verso ground, quindi attraverso il resistore di feedback da 10k non può scorrere corrente.
Di conseguenza anche il nodo A si deve trovare a 0V. Questo però non è possibile, perché deve trovarsi a 0.5 V + Vds (e non credo che Vds possa essere negativa ).

Cosa succederebbe se il carico non fosse riferito a 0 V ma a 0.5 V?
C dovrebbe essere a 0.5 V.
A anche, il che imporrebbe una Vds nulla sul mosfet, non proprio realistico, ma un'approssimazione accettabile).
A questo punto l'error amplifier porterebbe B a 0.5 V e effettivamente non avremmo flusso di corrente né sul resistore di feedback, né sullo shunt né tantomeno sul carico.

Manca forse una postilla nello schema che indica che la sorgente deve lavorare contro un potenziale pari a Vshunt massima?

Cosa succede se andiamo a metà scala? Con Vshunt = 0.25 V vogliamo avere 2.5 A in uscita (in realtà c'è un errore dovuto alla corrente di feedback, che si somma, ma essendo 100'000 volte piú piccolo per semplicità lo ometto).
Vuol dire una caduta di tensione sul carico di 1.25 V, quindi il nodo C è a 1.75 V.
Il nodo A dovrà trovarsi a 1.75V + 10 kΩ · 25µA = 2 V (quindi 1.75 V di Vds, non è un problema).
Come sopra, il circuito regola il nodo B a 2 V.
Sullo shunt abbiamo una caduta di tensione di 0.25 V che corrisponde a 2.5 A. Evviva!

E a full-scale?
Con 5 A sul carico, C si trova a 3 V.
Tutta la corrente di riferimento (50µA) scorre attraverso il resistore di feedback, generando una caduta di tensione di 0.5 V, che porta il nodo A (e quindi anche B) a 3.5 V.
La caduta di tensione sullo shunt è 0.5 V. Bingo!

Vi sembra corretto come ragionamento? Sto prendendo un abbaglio?
In realtà la tensione di riferimento del carico deve essere almeno 0.5 V.

Messo così il circuito è inutilizzabile (cosa mi faccio? uno switching che regola a 0.5 V o poco piú ed è in grado di assorbire 5 A? ma chi me lo fa fare )

Però si potrebbe ottenere lo stesso risultato abbassando il riferimento del circuito di regolazione a -0.5V, non vi sembra? Insomma, così (tutto il resto invariato):

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Ovviamente è una schifezza anche questa. Generare una tensione negativa con una piccola charge pump non sarebbe un problema, ma adesso il DAC che mi genera la tensione di controllo deve partire anche lui da -0.5 V

Temo che ci vorrà un altro opamp per sottrarre dall'uscita del DAC questi 0.5 V (che devo realizzare in maniera precisa, per fortuna nel circuito ho l'uscita di una REF200 inutilizzata)

Grazie per aver letto fin qui
Se avete idee o se sto farneticando, per favore informatemi

Boiler

[boiler]

Se devo usare due opamp, posso anche bufferare il nodo C con un inseguitore di tensione e sommarci il valore del DAC con il secondo opamp. Con l'uscita impongo direttamente la tensione sull'ingresso dell'error amplifier e le 50 uA magicamente vengono ingerite dallo stadio d'uscita dell'opamp

Però temo che la stabilizzazione del loop diventi un incubo. Cosa dicono gli esperti?

Boiler

[IsidoroKZ]

Complimenti per l'analisi!
Direi che la soluzione con i due operazionali possa funzionare, non dovrebbero esserci problemi, a meno che gli operazionali non siano eccessivamente a banda stretta.

Domani mattina devo tradurre un pezzo balordo del de bello civili, poi faccio il conto della stabilita` del tuo circuito.

[boiler]

Complimenti per l'analisi!

Grazie!

Direi che la soluzione con i due operazionali possa funzionare, non dovrebbero esserci problemi, a meno che gli operazionali non siano eccessivamente a banda stretta.

Domani mattina devo tradurre un pezzo balordo del de bello civili, poi faccio il conto della stabilita` del tuo circuito.

Gentilissimo, grazie!

Questo è quello che pensavo di realizzare:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Come opamp avrei degli ADA4807-1 che già uso in altre parti del circuito.

Boiler

[stefanopc]

Da quasi incompetente penserei che l'inseguitore di tensione non sia strettamente necessario visto la impedenza del punto C.
C'è un altro motivo che ne giustifica l'impiego?
Ciao

[boiler]

Nella mia applicazione le correnti sono piú basse, quindi il mio shunt è dalle parti dei 10 ohm.
E il carico ha un'impedenza complessa e genera una caduta di tensione di circa 1 V.

L'impatto che ha sul sommatore è probabilmente basso, ma non insignificante.
Il DAC ha 10 bit, quindi l'errore mi va a finire nell'ordine di grandezza di 1 LSB. Non tragico, ma facilmente evitabile.

Boiler

[IsidoroKZ]

Dal punto di vista del guadagno di anello, gli operazionali che vuoi usare vanno bene, anche troppo: se raccattano rumore si puo` ridurre la banda.

All'interno del controllore c'e` uno zero a 30kHz circa che tira su la fase. Il crossover direi che possa essere al di sotto dei 100kHz, quindi se tieni la banda degli operazionali dalle parti di 1MHz o piu` non dovrebbero esserci problemi.

Invece i problemi potrebbero saltar fuori dal carico complesso: un generatore di corrente retroazionato che lavora su un carico induttivo potrebbe diventare instabile.

[boiler]

Dal punto di vista del guadagno di anello, gli operazionali che vuoi usare vanno bene, anche troppo: se raccattano rumore si puo` ridurre la banda.

Sono quelli che già uso in altre parti del circuito, ma non c'è nessunissimo problema ad aggiungerne altri.
Un LTC6240 è probabilmente una scelta migliore.

All'interno del controllore c'e` uno zero a 30kHz

Questo è se uso la compensazione interna, ma posso compensare esternamente usando il pin ITH, se necessario.

Invece i problemi potrebbero saltar fuori dal carico complesso: un generatore di corrente retroazionato che lavora su un carico induttivo potrebbe diventare instabile.

Sì, ci avevo pensato ed è quello che mi causa un po' di timore.
Fortunatamente il carico è statico: non ci saranno salti di corrente o di tensione.
Il software-boy dovrà modificare la tensione del DAC lentamente, senza grossi salti.

Grazie mille per l'aiuto!

Boiler

[boiler]

Nel frattempo anche il FAE di Analog Devices mi ha confermato l'imprecisione del datasheet.
Per finire realizzerò un rail negativo con una piccola charge pump, perché anche con la soluzione a due op-amp non arrivo a zero (per quanto l'operazionale sia rail-to-rail, un po' di headfootroom ce l'ha sempre).

Boiler

[IsidoroKZ]

Vuoi una brutta notizia?

Non ha importanza se il segnale di controllo e` praticamente costante o no. Se il sistema e` instabile, e`instabile indipendentemente dall'eventuale segnale che viene trattato. Il margine di fase (o la posizione dei poli), non dipende dal segnale.

Se il carico e` induttivo, ad esempio un LR serie, viene introdotto uno zero di trasmissione sul ramo di retroazione (positiva) che riduce il margine di fase. Pero` e` facile da compensare (a spese della banda) mettendo un gruppo RC serie in parallelo al gruppo RL (cella di Boucherot o rete di Zobel).