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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik [Designvorschlag] Buck als Boost-Regler verwenden


Autor: Andy (Gast)
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Hi,

da mich nun das Schaltreglerfieber gepackt hat und ich am Wochenende 
schlecht bauteile kaufen kann habe ich etwas experimentiert. Außerdem 
wollte ich dem Forum wo mir schon mehrfach sehr gut geholfen wurde 
endlich mal was zurückgeben.

Problemstellung: Ich muß eine Spannung erhöhen, soweit kein Problem, 
dafür gibts ja Boost-Regler. Nur gibts da zwei Probleme:
1. Wenn man einen braucht ist keiner da das ist besonders wie jetzt in 
meinem Fall am WE etwas ärgerlich. :)
2. Die Dinger sind je nach dem was man Will um einiges Teurer als 
Buck-Regler. (Ok, vom MC34063 mal abgesehen, was der macht kann man aber 
nicht "Regelung" nennen...)

Was macht man also wenn man mal schnell nen Boost-Regler braucht aber 
keinen da hat und auch wegen einem IC nicht gleich Bestellen will?

Man nimmt einen Buck-Regler und strickt den etwas um, siehe Schaltung im 
Anhang.

Erklärung:

Der LM2674 ist eigenlich ein Buck-Regler aus der Simple-Switcher Reihe, 
gibts z.B. bei Reichelt für kleines Geld.
Der FET am Ausgang zieht die Spule regelmäßig gegen Masse. Durch den 
dadurch resultierenden Stromfluß wird die Spule magnetisch "aufgeladen". 
Sperrt der FET wieder wird die gespeicherte Energie wieder in Stromform 
frei und addiert sich zur Eingangsspannung. Über das 
Puls-Pausen-Verhältnis steuert der PWM-Controller die Spannung und 
regelt diese bei Bedarf nach, die aktuelle Spannung wird über die 
Feedback-Leitung abgegriffen.
Das PWM-IC bekommt nicht mit das es eigentlich als Step-Up misbraucht 
wird.
Die Regelung funktioniert immer noch nach dem Prinzip "mehr 
Einschaltzeit = größere Ausgangsspannung". Da sich daran nichts durch 
die Externe Schaltung geändert hat funktioniert die Regelung ganz 
normal.
Der PNP-Transistor mit der Diode und dem Widerstand fungieren als 
Gate-Treiber und sorgen dafür das der FET schnell schaltet.
Im Einschaltmoment wird das Gate über die Diode (die übrigends eine 
schnelle sein sollte, also bitte keine 1N4007!) geladen, der FEt öffnet.
Im Ausschaltmoment wird über den Widerstand die Basis des PNP 
runtergezogen, dieser Saugt die Ladung aus dem Gate wieder schnell raus, 
der FET sperrt wieder. Der Widerstand muss je nach FET und verwendetem 
Transistor eventuell angepasst werden. Wer ein Oszi hat kann damit die 
Signalform am Gate Kontrollieren. Sind die Flanken sehr verschliffen nen 
Transistor mit höherer Verstärkung nehmen und / oder nen kleineren 
Pull-Down-Widerstand.

Zwei Nachteile hat die Schaltung allerdings:
1. Es gibt kein Stromlimit mehr, der Strommesspfad ist im Gegensatz z.B. 
zum MC34063 im inneren des LM2574, dadurch kommt man an den leider nicht 
ran. Der Laststrom fließt aber nicht durch das IC sondern drum herum. 
Somit ist es Essig mit dem Stromlimit. Kommt die Spule in die Sättigung 
weil man am Ausgang zu viel Strom zieht knallts.
2. Wenn der FET eine große Gateladung hat ist die Schaltung nur bis ca. 
75KHz zu gebrauchen, geht man mit der Frequenz höher werden die Flanken 
am FET etwas arg rund und das Teil wird warm, während der Wirkungsgrad 
in den Keller geht. Abhilfe schafft hier nur ein "harter" 
Push-Pull-Gatetreiber oder ein fertiges Treiber-IC.

Wie bei allen Boost-Reglern steht die Spannung am Eingang auch am 
Ausgang an, abzüglich einer Diodenspannung. Der Ausgang ist also immer 
unter Spannung.

