DC/DC Abwärtswandler hohe Spannung VIN bei externer Spannung am Ausgang

[Felix I. (felix_i)]

Moin

Aktuell habe ich eine Platine samt uC und vielen weiterem Bauteilen 
hier,
bei welcher ich kürzlich die 5V Versorgung ändern musste.
Aber im Grunde geht es erstmal um den Step-Down Converter (TPS560430Y).
Prototyp bestückt und durchgetestet. Sehr saubere Ausgangsspannung und 
scheinbar alles gut. Allerdings ist mir leider erst spät aufgefallen, 
dass bei externer 5V Versorgung (zum flashen des uC) an dem 
Abwärtswandler eingangsseitig eine Spannung von 37-38 Volt zu Ground zu 
messen sind. Dies ist in so fern bedenklich dass noch weitere Bauteile 
in der 24 Volt Leitung hängen, so auch ein Kondensator der bis 36 Volt 
ausgelegt ist und auch ein LM324.
Ich habe jetzt im Datenblatt diesbezüglich nichts finden können. Woher 
stammt dieses Verhalten und was sind die besten Methoden dies zu 
umgehen?
Für freundliche Antworten wäre ich sehr dankbar.
Viele Grüße

[Michael (Firma: HW Entwicklung) (mkn)]

Felix I. schrieb:
> eingangsseitig eine Spannung von 37-38 Volt zu Ground zu
> messen sind

Dann würde der TPS ja loslaufen und selber die 5V erzeugen.
Wird ein Messfehler sein.

[H. H. (hhinz)]

Mach einen Spannungsteiler an den Enable Pin, so dass der Regler erst 
bei deutlich mehr als 5V einschaltet.

[H. H. (hhinz)]

Michael schrieb:
> Dann würde der TPS ja loslaufen

Das macht der.

[Wolf17 (wolf17)]

D3 auf zwei Dioden von C20 nach links und rechts aufteilen. Aber wie 
weit steigt die Rückschlagspannung dann an? Ab 38V wird es ja kritisch. 
Wird es mit 100k Last am Eingang erträglicher? Wie ist Ubatt max? ZD30+R 
am Eingang zur Ableitung im Rückspeisefall?

[Florian L. (muut)]

Ein synchroner stepdown kann umgekehrt auch ein stepup sein.

Warum musst du extern 5V einspeisen zum Programmieren? Bessere 
Programmer nehmen die Targetspannung für das Programmieren.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Felix I. schrieb:
> Sehr saubere Ausgangsspannung und scheinbar alles gut
Donnerwetter, kaum zu glauben. Und das trotz des wirklich überaus üblen 
Layouts. Schmalere Leiterbahnen kann man kaum machen.

Ein Tipp: sieh dir die Layout Recommendations im Datenblatt an. Und am 
besten auch das Layout des EVAL-Boards.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Felix I. schrieb:
> Abwärtswandler eingangsseitig eine Spannung von 37-38 Volt zu Ground zu
> messen sind.

Eine Ursache dafür könnte sein, dass die Stromaufnahme stark schwankt 
und somit durch die parasitären Induktivitäten der Zuleitung und D3 sich 
immer wieder eine Überspannung an C20 zu messen, aufbaut.

Eine andere Variante ist, dass zyklisch der Wandler im Idle Modus die 
beiden Mosfet am Ausgang mit kurzen Impulsen bedenkt, d.h. die 
Bootstrapping-Spannung mit der Hilfe von C13 aufrecht erhält. In dem 
Falle könnte L1 in Verbindung mit der Bodydiode des internen Mosfets von 
U1 eine Aufwärtswandler bilden.

Um letzters zu prüfen müsstest Du ein Oszi an Pin 6 von U1 hängen.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Felix I. schrieb:
> dass bei externer 5V Versorgung (zum flashen des uC) an dem
> Abwärtswandler eingangsseitig eine Spannung von 37-38 Volt zu Ground zu
> messen sind.
Wann (in welchem Augenblick) kannst du diese hohe Spannung messen? Und 
vor allem: wo genau misst du die? Mit welchem Messmittel? Wo ist bei 
dieser Messung die Masse und wo ist die Messspitze angeschlossen?

