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Auteur Sujet: TL431 Dropout du régulateur ?  (Lu 7486 fois)

sylvainmahe

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TL431 Dropout du régulateur ?
« le: mars 23, 2020, 04:57:54 pm »

Bonjour à  tous :)

Je m'adresse à  vous car j'ai une question par rapport à  la vidéo EB_#208 (https://youtu.be/sZ3ou1UCcls) en ce qui concerne le dernier schéma présenté sans le LM317, juste le TL431, le delta V ou dropout maximum entre la tension d'entrée et de sortie du schéma correspond t'elle grossièrement au VCE (ou VBE?) ou VGS du transistor bipolaire ou mosfet de puissance ? (+ l'alimentation du TL431)

Datasheet TL431 : https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&url=http://www.ti.com/lit/gpn/tl431&ved=2ahUKEwiRwtSR2bfoAhUKfBoKHWnaC0oQFjAAegQIAxAB&usg=AOvVaw3t7FdGQ0X3a7MBox2uYQ7Q€

Exemple du datasheet avec NPN :


Je me demande si le dropout pourrait être inférieur avec un MOSFET canal p (ou bipolaire PNP) de puissance piloté par un transistor NPN qui tire vers la masse lui même piloté par le TL431 ?
Pour avoir un dropout faible j'ai l'habitude d'utiliser le transistor PNP MJE15033 dans mes montages qui commute à  des tensions bien inférieures aux MOSFETs.

Je vous questionne à  ce sujet car j'aimerais réaliser un schéma similaire avec une tension régulée de +5V en sortie, et avoir une tension minimum d'entrée de +6V (voir moins avec des courants de sortie inférieurs à  1A) pour éventuellement ~8A en pointe en sortie.

Merci par ailleurs si vous avez des idées à  ce sujet ! :)
« Modifié: mars 26, 2020, 05:07:19 am par sylvainmahe »
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Yffig

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Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #1 le: mars 27, 2020, 03:57:47 am »

Bonjour,

Ton schéma ne marchera pas !: la jonction be du NPN "court-circuite" le TL431 entre son anode et sa cathode (car Vca ~0.65v).
Or si tu regardes le schéma équivalent du TL431, dans la datasheet, entre anode et cathode, tu as trois jonctions Vbe à  polariser et donc besoin d'au moins 1.8v pour Vca...et même un peu plus....: La Vref de 2.5V, page 4:
Recommended Operating Conditions
                                      MIN      MAX UNIT
VKA Cathode voltage  Vref       36   V
Il doit bien y avoir des schémas réellement fonctionnels en cherchant sur le Net pour ce que tu veux faire.

Bonne journée

Yffig
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Yffig

  • Invité
Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #2 le: mars 27, 2020, 08:48:11 am »

Re...
Apparemment, ton cahier des charges serait donc Vin=6v à  36V, Vout= 5v et Iout=....8A ! selon le croquis du design que tu nous soumets. La notion de LDO alors n'a pas de sens si Vin=36V et Vout =5V, en plus à  8A... la dissipation d'un régulateur série serait d'au moins 240W ???
J'ai fait un rapide exercice de simulation du design que tu proposes avec une résistance d'émetteur pour le NPN (le modèle LT-Spice de TL431 utilisé est celui de Bertrand, les transistors sont des génériques), (ta proposition de mettre une résistance de base dans la base serait du même tonneau).
Pour un courant de sortie donné, il faut ajuster à  chaque fois les résistances, en particulier celle d'émetteur, pour que cela marche correctement.
Je te joins le schéma obtenu pour Vin=6V, Vout = 5V et Iout=8.3A avec les tensions relevées.
La raison en est que le courant de base du darlington PNP passe dans le NPN et varie beaucoup trop

Conclusion: ton design est inutilisable compte tenu du cahier des charges que tu t'es imposé, même en restant à  Vin=6V. Une alim qui serait capable de 0 à  8A dans ces conditions est un très gros projet à  part entière qui ne peut se traiter sur un fil de forum.

Bonne journée !
Yffig
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loulou31

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Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #3 le: mars 27, 2020, 09:32:28 am »

Bonjour,

6V à  36V in pour 5V out /8A : il faut typiquement du découpage pour faire ça! Quel est l'usage ?