Wird die Eingangsspannung soweit erhöht bis die eingestellte 
Ausgangsspannung erreicht ist legt sich der Regler aufs Ohr, sprich er 
stellt das PWMen des FETs ein. Die Eingangsspannung läuft dann durch die 
Spule und die Diode einfach zum Ausgang durch.

Wenn ich endlich mein datenkabel für mein Oszi bekomme (sollte am Montag 
soweit sein) kann ich auch Screenshots erstellen. Ich denke ich werde im 
Wiki einen Artikel einstellen, muß das aber noch etwas Aufbereiten 
vorher. :-)

Falls noch jemandem was Einfällt was ich vergessen habe oder was ich 
verbessern muss, Vorschläge sind gerne gesehen.


Andy :-)

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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Hallo,
ist die Schaltung mit dem BC327 wirklich nötig? Der Ausgang des LM2574 
sollte ja auch schnell sein um wenig Verluste zu haben.

Außerdem muss man auf U_GSmax aufpassen, je nach Eingangsspannung der 
Schaltung.

An einem Oszibild wäre ich recht interessiert.

Autor: Andy (Gast)
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Hallo,

ja die Schaltung ist notwendig, da der Ausgang des LM2674 zwar "Sourcen" 
Kann aber nicht "sinken", will sagen wenn das Gate von FET erst mal 
geladen ist, muss man es ja im Anschluß wieder schnell ausräumen um den 
FET zu sperren. Dafür ist der PNP-Transistor da.
Diese Methode um mit einfachen Teilen einen FET-Treiber zu machen habe 
ich übrigends aus dem Datenblatt des MC34063 "geklaut". :-)

Ich werde sobald das Oszi-Kabel da ist, die versprochenen Screenshots 
machen. Ich probiere dann auch ma wie hoch ich mit der Schaltfrequenz 
gehen kann bis das ganze nicht mehr Effizient läuft, will sagen bis zu 
dem Punkt bei dem der FET mehr im Linearbereich ist wie im 
Schaltbetrieb.

Ich bin im Moment grade dran mir einige "Testplatinen" zu bauen. Als 
Schaltregler verwende ich bei einer mal den MC34063 den kann ich in der 
Frequenz ordentlich Hochjagen. Die LM257x sind ja mit einem festen 
internen Oszillator ausgestattet, da kann ich nicht an der Frequenz 
drehen. Ich teste natürlich dann auch neuere Schaltregler-ICs und das 
ganze in verschiedenen Schaltungsvarianten. Da ich momentan grade Urlaub 
habe habe ich genug Zeit meinen Basteltisch mit unordnung zu überhäufen. 
:-)

Übrigends: Das mit der max. Gatespannung ist richtig, die Schaltung geht 
nur bis 20V Eingang ohne Änderung danach wirds für dne FET haarig. Aber 
auch da habe ich schon was in vorbereitung... Momentan aber noch nicht 
Publikationsreif da noch auf dem Steckbrett... :-)

Andy

Autor: yalu (Gast)
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> Ok, vom MC34063 mal abgesehen, was der macht kann man aber nicht
> "Regelung" nennen...

Der MC34063 ist zwar alt und billig, aber was ist daran, verglichen mit
dem LM2574, so viel schlechter?

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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yalu schrieb:

> Der MC34063 ist zwar alt und billig, aber was ist daran, verglichen mit
> dem LM2574, so viel schlechter?

Die Regelung. Der 34063 kann keine PWM, sondern er kann nur Impulse 
auslassen. Dadurch hat man automatisch einen deutlich größeren Ripple 
als bei PWM. Und diesen bekommt man durch eine kleinere/größere Spule, 
höhere Frequenz usw. nicht weg, denn durch das Auslassen von Impulsen 
reduziert sich die Frequenz bei kleinen Lasten meist auf wenige kHz.

@Andy
Der LM2574 macht maximal 98% Duty, das könnte unter Umständen zu 
Problemen führen, da durch die kurze Abschaltphase die Spule die Energie 
nicht los wird. Hast du in der Richtung die Schaltung schon untersucht?

Autor: yalu (Gast)
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Benedikt K. schrieb:
>> Der MC34063 ist zwar alt und billig, aber was ist daran, verglichen
>> mit dem LM2574, so viel schlechter?
>
> Die Regelung. Der 34063 kann keine PWM, sondern er kann nur Impulse
> auslassen.