Ich habe mir den Schaltregler nochmal angeschaut: das ist so ein kleines 
MHz-Biest und dank glücklicher Wahl gleich der mit 2MHz. Da ist das 
Layout mit das wichtigste Bauteil. Und an den Ein- und Ausgang gehören 
keine Elkos, sondern möglichst kompakte Kerkos (kurze Zuleitungen = 
niedrige Impedanz) mit möglichst viel Spannungsfestigkeit 
(Kapazitätsabnahme wegen anliegender Spannung). Und ganz sicher werden 
die Bauteile nicht mit Thermals angeschlossen und genausowenig hinterher 
die Masse einfach so quer drüber geflutet.

Kurz: deine Schaltung und dein Layout verletzt so gut wie jede "du 
musst" Regel in den Guidelines. Die stört mit Sicherheit ganz gewaltig. 
Lies das da durch und zeichne die 3 Strompfade mal in dein Layout ein. 
Du wirst sehen, dass es da schon gar keinen brauchbaren direkten 
Stromweg über GND vom Eingangs- zum Ausgangkondensator gibt:

- 
http://www.lothar-miller.de/s9y/archives/46-EMV-Optimiertes-Schaltreglerlayout.html

[H. H. (hhinz)]

Dieter D. schrieb:
> Eine Ursache dafür könnte sein,
> Eine andere Variante ist,

Garantiert nicht! Das wieder mal nur deine wirren Wahnvorstellungen.

[H. H. (hhinz)]

Lothar M. schrieb:
> Kurz: deine Schaltung und dein Layout verletzt so gut wie jede "du
> musst" Regel in den Guidelines. Die stört mit Sicherheit ganz gewaltig.

Klar, er hätte massive Probleme bei der EMV-Messung, aber mit dem 
beschriebenen Problem hat das nichts zu tun.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

H. H. schrieb:
> aber mit dem beschriebenen Problem hat das nichts zu tun.
Klar, deshalb meine Frage nach dem "wann" und "wo".

Zudem hat Felix I. ausdrücklich den Schaltregler gepostet, und weil der 
so verbesserungsdürftig ist, muss der kommentiert werden.

Zum eigentlichen Problem tippe ich zu 90% auf einen Messfehler.

Felix I. schrieb:
> dass bei externer 5V Versorgung (zum flashen des uC)
Leider weiß hier nur einer, nämlich du selber, wo und wie da diese 5V 
extern angelegt werden und was sonst noch so angeschlossen ist.

[H. H. (hhinz)]

Lothar M. schrieb:
> Zum eigentlichen Problem tippe ich zu 90% auf einen Messfehler.

Nein, der Regler läuft tatsächlich an, und er arbeitet dann als Step-Up 
in Gegenrichtung.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

H. H. schrieb:
> Nein, der Regler läuft tatsächlich an, und er arbeitet dann als Step-Up
> in Gegenrichtung.

Dieter D. schrieb:
> Eine andere Variante ist, dass zyklisch der Wandler im Idle Modus die
> beiden Mosfet am Ausgang mit kurzen Impulsen bedenkt, d.h. die
> Bootstrapping-Spannung mit der Hilfe von C13 aufrecht erhält. In dem
> Falle könnte L1 in Verbindung mit der Bodydiode des internen Mosfets von
> U1 eine Aufwärtswandler bilden.
> Um letzters zu prüfen müsstest Du ein Oszi an Pin 6 von U1 hängen.

H. H. schrieb:
> Garantiert nicht! Das wieder mal nur deine wirren Wahnvorstellungen.

Felix I. schrieb:
> Für freundliche Antworten wäre ich sehr dankbar.

Aus meiner Beschreibung kannst Du ableiten, wie das IC in dem Falle 
rückwärts hochwandelt. Ob der Chip das dauerhaft macht, weiß ich nicht 
zuverlässig, könnte es messen, wenn ich den Chip mit Schaltung hier 
hätte.
Ggf. im Datenblatt 8.2 Functional Block Diagram ablesbar.