Jean-Louis
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Yffig

  • Invité
Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #4 le: mars 27, 2020, 06:17:02 pm »

Bonsoir,

Merci pour ces précisions mais pourrais tu décrire plus explicitement ton "cahier des charges" par un schéma de blocs fonctionnels par ex. ?
Qu'as tu en entrée(s) non régulées ? Que veux tu en sortie(s) ? Ça alimente quoi ? etc.
Sans ces infos préalables, il n'est pas possible de comprendre ce que tu veux faire, et, au vu de la présentation de ce que tu sais faire (j'ai regardé tes réalisations sur ton site suite à  ta présentation sur le forum et je suis resté bluffé par ce que tu sais faire ! ça fraise dur !), tu sais vraiment faire !

Yffig
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Yffig

  • Invité
Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #5 le: mars 28, 2020, 02:07:27 pm »

Bonsoir Sylvain,

Je te ferai plus tard une réponse concernant ton "expression des besoins" mais avant, j'essaierai  d'ici ce soir de te fournir une solution TL431+ P-MOS tel que celui que Bertrand a utilisé dans sa vidéo (HAT1072H) avec le LM317: une contrainte de tes besoins est que tu dois respecter Vka du TL431 > 2.5V comme l'indique la datasheet et un Vgs du MOS pour 8A tels que Vka - Vgs  = 6V.
Donc le P-MOS doit être largement conducteur pour, au max, Vgs = -3.5V, ce qui n'est pas le cas de n'importe quel MOS (par ex. le modèle du canal N (IRFB4410Z) qu'il utilise avec le TL431 a un Vgs de 4.36 V pour 10A de Ids (par simulation LT-Spice), c'est beaucoup trop élevé et ne convient absolument pas à  tes contraintes.

Yffig
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Yffig

  • Invité
Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #6 le: mars 28, 2020, 05:20:10 pm »

Re...
Comme annoncé, voici une ébauche de design qui paraît bien correspondre à  une partie de tes besoins (le régulateur LDO 6V In --> 5V Out à  8A !).
Tu trouveras en PJ le schéma et les relevés des tensions pour Iout= 1A, 4A et 8A... La variation de tension de sortie n'est que de 10 µV entre 1A et 8A.... (Bon ce n'est qu'une simulation avec une source en entrée coulée dans le béton... ;) mais ça donne une idée du bébé.
Le choix du MosFet P est absolument fondamental ; il faut qu'il ait une tension de seuil faible (-2V dans ce cas) et conduise un max à  Vds =-1V et Vgs aux environs de -2.5V pour respecter les contraintes de tension.
Comme tu l'avais bien compris, le P-MOS étant monté en inverseur, il faut, (comme il n'est pas possible d'inverser les entrées différentielles du TL431) ajouter un étage inverseur dans la boucle pour rester en contre réaction négative. J'ai profité de ce BJT 2N3904 pour fixer la tension de fonctionnement du 1er TL431 (la Vka min 2.5V) en ajoutant tout simplement un autre TL431 (ça vaut même pas 10 cts cette merveille).
Je n'ai pas fait de "fine tuning" des valeurs des résistances mais les tensions relevées te permettront de recalculer courants et puissances et tu verras que ça va pas chauffer des masses (sauf le MOS...).
Ça peut se tester facilement sur une breadboard et avec un radiateur pas encombrant pour le MOS (10W...).

Maintenant il y a un aspect que je ne traite pas et qui n'est pas toujours simple à  résoudre... la stabilité en fréquence !! Sur une maquette c'est plus "facile".
Le TL 431 est un amplificateur de la tension de référence 2.5v avec un gain en boucle ouverte de ~55dB et une fréquence de coupure vers 10KHz (page 18 de la DS Texas Inst.): c'est le 1er pôle .... Le BJT y ajoute un gain qui serait de l'ordre de 100 Ω (valeur de R4) / résistance dynamique du TL431..0.2Ω selon la page 1 de la DS.... Ça ferait x500 ?? Bon disons au moins 20/30/40 dB... Le total serait alors d'environ 85 dB avec 2 pôles...! Ça peut osciller grave avec une charge capacitive en sortie
Il "suffit" alors de créer un nouveau pôle bien plus bas que le pôle du TL431 par une capa de, ...100 pF peut suffire ou plus, sur la jonction BC du 2N3904 et notre ami l'effet Miller fera le job. C'est facile à  mettre au point en pratique sur le circuit, beaucoup moins en simulation en Boucle fermée, donc je fais l'impasse mais je préviens.

