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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Berechnung Eingangsstrom Step-Up Wandler


Autor: Hugo Miller (Gast)
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Wie kann man den Eingangsstrom eines Step-Up Wandlers berechnen ?

Ich dachte immer U_in * I_in = Uout  I_out  Effizienz


Nun habe ich mir einen Step-Up Wandler mit dem TPS61031 gebaut:

U_in = 2V
U_out = 3.3V
I_out = 500mA
I_in = 1.3A !

Also irgendwas kann da nicht stimmen...

Autor: Alex Bürgel (Firma: Ucore Fotografie www.ucore.de) (alex22) Benutzerseite
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Warum nicht?
~64% Wirkungsgrad sind doch durchaus realistisch...

Schöne Grüße,
Alex

Autor: yalu (Gast)
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Wenn du aus
U_in * I_in = Uout * I_out *  Effizienz
U_in * I_in = Uout * I_out /  Effizienz
machst, wird ein Schuh draus.

Autor: Hugo Miller (Gast)
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Wenn die Effizienz eine Zahl kleiner 1 (100%) ist, dann dachte ich
U_in * I_in = Uout * I_out *  Effizienz

Also fuer den genannten Fall:
I_in = (U_out * I_out * Effizienz) / U_in 

Und mit den Zahlen:
I_in = (3.3V * 0.5A * 0.9) / 2V = 0.74A

Muss noch mal meine Schaltung pruefen, der Step-Up ist naemlich mit 90% 
Eff angegeben.

Autor: sunnyalex (Gast)
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>der Step-Up ist naemlich mit 90% Eff angegeben
Hmm, wenn man der Effizienz-Kurve des Datenblatts für deine 
Anwendungsparameter glaubt sollte der Wirkungsgrad wirklich bei etwa 90% 
liegen.

Hast du dich mit deinem Design an TIs Designvorschläge gehalten?
Hast du hochwertige Komponenten verwendet (Induktivitäten und 
Kapazitäten)?

Ansonsten kann der Wirkungsgrad schnell in den Keller gehen...
Schöne Grüße,
Alex

Autor: Hugo Miller (Gast)
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Die Schaltung ist so wie im Datenblatt von TI angegeben. Die Komponenten 
sind ebenfalls hochwertig (C mit Low ESR, Spule mit niedrigem R und 
Induktivitaet wie angegeben sowie Stromfestigkeit entsprechend 
berechnedem Peak Strom).

Zudem ist der Aufbau kein fliegender Drahtverhau sondern bereits PCB 
(allerdings nur einseitig).

Ich frage mich ob dort wo die fehlenden 30% verbraten werden auch das 
Problem ist ?

Autor: yalu (Gast)
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> Wenn die Effizienz eine Zahl kleiner 1 (100%) ist, dann dachte ich
>
> U_in * I_in = Uout * I_out *  Effizienz

Das würde bedeuten, dass die Eingangsleistung immer kleiner als die
Ausgangsleistung wäre. Mit deinem Wandler könntest du somit ein
Perpetuum aufbauen :)

  Effizienz = Pout / Pin

nicht umgekehrt.

Die Effizienz deiner Schaltung ist tatsächlich 63,5%.

> Ich frage mich ob dort wo die fehlenden 30% verbraten werden auch
> das Problem ist ?

Knapp 1 W Verlustleistung sollte man mit dem Finger spüren können.
Hast du mal gefühlt, welche Bauteile wie warm werden? Vielleicht
kannst du damit das Problem einkreisen.

Autor: Hugo Miller (Gast)
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Ok, habs jetzt verstanden.

Ich pruefe jetzt nochmal ob alles korrekt aufgebaut ist. Falls ja, 
wodurch wird hauptsaechlich die Wandlereffizienz beeinflusst ?

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Hugo Miller wrote:

> wodurch wird hauptsaechlich die Wandlereffizienz beeinflusst ?

Magnetische Sättigung der Spule.  Zu hohe Verluste im Kern bspw. durch
hohe Schaltfrequenz.

Kannst du denn mal mit dem Oszillonuckel da reingucken?

Autor: Detlef _a (detlef_a)
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> wodurch wird hauptsaechlich die Wandlereffizienz beeinflusst ?

ohmsche Verluste der Spule.
Flußverluste der Diode.
Sperrverluste der Diode.
Schaltverluste des Transistors.

hohe Schaltfrequenz macht die Schaltverluste höher und die 
Spulenverluste kleiner. Trend geht zu höheren Taktfrequenzen.

Cheers
Detlef

Autor: Hugo Miller (Gast)
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Wo soll ich an der Spule messen ? Schalteingang nach Masse ?
Habe die Schaltung als Bild beigefuegt.

Habe Schaltung und Layout nochmal quergeprueft mit den Vorgaben von TI. 
Passt leider alles. Scheint somit ein Bauteilethema zu sein.

Ich kann auch alle Teile austauschen, allerdings den IC nur ungern (fine 
pitch TSSOP).

Autor: Martin (Gast)
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ist das normal, dass der Feedback Pin nicht angeschlossen ist?

