sunnuntai 30. huhtikuuta 2017

Superfretti, wolfspeediä eteenpäin!!

Tähän väliin on varmaan hyvä ottaa katsaus millaiseksi otukseksi tuo suprefretti olisi kehittymässä. Mitä osia siihen tulee, millaiset liitännät, millaista sähköä syö, kuinka ison levyalan se vaatii, mitä osia tarvitaan, mistä ne hankitaan ja mitä koko paska maksaisi.

Ja älkää ihmetelkö jos tämä blogipostaus vaikuttaa "itsekseen höpisemiseltä"
Tämä blogipostaus on lähinnä muistiinpano itselle sekä kehityspolun dokumentointi  "miten päädyin lopputulokseen".

Itseasiassa mihinkään lopputulokseen en ole päätynyt. Lähinnä sain kaivettua esille kasan kysymysmerkkejä. Palaan superfrettilevyn suunitteluun myöhemmin, mutta esitellääns ongelmakohdat.

Skema

Skema on aika pitkälti samanlainen mitä UCC21520  malliskemassa. Gatedriverin jännitteet tehdään erotetuilla DC/DC muuntimilla. Koska kyseessä on kokeellinen kytkentä, lisäsin kalustusoption zenerdiodille ja etuvastukselle, jolla on mahdollisuus tuottaa noin 5.1v alle "Source" pinnin olevia gatejännitteitä. Siis tilanteessa jossa gatedriverille tehdään sähköt yhdellä DC/DC muuntimella.

Eli -5v negatiiviselle puolelle ja +12v ylöspäin. Toivottavasti +12v riittää ajamaan tarpeeks virtaa gatelle.

Gatedriveripiirissä on oma inputtinsa ylös ja alas vetäville drivereille (INA ja INB). Toisen mennessä ylös toinen menee alas. Raspberryllä on vain yksi lähtö, joten tätävarten toista linjaa varten tarvitsee NOP operaation.  On huomattava, että not-operaation tekeminen aiheuttaa viiveen. Tätävarten laitoin tuplaxor piirin. Toinen linja menee xorista jonka toinen jalka on maasssa ja toinen jonka jalka on puussa. Näin viive pitäisi olla likimain sama molemmissa linjoissa, piirin nimi "true complement element" saattaa viitata siihen?? (en ole varma)

Katselin transtoreita sillä silmällä että

  • Jännitekesto  800v riittää...tosin enempi parempi jos ja kun induktanssi aiheuttaa piikkejä 
  • Hajakapasitanssi  COSS mahd pieni.
  • Nopeus... nopea sulkeutumaan ja avautumaan. Tärkeää olla katki tai johtava mahdollisimman nopeasti.  napsahtaminen tulisi tapahtua luokkaa 10ns aikana..nopeampi parempi
  • Nopeutta tarvitaan jotta gatedriverin odotteluaikaa tarvitse pitkittää latchupin pelossa. Odotteluaika pitää mitoittaa sen mukaan mitä ajat ovat kun trankku käy kuumana.
  • Lämmönkesto ja lämmön vaikutus suorituskykyyn, on kiva jos tehokomponenttia voi päästää kuumenemaan ilman että ominaisuudet heikkenevät tai trankulla tapahtuu yllättävä lämmönkarkaaminen (thermal runaway).
  • Kotelointi
    • a) pintaliitos
      • Mekaanisesti robusti ja helppo tehdä
      • Tina on pastaa parempi
      • läpiviennit vievät lämmön  levyn kääntöpuolelle ja levittävät sitä
        • Toisellepuolen levyä pastaa+keraamilevy+siili
        • komoponenttipuolelle siilejä kans?
      • Vaikeaa tehdä ilman juotospastaa ja kuumalevyä
        • Joku lämmityslevy tai kuumailmatöhö välttämätön, viat johtavat alitehoisen pildeman kolvin tehon pois
        • Menisi kapillaarilla luultavasti ihan normi narutinallakin?
    • b) jalallinen
      • Saa kiinni tarvittaessa ison siilin
      • Kiinityksen kanssa askartelu..ruuvilla kii?
        • Metalliruuvi johtaa sähköä
      • Helppo kolvata?