Sicher? Ich hätte eher gesagt, der MC34063 kann Impulse auch
auslassen, er kann sie aber auch in der Breite beeinflussen. Das
passiert immer dann, wenn während des High-Pegels des Takstsignals die
Ausgangsspannung unter die Sollspannung fällt.

> Und diesen bekommt man durch eine kleinere/größere Spule, höhere
> Frequenz usw. nicht weg, denn durch das Auslassen von Impulsen
> reduziert sich die Frequenz bei kleinen Lasten meist auf wenige kHz.

Dadurch wird die Ripplefrequenz zwar kleiner, die Ripple-Amplitude
bleibt aber gleich. Ok, bei einem "richtigen" PWM-Regler wird bei
kleinen Lasten der Ripple ebenfalls kleiner. Aber was nützt einem das?
Bei variabler Last ist doch meist ohnehin nur der Worst-Case-Ripple
(also der bei Maximallast) von Interesse. Die Spule wird dabei so
dimensioniert, dass bei eben dieser Maximallast keine Impulse
ausgelassen werden.

Autor: Andy (Gast)
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Hi,

ob das Probleme gibt wenn der LM257x mit dem Tastverhältnis an den 
Anschlag fährt weiß ich noch nicht, das werden weitere Versuche zeigen.

Falls interesse besteht kann ich den MC34063 mal als Testschaltung in 
mehreren Topologien aufbauen und da drann mit dem Oszi messen.
Was ich genau messen soll, erstellt doch einfach mal ne Liste. Dann kann 
man den MC und den LM mal genau vergleichen. Schaltplan und Layout werde 
ich Morgen Abend hier Posten. Der MC macht übrigends keine "richtige" 
PWM bei dem ist der Duty-Cycle immer fest, er lässt nur Impulse weg 
solange die Ausgangsspannung hoch genug ist. Durch diese "On/Off" 
Regelung wird der Ripple recht groß, das ist auch der Grund warum einige 
dieser Wandler über die Spule ein Nervtötendes Pfeifen Absondern...

Andy :-)

Autor: Andy (Gast)
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Hi,

bevor ich den PC ausmache, ich habe noch ein "Denkproblem" vielleicht 
hat jemand eine Lösung dafür:

Ich habe einen PushPull-Treiber "diskret" aufgebaut, wie gehabt NPN/PNP 
Stufe und Fertig. Schaltbild siehe Angehängtes Gif.

Die Versorgung der Treiberstufe ist auf 15 Volt beschränkt damit man die 
max. Gatespannung nicht überschreitet.
Jetzt werden an den Basen der Transistoren aber 30V angelegt die von 
einem PWM-Chip kommen. Wass Passiert? geht das ganze in Rauch auf da die 
Steuerspannung höher ist wie die Speisespannung des Push-Pull-Treibers? 
Ich bin wie man unschwer erkennen kann daran einen möglichst einfachen 
Weg zu suchen um bei Spannungen über 20V die Spannung am Gate des FET zu 
begrenzen und trotzdem den FET schnell zu schalten.
Wenn ich diese Schaltung soweit habe kann man diese eventuell auch noch 
etwas vereinfachen.

Andy ;-)

Autor: Dennis (Gast)
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Der Strom fließt durch die Basis-Emitter-Diode in den MosFET und die 
hohe Spannung zerstört diesen. Manchmal zumindest.

Autor: Mike J. (Gast)
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T2 ist in der Zeichnung ein P-Kanal MosFET, müsste ein N-Kanal sein.

Autor: Michael O. (mischu)
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Du bekommst sicher noch ein Problem mit dem Feedbackeingang.
Normalerweise ist die Betriebsspannung des Chips größer als das was 
hinten erzeugt wird.
Wenn der als Boostconverter läuft ist die Ausgangsspannung größer als 
die Betriebsspannung und Feedback wird (ohne Spannungsteiler) vermultich 
einen fetten Kurzschluss (bis der Eingangs-ESD Schutz kaputt ist) zur 
Betriebsspannung machen.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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yalu schrieb:
> Sicher? Ich hätte eher gesagt, der MC34063 kann Impulse /auch/
> auslassen, er kann sie aber auch in der Breite beeinflussen.