Autor: Hugo Miller (Gast)
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Der FB Pin ist nicht angeschlossen weil der Wandler nicht regelbar ist. 
Laut Datenblatt laesst man den einfach offen. Siehe Bild (Zeigt 5V 
Version).

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Hugo Miller wrote:

> Wo soll ich an der Spule messen ? Schalteingang nach Masse ?

Ja.

Autor: Michael H* (Gast)
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wie schauts mit deiner diode aus? was hast du da für eine eingebaut? der 
rest vom schaltplan wäre eigentlich viel interessanter als das, was du 
gepostet hast ^^

Autor: Hugo Miller (Gast)
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Anbei die Oszimessung an der Spule. Die Frequenz scheint zu passen, soll 
laut Datenblatt zw. 500 und 700kHz sein.

Die Versorgungsspannung war 2V, als Last habe ich einen 6 Ohm Widerstand 
angeloetet. Ausgangsspannung 3.3V. Die Stromaufnahme war 1.2 Ampere.

Der Rest der Schaltung ist nicht bestueckt !

Es gibt keine Diode, die wird hoffentlich im IC drinnen sein ?!

Es wird auch nichts signifikant warm. Kann natuerlich daran liegen dass 
die Platine mehr oder weniger Flaechig mit Kupfer ueberzogen ist.

Autor: Hugo Miller (Gast)
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Zusatz: habe gerade festgestellt dass die Spule keine 6.8uH hat sondern 
10uH. Sollte die Sache ja nur besser machen. Zudem kann sie 4A, R= 
35mOhm.

Autor: avion23 (Gast)
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hallo hugo,
eine diode brauchst du nicht. Dazu das zitat aus dem datenblatt:
>The device integrates an N-channel and a P-channel MOSFET transistor to >realize 
a synchronous rectifier.
>Because the commonly used discrete Schottky rectifier is replaced with a low 
>RDS(ON) PMOS switch, the
>power conversion efficiency reaches 96%.

Den FB-Pin brauchst du anscheinend nicht bei Versionen mit fixed 
Voltage. Es wäre interessant zu wissen, ob du so einen hast :) Wenn 
nicht, sollte da ein Spannungsteiler mit 1µA Querstrom und 500mV 
Stellgröße hin.

Poste doch mal deinen Schaltplan und dein layout. Im Layout können 
einige Fehler stecken.

Autor: Hugo Miller (Gast)
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Schaltplan siehe weiter oben. Der FB Pin ist nicht belegt. Layout anbei, 
leider ohne Bauteilbezeichnung. Sind aber nur 6 Komponenten (2x 
Eingangs-C, 2x Ausgangs-C, 1x Spule, 1x IC). Die Widerstaende sind die 
nicht bestueckten FB's.

Autor: avion23 (Gast)
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Ah sorry, den Schaltplan hast du ja schon gepostet.
Das sieht wesentlich besser aus, als alles was ich produziert hätte.
Ich habe einmal gelesen, dass man unter Spulen, Trafos etc. keine 
Massefläche macht wegen der dort induzierten Wirbelströme. Das ist jetzt 
schwer zu korrigieren. Wie ist denn der Handauflegen-test ausgegangen? 
Was wird warm?

Vielleicht ist auch die Wandlerfrequenz zu hoch für deine Spule?

Autor: Hugo Miller (Gast)
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Die Spule ist magnetisch geschirmt.

Was warm wird: eigentlich alles oder nix. Da alles so eng zusammen sitzt 
kann ich nicht unterscheiden ob ein Bauteil heisser wird als ein 
anderes.

Ich habe jetzt die Spule durch eine kleinere mit 6.8uH ausgetauschen, 
hat laut Datenblatt 23MHz Selbstresonanzfrequenz (Wuerth). Die davor 
verwendete ist eine Sumida, Freq. nicht spezifiziert.

Ergebnis: keine Besserung, eher noch schlimmer. Die 3.3V werden erst ab 
einer Eingangsspannung von 2.5V erreicht.

Autor: yalu (Gast)
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Immerhin hast du jetzt schon einen Wirkungsgrad von

  ((3,3V)² / 6Ohm) / (2V * 1,2A) = 0,76

Das sieht doch schon deutlich besser aus als die

  (3,3V * 0,5A) / (2V * 1,3A) = 0,63

in deinem ersten Beitrag. Hast du irgendetwas geändert? Oder nur
genauer gemessen?