Aloitin valinnan tekemisen valitsemalla teknologian ja vertailemalla mikä on paras tähän tarkoitukseen

  • Perinteinen mosfet
  • IGBT
  • Silikonikarbidi
  • Galium-arseeni  ja galium-perseeni :D


Aloin tekemään selvitystä trankuista... Löysin wolfspeed nimisen firman silikonikarbiditransistorin joka pikaisesti katsoen näyttää riittävältä

Silikonikarbiditrankkuja
http://www.wolfspeed.com/power/products/sic-mosfets/table
Jännitekeston alkupäästä:
http://www.wolfspeed.com/media/downloads/145/C3M0065090J.pdf
113W jäähdytysteho (kun 25c kotelolämpö ja 150c sisällä).. output capacitance 60p... nousu 10ns  lasku 6ns joka on kivasti alle gatedriverin nopeuden. trr eli 12ns
http://www.wolfspeed.com/media/downloads/958/C3M0065100J.pdf
Havaittavaa heikentymistä muissa ominaisuuksissa ei ole vaikka jännitteenkesto nousisikin,
Trr on paskimmissa noin 20ns.. wolfspeedin parhaimmissa 10ns

Wolfspeedin silikonikarbidimosfetit vaikuttavat varsin nopeilta. 3C  sarjan trankuissa on pikkuisen korkeampi jäähdytysteho. Kolmijalkaiset jäähtyvät vähän huonommin... useampijalkaisissa kiinnostaa tuo erillinen source pin driverille.

Wolfspeed.... mistä niitä nimiä keksitään... mieleen tulee wolfspeedistä tämä kuva


Teen jossain vaiheessa erillinen selvityspostaus kaikista muista vaihtoehdoista...mutta mennään nyt aluksi wolfspeediä eteenpäin..


Palataans varsinaiseen skemaan

Olen ympäröinyt skemasta alueet punaisella, jotka ovat maahan korkeajännitteessä että ne heiluvat pahimmillaan noin -400 ja +400 voltin välillä maahan nähden.Täten tuo alue tulee pitää etäällä maasta, ettei energiaa kulu hajakapasitanssienpurkuun ja lataamiseen. Niin ja tietenkään unohtamatta sitä että mitä enemmän johdetta heilutetaan..noin potentiaalimielessä sitä kovempia häiriöitä... radioaallothan eivät ole muuta kuin viivästynyttä sähkökenttää... ja -400v ja +400v välillä korkeataajuudella heiluva antenni, joka vie tehoa muutaman sata wattia  (terävää kanttia... paljon taajuuksia)... on aika paha häiriölähetin vaikka "antenni" olisi vähän heikompi. :D

Suattaa telehallitus ja tukes-ukoilla olla jotain avautumista aiheeseen liittyen.... Noh... kunhan suojaa asiallisesti metallikuoreen.

FAIMS laitteen kehityksessä olen lähtenyt sille linjalle että kehitettyjen juttujen pitää olla jo itsessään chooleja.. ihan niinkuin ilGallo tai tasmanian tuholainen... Vaikka FAIMS laitetta en ikinä saisi tehtyä, olisi osat jo itsessään sikamageita :D   Eli tästä saisi tarvittaessa vaikka laajakaistaisen jammerin... ei kuulu gsm,3g,4g,virve... GPS:stä ja glasnostista (eiku glossnas) nyt puhumattakaan. Tai sitten vaikka induktiokuumentimen :D

BOM

Osalistassa on 70 osaa...pikaisella yhteenlaskulla laskien. Wanhan tyhmän säännön mukaan minkä elektroniikkalaitteen hinta on osien lukumäärien summa taaloina.
Eli siis karkeasti arvioiden ja optimistisesti ajatellen, farnellin hankintakulut, edullisen tarjouksen häviämisen ja rahayksikkömuunnosriskin unohtaen.... voisi levylle tulevan roinan kustantavan

16e dc/dc palikat + 20e kivet + 2.4e xor portti + 6e UCC21520 + 4e diodeista+ 5e muu oheissälä (vastukset...liittimet)..

Tekee siis noin 53.4e  Vielä näin aikaisessa vaiheessa on turha laskea sentilleen... mutta otan tuon 50e suuruusluokka-arvioksi.  Designia fiilaamalla ja hankinnat fiksusti suunnitellen voisi päätyä vielä alempaan lukemaan.

Alustava "leiskautus" tuotti levyn jonka koko on 57mm x 107mm... kaksikerroksisella mennään
Pinta-alana tuo on 9.455 neliötuumaa... oshpark todnäk pyöristää ylöspäin eli 10...eli kaksipuoleselle kustantaa 50taalaa/3levyä. Eli koko häkkyrä maksaisi siinä 70e:n paikkeilla, kummiski alle 100e

Saattaa olla että levyn muoto ja ala muuttuu. Ideaalista olisi jos tekisi levystä senmuotoisen että siihen menisi joku helposti saatava siilijäähy+heatpipe+tuuletin yhdistelmä eli levy esittäisi olevansa prossupidike.