Voilà  peut être une partie de tes besoins satisfaits. J'essaierai demain de commenter l'ensemble de ton "cahier des charges".

Bon changement d'heure et à  demain !

(PS : Mahé est un patronyme typiquement sud armoricain...Me trompé-je ?)

Yffig
« Modifié: mars 29, 2020, 02:24:02 pm par Yffig »
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Yffig

  • Invité
Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #7 le: mars 29, 2020, 05:52:21 am »

Bonjour Sylvain !

Comme tu es connecté, je pense que tu as pris connaissance de l'ébauche de solution que je t'ai proposé. Tu auras noté qu'il n'y a aucune limitation en courant et donc que le court circuit de la sortie est très certainement  fatal pour le pauvre MOSFet.
Je n'ai rien mis en limitation de courant parce que cela fait partie de ton "cahier des charges".

Je vais tenter de reformuler tes besoins afin d'être sûr d'avoir compris...
Tu veux un module régulateur,
- à  une seule sortie, toujours en +5 V
- à  une seule entrée "non régulée", entrée pouvant varier de 6V à  26V ou plus
- en fonction de cette tension d'entrée tu souhaites limiter le courant selon la règle empirique: plus la tension d'entrée est élevée, plus le courant débité doit être limité.
Par ailleurs tu spécifies " en pointe pendant 10% du temps", ce qui n'a pas de sens si tu ne définis par l'unité de temps: 10% d'un heure ça fait 6 min, 10% de 10 ms ça fait 1 ms. Dans ces conditions, une alim qui peut débiter 8A pour "10% du temps" est capable de débiter 8A tout le temps à  priori.

Si j'ai bien compris ton besoin, il s'agit donc une "limitation de courant dynamique" en amont de ton régulateur.
Cela pourrait se faire, par exemple, avec un P-MOSFet série après l'entrée du module et qui serait contrôlé par:
- la mesure de la tension d'entrée: ex à  Vin=6V => Mosfet en "short" réduit à  RdsON de qq 10-zaines de mΩ au max
- la mesure du courant de sortie (ou d'entrée) (par capteur effet Hall genre ACS712-10A qui justement s'alimente en 5V) donc avec un drop out négligeable. cette mesure, conjointe avec celle de la tension d'entrée, viendrait, selon une formule mathématique à  définir, et via une circuiterie à  concevoir, réduire la conduction du mosfet et ainsi limiter le courant (et réaliser ainsi la protection en cas de court circuit de la sortie qui manque au design initial).

Bien sûr, pourquoi ne pas envisager que le P-MOS du régulateur de tension soit aussi le limiteur en courant ? Je pense qu'il est préférable de séparer les deux fonctions, la mise au point en sera largement facilitée.

C'est juste une esquisse de solution. Il en existe très certainement d'autres.
Mais en tout état de cause, je ne saurais, faute de temps, développer plus cette solution pour toi.

Bonne journée

Yffig
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Yffig

  • Invité
Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #8 le: mars 29, 2020, 07:47:20 am »

Re,

Juste en complément... il est peut être pas facile de trouver le P-MOS qui irait bien (regarde quand même les recherches paramétriques des sites des grands distributeurs DigiKey, Mouser etc.
En effet un PMOS très courant tel que l'IRF4905 a une dispersion de sa tension de seuil de -2v à  -4v.
Dans ce cas il est possible de remplacer les TL431 par des TLV431 qui ont une Vref de 1.25V seulement...juste en tenant compte du fait que les TLV431 sont à  Vk max de 7V ce qui ne pose pas de pb si tu restes à  Vin = 6v, sinon prévoir un zener 6v2 en amont du TLV431 de l'asservissement.
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tlv431a.pdf

Bon dimanche !