In deinem Oszillogramm kann man ungefähr die Spannungsabfälle an den
Schalttransistoren ablesen: Der Spannungsabfall an dem nach Masse
schaltenden N-MOSFET ist etwa 0,13V, derjenige am P-MOSFET kann
schlecht abgelesen werden, da die Ausgangsspannung nicht dargestellt
wird. Wäre die Ausgangsspannung exakt 3,3V, wäre der Spannungsabfall
nur etwas 0,06V. Wahrscheinlich liegt die Ausgangsspannung aber etwas
unter 3,3V, so dass der Spannungsabfall ähnlich wie beim N-MOSFET sein
wird. Das ergäbe dann einen Leistungsverlust von ca. 6%, was ok ist.
Am ohmschen Widerstand der Spule gehen etwa 2% verloren. Die
Eingangsspannungvon 2V hast du hoffentlich direkt auf der Platine
gemessen, sonst müsste auch noch der Widerstand der Zuleitungen
berücksichtigt werden. Die Schaltzeiten der Transistoren scheinen
recht kurz zu sein, deswegen kann man sie schlecht ablesen. Sie
betragen maximal 50ns, was allerdings schon ca. 11% Verlust
entsprechen würde. Wahrscheinlich sind sie aber deutlich kürzer, sonst
wären die im Datenblatt genannten 90% nie erreichbar. Wenn dein Oszi
es hergibt (wahrscheinlich tut es das nicht ;-)), kannst du ja
versuchen, die Schaltzeiten zu messen, indem du die Zeitbasis auf 100
oder 50ns/div stellst.

Wenn die Schaltzeiten vernachlässigt werden, wären also ca. 92%
Wirkungsgrad bis jetzt noch möglich. Nun kommen aber noch
Ummagnetisierungsverluste und Nichtlinearitäten im Spulenkern sowie
Verluste in den Kondensatoren hinzu. Um zu sehen, was in der Spule
vorgeht, wäre Oszi-Messung des Spulenstroms (so wie in Abb. 13 im
Datenblatt) hilfreich. Insbesondere der Spitzenstrom sowie die
Linearität des Stromverlaufs zwischen den Extrema sind interessant.

Der Strom könnte über einen in Reihe zur Spule geschalteten Shunt
gemessen werden, der aber nicht zu groß sein darf, da sonst die
Funktion des Reglers beeinträchtigt wird. Da die Stromschwankungen im
Idealfall bei ca. 0,2A Spitze-Spitze liegen, wäre ein Shunt-Widerstand
von max. 0,5Ohm geschickt, so dass die Eingangsspannungsschwankungen
max. 0,1 V betragen. Der mittlere Eingangsspannungabfall von 1,2A *
0,5Ohm = 0,6V könnte durch Erhöhen der Spannung von 2V auf 2,6V
ausgeglichen werden. Dass diese Messmethode eher eine Schätzung ist,
ist klar, aber zumindest grobe Fehler in der Spule sollten sich damit
aufdecken lassen.

Weiterhin kann aus dem Verlauf der Ausgangsspannung (ebenfalls in Abb.
13 zu sehen) Rückschlüsse auf die Qualität der Ausgangskondensatoren
gezogen werden. Die Eingangskondensatoren sind nicht ganz so wichtig,
weil dort die Umladeströme deutlich geringer sind.

Du kannst ja mal schauen, was du noch alles gemessen bekommst und die
Ergebnisse hier posten.

Autor: Hugo Miller (Gast)
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Im Vergleich zum ersten mal habe ich wohl genauer gemessen. Ich habe die 
Schaltung mit auf die Arbeit genommen. Die 2V wurden am Netzteil 
eingestellt.

Was ich machen kann ist eine Strommesszange an der Spule einzuschleifen 
(Drahtoese einloeten). Zudem kann ich versuchen die Schaltflanken 
genauer zu messen. Wird aber erst morgen Nachmittag was werden.

Autor: yalu (Gast)
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Schau aber nach, ob die Strommesszange überhaupt für diesen
Frequenzbereich ausgelegt ist, sonst wird die Messung Murks :)

Autor: Hugo Miller (Gast)
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Anbei Oszimessungen parallel mit Eingangsspannung, Ausgangsspannung und 
Spannung an der Spule. Gezoomt die Einschaltphase und Ausschaltphase an 
der Spule. Strommessung kommt noch.

Autor: Hugo Miller (Gast)
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Detail an der Spule

Autor: Hugo Miller (Gast)
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Und die andere Uebergangsphase

Autor: Hugo Miller (Gast)
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Ups, gerade rechne ich nach:

Uin = 2V (mit Oszi direkt am Eingang gemessen)
Uout = 3.3V (mit Oszi direkt am Ausgang gemessen)
Iin=1A (vom Netzteil angezeigt)
Iout=0.55A (berechnet, da Lastwiderstand 6 Ohm)
 Eff = (3.3V*0.55A) / (2V*1A) = 90% 

Habe allerdings sowohl Spule als auch Ausgangskondensator getauscht.
Werde nochmal den Strom genauer messen, nicht dass hier ein weiterer 
Fehler verborgen liegt.

Autor: yalu (Gast)
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Die Schaltzeiten scheinen auf jeden Fall unterhalb von 10ns zu liegen.
Damit geht an dieser Stelle auch nicht viel verloren.
> Eff = (3.3V*0.55A) / (2V*1A) = 90% 

Wenn das stimmt, hättest du ja dein Ziel erreicht.

Herzlichen Glückwunsch! :)

Autor: Hugo Miller (Gast)
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Hab genauer gemessen:

bei 2V: 88%
bei 2.4V: 92%

Somit halbwegs nahe der Spec des Herstellers.

Danke fuer den Support !

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