Es gibt Chips, da kann der Effekt vermieden werden, indem über einen 
Transistor bei überschreiten der Spannung am Eingang, zum Beispiel 30V, 
der Chip über den EN-Eingang ausgeschaltet wird.

[H. H. (hhinz)]

Dieter D. schrieb:
> Aus meiner Beschreibung kannst Du ableiten,

Völlige Ahnungslosigkeit.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

H. H. schrieb:
> Völlige Ahnungslosigkeit.

Felix I. schrieb:
> und was sind die besten Methoden dies zu umgehen?

Dann gib mal Budda bei de Fisch und mache einen besseren Vorschlag den 
störenden Effekt zu umgehen.

[H. H. (hhinz)]

Dieter D. schrieb:
> Dann gib mal Budda bei de Fisch und mache einen besseren Vorschlag den
> störenden Effekt zu umgehen.

Längst getan.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

H. H. schrieb:
> Längst getan.

Gut. Habe ich gesehen.

Allerdings hatte ich auch an den Fall gedacht, dass er noch eine 
Versorgung an dem Anschluss "+Batt" dran hätte und dann an dem Ausgang 
mit dem Netzteil die 5V einspeisen könnte, sofern das nicht mechanisch 
verhindert wird.

[H. H. (hhinz)]

Geh Gänseblümchen zählen!

[Frank O. (frank_o)]

H. H. schrieb:
> Geh Gänseblümchen zählen!

Du kannst aber auch gemein sein. :-)

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Schön, weil sagte einer der französischen Chefs auch, wenn sich seine 
Mitarbeiter eine Kaffepause verdient hatten.

[H. H. (hhinz)]

Frank O. schrieb:
> H. H. schrieb:
>> Geh Gänseblümchen zählen!
>
> Du kannst aber auch gemein sein. :-)

Die Gänseblümchen sind mir nicht böse.

[H. H. (hhinz)]

Dieter D. schrieb:
> Schön, weil sagte einer der französischen Chefs auch, wenn sich
> seine
> Mitarbeiter eine Kaffepause verdient hatten.

Mange les pissenlits par la racine !

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

H. H. schrieb:
> Die Gänseblümchen sind mir nicht böse.

Es ist ein Unterschied, ob gezaehlt oder gepflueckt werden soll.

[Felix I. (felix_i)]

Moin
Danke einmal für die größtenteils vernünftigen Antworten hier.
Warum man den Thread hier teilweise mit persönlichen Angriffen gegen 
andere User fluten muss ist mir nicht ganz klar aber das ist ja zum 
Glück nur die Minderheit.
Jetzt aber mal zurück zum Thema:
Bin zur Zeit noch auszubildender, das Layout habe ich vor ca. einem 
halben Jahr erstellt und dass es alles andere als optimal ist ist mir 
mittlerweile auch bewusst, das wird auch noch verbessert. Danke aber 
schonmal für die Tipps hierzu.
Übrigens: Bei dem TPS habe ich auch mal die X Variante ausprobiert, 
welche mit 1.1 MHz taktet. Hier liegt die Spannung am Eingang (gemessen 
mit dem Multimeter) bei 42 Volt, also noch einmal ein gutes Stück höher.
Mit dem Oszi an SW liegen bei der X Variante 1.1 MHz an, also die volle 
Taktrate die auch im Normalbetrieb anliegt. Die Spannung lässt sich von 
jedem beliebigen Massepunkt zu allen Pins des VIN Netzes und auch im 24V 
Netz hinter dem 78L24A messen.
Wie kommt es eigentlich dass der TPS sich eigenständig aktiviert? 
eventuell durch die Induktion der Spule? ansonsten kommt EN ja nicht an 
eine Spannung ran.
Liebe Grüße

[H. H. (hhinz)]

Felix I. schrieb:
> Wie kommt es eigentlich dass der TPS sich eigenständig aktiviert?
> eventuell durch die Induktion der Spule? ansonsten kommt EN ja nicht an
> eine Spannung ran.

