Boost Konverter (LM5122) Funktionseinbruch bei halber geplanter Ausgangsleistung

[Marian K. (krocky)]

Hallo zusammen,

meine Zielsetzung ist es einen Boost-Konverter mit einer 
Ausgangsspannung von 26V zu erstellen bei einer Ausgangsleistung von 
über 120W (5A). Eingangsspannung zwischen 12V-14,5V.

Schaltplan und Layout habe ich angehängt.

Bis einer Ausgangsleistung von 78W (3A) arbeitet der Schaltregler wie 
gewünscht. Bei einer Ausgangsleistung von über 3A jedoch bricht der 
Schaltregler ein und schafft es nicht mehr die Ausgangsspannung von 26V 
bereitzustellen (am Ausgang liegen 12V vom Eingang an).
Daraufhin habe ich die Spannungen am IC sowohl am Demoboard als auch bei 
meiner Selfmade gemessen (siehe Anhang).

Ich habe die gleichen Mosfets wie auch auf dem Demobaord eingesetzt. 
Auch die Ansteuersignale der Mosfets (Bild ) unterscheiden sich von 
meiner Lösung zum Demoboard kaum (solange er funktioniert ;).

Ich kann mir nicht erklären, warum bei über 3A Ausgangslast einfach 
Schluss ist. Ich würde mich freuen, wenn Ihr mir helfen könnt wo ich 
nach dem Fehler suchen sollte oder welche Tests ich noch durchführen 
kann.

Vielen Dank.

[Anon Y. (avion23)]

Du könntest als ersten Test einen Elko über VIN-GND hängen.

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

Marian K. schrieb:
> Ich kann mir nicht erklären, warum bei über 3A Ausgangslast einfach
> Schluss ist.
Probier mal, einen zweiten Strommesswiderstand parallel zum 4m zu 
schalten.

Insgesamt ist der Strommesspfad dieser Dinger sehr kritisch gegen 
Einkopplungen. Dass du deine Ansteuerung da direkt unter die zappelnde 
Masse gesetzt hast, macht das Ganze nicht besser. Nicht ganz umsonst 
sieht das Layout des EVAL-Boards und die Layoutempfehlung 
dementsprechend aus...

BTW: warum diese Thermals im Leistungspfad? Diese Bauteile gehören 
flächig ins Kupfer!

[Olaf (Gast)]

Eingangskondensator?

Olaf

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

Olaf schrieb:
> Eingangskondensator?
Die scheinen mir auch ein wenig spartanisch bemessen (ich hatte da nur 
das Webbensch-Design im Auge). Wenn man dann zusätzlich noch bedenkt, 
dass diese Kerkos mit steigender Spannung sehr schnell an Kapazität 
verlieren (bei Maximalspannung oft nur 30% der Nennkapazität), dann 
sieht es da recht duster aus. Was das Problem der zappelnden Masse nicht 
wesentlich besser macht...

In der Praxis kann man über den Daumen peilen:
der Eingangskondensator ist im Volumen so groß wie der 
Ausgangskondensator (da muss ja annähernd die selbe Energie gespeichert 
werden). Und die Induktivität ist auch annähernd so groß.

[Boris O. (bohnsorg)]

Ist zu ergründen, warum der Schaltregler abstellt. Seltsam auch, dass 
der N-Kanal der aktiven Diode durchschaltet und die Eingangsspannung am 
Ausgang anliegt.

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

Boris O. schrieb:
> Seltsam auch, dass der N-Kanal der aktiven Diode durchschaltet
Naja, die Bodydiode des M2 leitet ja sowieso immer, auch wenn der 
Transistor überhaupt nicht angesteuert wird. Das sieht man sehr schön im 
Schaltplan...

Ich wollte das Layout vom Evalboard vorhin noch anhängen, habs dann aber 
verpeilt. Man sieht sehr schön den dicht geführten Pfad für den 
Sense-Widerstand.

[jdfj (Gast)]

Der SoftStart-Kondensator ist mit 100p auch viel zu klein dimensioniert.

[Nase (Gast)]

Vermutlich knattert bei den Strömen und den mickrigen 
Eingangs-Kondensatoren einfach schon dein Labornetzteil so schlimmt, 
dass der Regler aus dem Tritt kommt und meinethalben im Softstart hängen 
bleibt.

[Marian K. (krocky)]

Zu den Eingangskondensatoren: ich habe 3x 3,3µF verwendet, auf dem 
Demobaord sind es 4

Den Softstart habe ich bereits auf 100nF erhöht.

Als Eingangsquelle habe ich auch schon eine KFZ-Batterie verwendet.

Ich werde am Montag ein weiterer Shunt erhalten versuchen den 
Strombegrezungswert damit hoch zu setzen, wobei rein rechnerisch bei 3A 
dieser noch nicht ausgelöst werden sollte.

Danke schonmal,
für weitere Vorschläge bin ich sehr dankbar.

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

Marian K. schrieb:
> Zu den Eingangskondensatoren: ich habe 3x 3,3µF verwendet, auf dem
> Demobaord sind es 4
Welche Maximalspannung haben deine Kondensatoren? Die im Evalboard haben 
50V, damit bei 12V noch ein wenig Kapazität über bleibt...

In der Webbench taucht da noch ein 560uF Elko auf...

Und im Datenblatt steht da:

The value of input capacitor is also a function of source
impedance, the impedance of source power supply.
The more input capacitor will be required to prevent
a chatter condition upon power up if the impedance
of source power supply is not enough low.