Aijoo... sit on hankittava heatspreaderit.. keraamilevyt ja heatpipe-jäähdytyssiilit. Itselläni on onneksi nurkissapyörivä korkkaamaton prossuchooleri jonka kaivoin opiskeluaikoinani tunkkarikylän siivoustalkossa roskiksesta.. Todennäköisesti pastat tai mikälie termaaliliimamatsku on kuivahtanut noin 10v:n aikana...tai kyseisen siilin tapauksessa päälle 15v aikana  (hui.. miten helvetisti siitä onkaan aikaa).

Tässävaiheessa on vielä tarpeetonta murehtia hintaa kun osien ostopäätöstä en ole vielä tehnyt..
Tavoitteenani on hahmotella tällä tarkkuudella myös muiden osien hinnat. Sitten karsimaan kuluja.

Työelämässä yleensä ei tutkimusprojektien alkuvaiheessa lähdetä optimoimaan ihan pieniä asioita. Nyt tilanne on kuitenkin eri, kun joutuu itse maksajaksi ja laite tulee omaan henkilökohtaiseen käyttöön.

Leiska

Leiskautin puolivakavissani komponentit suht oikeaan järjestykseen levylle. Tarkoitus oli tosiaan selvittää minkäkokoiselle levylle osat menisivät. Ja ennenkaikkea, meneekö vedot kaksipuoleiselle.

superfretin eka koeleiskautus komponenttipuoli

Kyllähän ne sinne menee vaikka rennosti routtaisikin. Kaksipuoleinen levy riittää, mikä pitää kustannukset kurissa.
Ideana on että komponenttipuolelle laittaisi vaikka keraamiset raspberryyn tarkoitetut jäähysiilit.

Ceramic Heat Sink Cooling Heatsink For Arduino Raspberry Pi 3 Adhesive Backing
http://www.ebay.com/itm/Ceramic-Heat-Sink-Cooling-Heatsink-For-Arduino-Raspberry-Pi-3-Adhesive-Backing-/282388936512?hash=item41bfb13740:g:bTsAAOSwB-1YwP2K
Maksaa alle euron/kpl  jäähdytyskyvystä en vielä tiedä. Tilasin yhden raspberryn jäähdyttelyä varten. Kokeilen sillä, onko keraamipalasta mitään hyötyä.

Kalliimpiakin vaihtoehtoja olisi
Amec Thermasol - FCH25255T - Heat Sink, 25mmx25mmx5mm, Ceramic

*http://www.ebay.com/itm/Amec-Thermasol-FCH25255T-Heat-Sink-25mmx25mmx5mm-Ceramic-/132069682816?hash=item1ebff76e80:g:zmkAAOSwo4pYgL9G

Amec Thermasol - MPC101020T - Heat Sink, Ceramic 10x10x2mm, std Tape
http://www.ebay.com/itm/Amec-Thermasol-MPC101020T-Heat-Sink-Ceramic-10x10x2mm-std-Tape-/132127907878?hash=item1ec36fe026:g:8twAAOSw4A5YylHx


Superfrettilevy alhaalta, ei paljoa nähtävää...

Alapuolelle via-matriisin päälle (tinatut reijät johtaa lämmön).. samanlaiset tai sitten piitahnaa+sähköeriste+iso siili.

Saattaa olla tarpeen asetella transistorit niin että jäähdytyspädit ovat enempi liki toisiaan.

Sähköeristeeksi voisi käyttää jotain hyvin lämpöäjohtavaa teippiä, silikonilärpäkettä... Tai jokin keraamilaatta (sellaisia mitkä menee vaikka TO-220:n taustalle) olisi tietenkin fiksu ja aika varma sähköeriste (ceramic MICA yms hakusanat ebayhin).

Liitynnät


  • +12v johto (+ ja GND)
  • Koaksiaaliliitin ohjaukselle
  • Positiivisen korkeajännitteen liitin (TODO virrankesto?)
  • Negatiivisen korkeajännitteen liitin (TODO virrankesto?)
  • Offset jännitteen syöttöliitin
  • Jokin vielä keksimätön  liitäntätapa viedä jännite (ja GND) FAIMS suodattimeen

Yksi kyseenalainen asia on se, että pitäisikö tälle kortille laittaa 2kpl DAC:ja ja tasomuunnoksessa tarvittavat operaatiovahvistimet. Toisella offset ja toisella HV jännitelähteiden setpoint?

Tosin itse laittaisin ne raspberryn lisäkortille... jos sille löytyisi muutakin käyttöä








Lähettänyt klo

Ei kommentteja:

Lähetä kommentti

Tilaa: Lähetä kommentteja (Atom)