Ja, ganz sicher, bzw. er kanns schon aber nur in Ausnahmefällen.
Das ist allerdings etwas versteckt beschrieben, ich habe auch eine Weile 
gebraucht bis ich das verstanden hatte.

http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/AN920-D.PDF
Auf Seite 2 ist das beschrieben. Man sieht es auch an dem 
Blockschaltbild, dass eine Periode durch das RS Flipflop fest vorgegeben 
ist, und nur durch einen eventuellen Überstrom vorzeitig beendet werden 
kann. Der MC34063 verwendet also keine PWM, sondern ein PFM.

Das Problem beim 34063 ist, dass er scheinbar eine kleine Hysterese in 
seinem Komparator hat, also quasi wie eine Zweipunktegelung arbeitet. 
Daher schwankt die Spannung immer zwischen den beiden Werten hin und 
her, während bei einer PWM die Leistung stufenlos geregelt werden kann.
Das sieht man schön in der AppNote in Figure 5. Typical Operating 
Waveforms.

Autor: Wolfgang D. (Gast)
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Hallo
Es geht meiner Meinung nach auch ohne externen MosFet, wenn man mit dem 
Umdrehen der Spannung leben kann. Im Anhang das Bild aus dem Datenblatt 
für den LM2576 als Buck-Boost-Wandler mit Spannungsinvertierung. Ob es 
mit dem LM2574 auch geht? Sehr wahrscheinlichm aber ich bin zu faul um 
nachzuschauen. Außerdem ist der LM2576 bei R***t noch billiger als der 
LM2574.
Gruß,
Wolfgang

Autor: yalu (Gast)
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Benedikt K. schrieb:

> ... ich habe auch eine Weile gebraucht bis ich das verstanden hatte.

Ich auch, denn das Teil ist schon etwas unorthodox aufgebaut :)

> Man sieht es auch an dem Blockschaltbild, dass eine Periode durch das
> RS Flipflop fest vorgegeben ist, und nur durch einen eventuellen
> Überstrom vorzeitig beendet

... oder durch eine leichte Überspannung am Ausgang (Eingang B vom
Und-Gatter) verzögert gestartet ...

> werden kann.

In Bild 5 ist dieser Fall (zumindest ansatzweise) dargestellt. Im Signal
"Output Switch" haben die ersten drei Impulse normale Breite, der vierte
Impuls wurde wegen zu großer Überspannung komplett ausgelassen, beim
fünften und sechsten wurde die steigende Flanke verzögert, da die
Ausgangsspannung zu Beginn der Periode zwar noch etwas zu groß war, den
Sollwert aber noch vor dem Periodenende erreicht hat. Wird der Regler in
der Nähe der Maximallast betrieben, für die er nach den im Datenblatt
angegebenen Formeln dimensioniert wurde, hat man ständig diesen Fall,
zumindest theoretisch.

In der Realität sieht es meist etwas anders aus: Verwendet man einen
großen Ausgangselko, ist die Anstiegs und Abfallgeschwindigkeit der
Ausgangsspannung so gering, dass der Umschaltzeitpunkt des Komparators
nicht mehr sauber definiert ist und einen starken Jitter hat, der unter
ungünstigen Bedingungen eine oder mehrere Taktperioden betragen kann.
Das ergibt dann diese unregelmässigen Schaltsignale mit den damit
verbundenen seltsamen Geräuschen.

Dieses Verhalten wirkt sich aber nicht negativ auf den Ripple aus, da es
ja erst dadurch entsteht, dass der Ripple zu gering ist. Wenn es
trotzdem stört, wählt man am besten den Ausgangselko nicht zu groß,
hängt das in den Beispielschaltungen im Datenblatt gezeigte optionale
LC-Filter an und greift die Feedbackspannung vor dem LC-Filter ab.
Dann kann der Regler ein relativ sauberes PWM-Signal erzeugen, und der
Ausgangsripple bleibt auf Grund des zusätzlichen LC-Filters trotzdem
gering.

Der Bauteilaufwand ist dadurch natürlich so groß, dass man sich schon
überlegt, einen moderneren Reglerbaustein zu nehmen, der zwar etwas mehr
kostet, dafür aber mit einer Spule und zwei Kondensatoren auskommt.

Wolfgang D. schrieb:

> Im Anhang das Bild aus dem Datenblatt für den LM2576 als
> Buck-Boost-Wandler mit Spannungsinvertierung. Ob es mit dem LM2574
> auch geht?