Yffig
« Modifié: mars 29, 2020, 02:27:28 pm par Yffig »
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Yffig

  • Invité
Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #9 le: mars 29, 2020, 03:45:46 pm »

Re,
Le pb que tu évoques n'a rien à  voir avec la compensation en fréquence en boucle fermée.. dans le cas que tu évoques , il n'y a pas de boucle d'asservissement, juste un courant de charge du condo quand l' Input varie ce qui fait conduire Q1... Ce circuit est tout simplement effectivement erroné par la position du condo. Chez qui as-tu trouvé ce schéma d'application ? => NAME & SHAME !
De toutes façons dans une boucle asservie, il y a toujours au moins un pôle (créé par un circuit RC ou son équivalent) : aucun circuit asservi ne pourrait alors jamais fonctionner selon ton analyse (je te cite "retarder trop la première commutation du mosfet P qui pourrait avoir le temps de laisser passer du 26V"! (si il y a 2 pôles mal compensés, tu peux avoir un dépassement (léger) de la tension de sortie effectivement.. voire une oscillation...).
Un circuit bouclé ne peut pas s'étudier au "senti": il faut obligatoirement le modéliser mathématiquement.
La compensation en fréquence que je décris succinctement n'est pas une "trouvaille de mon cru": ce sont les règles de l'art.
Pour t'en convaincre, si tu comprends l'anglais, télécharge le doc suivant fait par les maîtres qui te l'offrent gratuitement... 132 pages de pure science d'experts sur les alimentations:
https://artofelectronics.net/wp-content/uploads/2016/02/AoE3_chapter9.pdf
A la page 597 tu y trouveras le § "Feedback loop stability"...L'avis des maîtres devrait te rassurer définitivement, la seule "difficulté" est de déterminer expérimentalement la bonne valeur de ce condo afin de conserver une "bonne réactivité" aux variations de la tension de sortie. Quasiment tous les amplis op ont aussi ce "pôle RC" en interne donc, soit vraiment rassuré que ça se fait comme ça.
En tout cas, merci d'avoir signalé ce schéma "pourri" et donne nous sa référence.

Bonne soirée

Yffig
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Yffig

  • Invité
Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #10 le: mars 29, 2020, 04:14:32 pm »

Encore moi...
Si tu télécharge le doc dont j'ai donné le lien, jette aussi un oeil sur la page 695... concernant l'absence de Protection "OverCurrent" du montage proposé. Mais ensuite il y a un pb de LDO.
« Modifié: mars 29, 2020, 04:16:10 pm par Yffig »
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Yffig

  • Invité
Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #11 le: mars 29, 2020, 06:30:23 pm »

Re,

Je te propose une analyse grossière et rapide du mécanisme destructeur (qui mériterait quand même quelque chose de plus rigoureux que ce que je te propose ici mais ça dégrossit le pb):

Le pb n'arrivera que si tu branches une alim externe (de 26V dans ton cas) déjà  opérationnelle sur ce montage: comme la tension initiale aux bornes du 033µF est nulle...la totalité de la tension externe viendra charger ce condo avec une constante de temps de ~1µs, le 78xx ne sera pas alimenté et donc inopérant, le PNP sera saturé et donc son collecteur aura tendance à  rejoindre celui de l'émetteur soit le potentiel d'entrée donc tu vas avoir durant une fraction de µs la tension d'entrée quasiment en sortie (en ne tenant pas compte de la présence de condos de découplage sur la sortie d'alim qui seront eux aussi à  0v initialement ). D'ailleurs c'est étonnant que la jonction BE du PNP ne claque pas d'abord...disons que le PNP est un Power BJT plutôt résilient...

Si tu allumes ton 26V après le branchement au montage régulateur, ta tension de 26V va alors s'établir progressivement: en raison de la phase de l'alternatif (par ex si tu allumes au passage par 0 ou pas loin), les selfs du transfo vont empêcher le courant de s'établir instantanément, la résistance du secondaire va limiter le courant, le(s) condos de "filtrage" eux même déchargés au départ vont se charger progressivement et ta tension de 26V va s'établir de manière progressive, le transistor ne sera pas saturé mais plutôt bloqué au démarrage. Les phénomènes ont ici une unité de temps de l'ordre de la ms donc >> la constante de temps de 1µs du circuit RC à  l'entrée du régulateur qui aura largement le temps d'évoluer exactement comme la tension non régulée et donc de manière non destructive.