Durch die parasitäre Diode des oberen MOSFET der Ausgangsstufe. Siehe 
auch im Blockschaltbild.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

H. H. schrieb:
> Siehe auch im Blockschaltbild.

Rechts oben das Symbol für den Mosfet (ohne eingezeichnete Bodydiode).

Wenn Du Spannung am Ausgang anlegst, dann kann kann durch die 
Induktivität und die Diode auch eine etwas höhere Spannung als die 5V 
erreicht werden beim transienten Einschaltvorgang, aber nicht über 10V. 
Daraus kannst Du ableiten, wie hoch der Spannungsteiler nach Hinz seinem 
Vorschlag mindestens ausfallen sollte.

Hier ein Beispiel, wie Überspannungen beim Ein-Schalten entstehen:

https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=CQAgjCAMB0l3BWEBmayxgQFgWAnAgBwBseATOmSAstSFrQgKYC0GAUAE4hlaQiF+yYoQH9+YSOwDO9UYPBgqCiSABmAQwA20puwDucngmL1kVMiajsAxmeX8GFq+NjwwWPF+8-fA6ERkAOzICEFg5pB4YIRB1lqKDjx8YlDgICyoyEGQ2UF8ZMRBQcTEwazIWNYAbkaWpljy4mkpSM0wCFz2xqYIZKL1aZJSACYoIqlOqVQjTJoArloALl19TdT9PUNSslMKa6mqmjp6APb0IMRVjlF4dDCQlmlUVcjs57RXLbfgro9IECotDe534XxuXigaCUbVgTwsaTeyFEtAAYhA-vBIBi3NjsRkIABhDQABw0NgAlksNAA7Gx6ZEXdFpB4QMCwCBsEAASRpI3mNmpdIZon4zNUkk5EAASkxpBTpEL6ewABbpV7sIA

[H. H. (hhinz)]

Dieter D. schrieb:
> Hier ein Beispiel, wie Überspannungen beim Ein-Schalten entstehen:

Ein völlig unsinniges!

Halt doch einfach mal die Finger still!

[Felix I. (felix_i)]

Danke für die schnellen Antworten.
Das mit dem Spannungsteiler werde ich auf jeden Fall ausprobieren, 
klingt vielversprechend. Die Einschaltspannung liegt laut Datenblatt bei 
1.36V, die Ausschaltspannung bei 0.95V. also werde ich mal einen 
Spannungsteiler von ca 1/10 testen. Das sollte bei der Betriebsspannung 
von 24 Volt mit Toleranz ganz gut passen.
Ist das eigentlich typisch für solche Abwärtswandler oder ist das hier 
eher ein seltener Fall wodurch der Wandler auch rückwirkend arbeitet?

[Michael (Firma: HW Entwicklung) (mkn)]

Felix I. schrieb:
> Wandler auch rückwirkend
Schau ins DB auf S.9.
Du legst 5V an SW an (über L1)
Über die Body Diode des HS Fet wird die auf Vin geführt.
(Nicht eingezeichnet aber bei jedem Fet vorhanden)
D.H. der TPS bekommt nun Vin und läuft los.

Nun wirkt der LS Fet mit L1 als Boost die Body Diode des HS Fet als 
Auskoppeldiode.
Wenn weder FB noch EN den Wandler ruhigstellen, passiert das.

Florian L. schrieb:
> Ein synchroner stepdown kann umgekehrt auch ein stepup sein.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

H. H. schrieb:
> Michael schrieb:
>> Dann würde der TPS ja loslaufen
> Das macht der.
Nett. Der Freilauf-Mosfet als Schalt-Mosfet...

Hab gleich mal das EVAL-Board bestellt, ich wollte mir die TPS soweiso 
mal näher anschauen ;-)

Da könte man doch "einfach" eine Diode in den Ausgang schalten und den 
Feedback danach abgreifen. Probiere ich mal aus, wenn das EVAL-Board da 
ist.

[Felix I. (felix_i)]

So, mit dem Spannungsteiler läuft alles so wie es soll. Danke für eure 
Hilfe!