Ja, auch beim LM2576 ist so ein Beispiel angeführt. Ich wollte das schon
früher posten, habe es aber gelassen, da lt. Datenblatt für -12V Aus-
gangsspannung und gerade einmal 100mA Ausgangsstrom eine Eingangsspan-
nung von 8V erforderlich ist. Für kleinere Eingangsspannungspannungen,
wo die Sache vielleicht interessant würde, werden die Ausgangsströme
homöopathisch. Zusammen mit dem Nachteil des fehlenden Massbezugs kann
man das Bauteil für diesen Zweck ziemlich vergessen.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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yalu schrieb:

> ... oder durch eine leichte Überspannung am Ausgang (Eingang B vom
> Und-Gatter) verzögert gestartet ...
>

Stimmt. Das Ding ist wirklich merkwürdig...

> Der Bauteilaufwand ist dadurch natürlich so groß, dass man sich schon
> überlegt, einen moderneren Reglerbaustein zu nehmen, der zwar etwas mehr
> kostet, dafür aber mit einer Spule und zwei Kondensatoren auskommt.

Ja, für Stepdowns ist der LM2574/5/6 daher meine erste Wahl: Die 
Spannung ist genauer als bei den 78xx Linearregler und bei der 
Dimensionierung kann man kaum was falsch machen, die Dinger 
funktionieren eigentlich immer solange man den Elko am Eingang nicht 
vergisst.
Bei Stepups wirds schwieriger, da ist der MC34063 nahezu der einzige der 
leicht und günstig erhältlich ist.

Autor: A. K. (prx)
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Der LM2577 ist zwar nicht so billig, aber durchaus verfügbar.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Ja, aber 4,3€ <-> 0,27€ ist halt doch schon ein deutlicher Grund der für 
den 34063 spricht, bzw. eben auch zu solchen Basteleien wie in diesem 
Thread verleitet.
Das meinte ich eigentlich damit, ebenso bei Stepdown Regler. Es gibt 
viele sehr gute ICs, nur kosten die meisten ein paar €. Im Vergleich 
dazu ist der 34063 gnadenlos günstig, weshalb dieser, trotz seiner nicht 
gerade perfekten Eigenschaften, so weit verbreitet ist.

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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Andy schrieb:

> Ich habe einen PushPull-Treiber "diskret" aufgebaut, wie gehabt NPN/PNP
> Stufe und Fertig. Schaltbild siehe Angehängtes Gif.
>
> Die Versorgung der Treiberstufe ist auf 15 Volt beschränkt damit man die
> max. Gatespannung nicht überschreitet.
> Jetzt werden an den Basen der Transistoren aber 30V angelegt die von
> einem PWM-Chip kommen. Wass Passiert? geht das ganze in Rauch auf da die
> Steuerspannung höher ist wie die Speisespannung des Push-Pull-Treibers?

Ja, so ungefähr. Die erhöhte Steuerspannung wird von der 
Basis-Kollektor-Diode des NPN-Transistors gegen die niedrigere 
Betriebsspannung des Treibers kurzgeschlossen. Ohne Strombegrenzung wird 
irgendwas abrauchen. Ggf. wird das Steuersignal die Betriebsspannung des 
Treiber auf 30 V hochziehen. Abhilfe: Steuerspannung über Widerstand 
einspeisen und mit Spannungsteiler oder Z-Diode auf unter 15 Volt 
herunterteilen bzw. begrenzen.

Jörg

Autor: Andy (Gast)
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Hi,

sorry das ich mich erst jetzt melde, aber auch wenn man Urlaub hat ist 
es manchmal stressig. Der blöde Postbote hat mich angeblich am Montag 
daheim nicht angetroffen, obwohl ich daheim war, lag abends ne 
Benachrichtigungskarte im Briefkasten. :( Der penner hat vermutlich 
keinen Bock gehabt und hat nicht mal geklingelt sondern nur die Karte 
reingeworfen. Leider habe ich das ganze dann erst am Dienstag abend bei 
der Post abholen dürfen. Mann war ich sauer auf den Scheissladen!

Ich denke das ich Heute abend anfange die restlichen Bauteile zu löten, 
eventuell kann ich dann heute schon ein wenig messen, vorausgesetzt es 
wird nicht all zu spät...

Wenn Wünsche da sind was gemessen werden soll, immer her damit.

Andy

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