Dans le doc cité, page 695, les auteurs ne mettent pas de condo après la 6 Ω et alertent sur le fait que ce montage ne dispose d'aucune protection OverCurrent (OCP), et recommandent de placer un circuit OCP. Note que cela n'est possible que si le montage régulateur n'est pas LDO puisqu'il impose une chute de tension de 0.6/0.7V avant le transistor PNP série.
Dans la vidéo de Bertrand, il n'y a aucune OCP, pas plus que dans le design que je t'ai proposé (dans mon cas je réservais cette OCP dans la 2° partie du cahier des charges comme je te l'ai indiqué).

En d'autres termes, le montage de TI (et d'autres fabricants comme tu le signales) ne posera pas de pb si le régulateur est alimenté en même temps que la partie non régulée. Ce condo est très souvent présent à  l'entrée des régulateurs afin d'offrir une faible impédance de source au régulateur.

Oserais-je aller jusqu'à  dire que c'est ta procédure de branchement qui est en cause,..bin..plutôt oui.

Donc, c'est la manière dont la séquence de démarrage se déroule qui empêche les soucis que tu as rencontrés. Maintenant, cette procédure devrait (aurait dû ?) avoir été précisée par les fabricants pour ce schéma d'application.

Voilà  qui t'éclairera, je l'espère.

Bonne nuit

Yffig
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Yffig

  • Invité
Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #12 le: mars 30, 2020, 04:58:41 am »

Bonjour Sylvain !

Merci de cette précision de modalité de connexion de batterie directement sur  le régulateur au Power On qui confirme bien l'origine de tes déboires.
Je me suis amusé à  simuler le comportement du circuit tel que présenté par Bertrand mais AVEC le petit condo de découplage recommandé par les fabricants (valeurs différentes mais constante de temps RC identique (1µs) :cf les 2 PJ qui ne sont que des diagrammes temporels  à  différentes échelles de temps pour bien voir le phénomène, la (3) a juste un tuning des valeurs de résistances un poil différentes:
PJ (2) au tout début du start up, pendant 3 µs le transistor de boost est saturé par la charge du condo => tu as 26V en sortie du régulateur
PJ (3) le régulateur met alors près de 150µs pour se stabiliser à  ~5v et de manière très soft.

Dans le post qui va suivre , je te proposerai un circuit de soft-start pour éviter ce problème tout en conservant ce petit condo de découplage qui est recommandé par les fabricants et j'y ajouterai une remarque importante.

Yffig

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Yffig

  • Invité
Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #13 le: mars 30, 2020, 05:41:22 am »

Re,

Voici la mise en oeuvre d'un soft start:
Le BJT est un générique, le choix dépend du courant nominal et crête dont tu vas avoir besoin sur ton circuit . Le BJT finit par être saturé et ne dissipera que lors de la phase de démarrage (soit ~0.5 ms).
J'ai pris une constante de temps R4*C3 de 100 µs (soit 100x celle du booster) et la tension de sortie (+5V) met 5xRC (500µs) à  se stabiliser à  sa valeur finale.

Stabilité en fréquence: quelque soit la solution de régulateur que tu essaieras, dès lors que tu mettras un TL431 dans une boucle asservie (par ex même simplement avec un BJT en collecteur commun ou un N-MOS en drain commun), il te faudra considérer cet aspect puisque la charge que tu alimenteras sera peu ou prou capacitive (condos de découplage de tes cartes) (note que Bertrand ne tient pas compte de cet aspect dans sa vidéo, pas plus que de la problématique de l'OCP, son objectif n'était pas de construire une alim je pense mais de donner quelques directions de design de la partie régulation de tension). Dans ce cas, c'est toujours la même technique qui s'impose: un petit condo en mode "effet Miller" fera l'affaire. Les TL431 utilisés en régulation des alims à  découpage comportent normalement ce condo entre entrée et sortie du TL431 (avec une valeur typique de 1nF si tu cherches les schémas de ces alims.

Voilà , j'en ai terminé des mes interventions sur ce sujet et j'espère t'avoir éclairé.

Yffig
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Yffig

  • Invité
Re : TL431 Dropout du régulateur ?
« Réponse #14 le: mars 30, 2020, 07:03:37 am »

re Re...
En complément au précédent message, je me suis souvenu que Cyrob avait traité cette stabilité en fréquence dans le cadre de la régulation des alims à  découpage :
https://www.youtube.com/watch?v=odlC5ZcSv-M
Yffig
« Modifié: mars 30, 2020, 08:51:11 am par Yffig »
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