> Ich werde am Montag ein weiterer Shunt erhalten versuchen den
> Strombegrezungswert damit hoch zu setzen,
Schließ den Shunt einfach mal mit einer kurzen Brücke kurz...

> wobei rein rechnerisch bei 3A dieser noch nicht ausgelöst werden sollte.
Bei einem EMV-verseuchten Layout hilft keine Rechnung. Ich habe genau 
das selbe wie du mit einem LM5088 erfahren müssen. Zum Schluss waren 
dann die berechneten Werte soweit alle ok, nur das Layout war 
suboptimal...


BTW: warum machst du für solche Ströme nicht wenigstens ein zweiphasiges 
Design?

[Marian K. (krocky)]

Danke für die Vorschläge!

Ich habe nun den Shunt mit einem kurzen Draht überbrückt.
Nun war es möglich auch höhere Ausgangsleistungen zu erreichen.
Jedoch ist ein starkes Brummen der Spule zu vernehmen.
Die Ansteuersignale der Mosfets sehen für mich weiter hin gut/regelmäßig 
aus.
Die Ausgangsspannung hat jedoch einen sehr unruhigen Verlauf.

Einen weiteren Eingangskondensator werde ich am Montag hinzufügen. Auch 
werde ich einen 3mOhm Widerstand hinzufügen und hoffen, dass die 
Strombegrenzung dan auch "definiert" funktioniert.

[Marian K. (krocky)]

So, nun habe ich einen 330µF Eingangskondensator hinzugefügt und einen 
3mOhm Shunt verwendet.
Jetzt ist es möglich bis zu 4A (100W) Ausgangsleistung zu erreichen.
Jedoch ist die Ausgangsspannung immer noch sehr unruhig (Pk-Pk 800mV).

Lothar M. schrieb:
> Insgesamt ist der Strommesspfad dieser Dinger sehr kritisch gegen
> Einkopplungen. Dass du deine Ansteuerung da direkt unter die zappelnde
> Masse gesetzt hast, macht das Ganze nicht besser.

Ist damit gemeint, dass ich die Masse auf der Bottom-Side trennen soll 
(siehe skizze)?

Lothar M. schrieb:
> Was das Problem der zappelnden Masse nicht
> wesentlich besser macht...

Gibt es eine Möglichkeit diese zu "beruhigen"?

Ich gehe davon aus, dass das ganze bei höherem Strom zum schwingen 
beginnt.
Kann ich an meinem Aufbau noch etwas ändern, was zum Erfolg helfen kann?
Oder ist der LM5122 ein besonders Schwingungsanfälliger Baustein und nur 
im Demoboardlayout empfehlenswert? Prinzipiell sollte der Aufbau mit 
einem Einphasen Step-up doch möglich sein (siehe Demoboard).

[Marian K. (krocky)]

Hallo zusammen,

leider habe ich noch nicht den Durchbruch erreicht.

Daher habe ich noch weitere Messungen (Ausgangsleistung 90 W) gestartet 
und als Vergleich mit dem Evaluation Module gegenüber gestellt.

Wie befürchtet ist das Massepotential sehr unruhig bzw. unruhiger als 
auf dem Evaluation Module.
Gemessen habe ich auf dem PGND Pin von der eingehenden Masse (ich hoffe 
das kann man so machen).
Auch wenn ich das EMV-Problem im Layout noch nicht erkannt habe, denk 
ich dass sie da ist ;)
Gibt es dennoch eine Möglichkeit die Masse zu beruhigen?
Auch die Shunt-Messung (CSN – CSP) ergab nicht solch ein harmonisches 
Bild wie auf dem Evaluation Module. Gleiches Bild auch auf dem Feedback 
und Kompensations-Pin.
Auch dies wird auf die unruhige Masse und auf die dadurch weiter 
hervorgerufenen Störungen zurückzuführen sein.

Die Steuerung der Mosfets funktioniert sehr gut (siehe BST-SW / HO-LO).

Bin über jeden Tipp froh den Ihr mir geben könnt.

[Marcel (Gast)]

Ich hatte anfangs auch Schwierigkeiten, dass der Wandler bei "hohen" 
Strömen aussteigt. Dafür habe Ich hauptsächlich die Strommess-Leitung 
und Schwingungen bei Duty-Cycle > 0,5 verantwortlich gemacht. Die 
Regelung war auch nicht optimal eingestellt, aber passt.

Letztlich bin Ich mit Rsense bis auf 3 mOhm runter gegangen und Rslope 
niedriger gemacht, irgendwas zwischen 100-120 kOhm. Habe mir dadruch 
erhofft, dass der Wandler ruhiger läuft und Probleme auf der 
Strommess-Leitung zu reduzieren. Damit kriege Ich 120W bei 24V 
Ausgangsspannung mit 95% Wirkungsgrad drüber.

Ich empfehle dir, mit Rsense und Rslope zu experiementieren bzw. zu 
optimieren und mal die Sprungantwort der Ausgangsspannung zu messen um 
zu beurteilen, ob eine instabiele Regelung zu dem hohen 
Ausgangsspannungsrippel und dem Aussteigen des Wandlers führen könnte.

Wenn du dein Layout optimieren willst, würde Ich Vin- und GND- Flächen 
überhalb deiner Strommess-Leitung wegkratzen.

Viele Erfolg,
Marcel