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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Buck-Boost maximaler Duty Cycle?


Autor: avion23 (Gast)
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Hallo Forum,
ich habe ein Problem mit meinem invertierenden Wandler. Sobald ich den 
Duty Cycle über 50% stelle zieht die Schaltung zuviel Strom. Die 
grundsätzliche Idee ist von 
http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/ivw_smps.html .

Das ganze soll ein LED treiber werden. Die (gedachten) Daten sind:

U_in = 3.3V - 4.2V (li-ion)
U_out = 3.3V - 3.9V (cree q2, starke Streuung)
I_out = 350mA - 1A
f = 125kHz / 250kHz

gesteuert von einem attiny25, Strom wird über Spannungsabfall an 
Leiterbahn gemessen. Die Spule ist ausreichend groß (47µH) und gerät 
nicht in die Sättigung. Die Frequenz hat kaum Einfluß auf das Ergebnis, 
nur der DC führt zum Absturz.
Ich komme leider nicht mehr weiter :( Vielleicht habe ich etwas 
grundsätzliches übersehen?

Autor: avion23 (Gast)
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Layout Oberseite.

Autor: avion23 (Gast)
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Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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avion23 wrote:
> Hallo Forum,
> ich habe ein Problem mit meinem invertierenden Wandler. Sobald ich den
> Duty Cycle über 50% stelle zieht die Schaltung zuviel Strom. Die
> grundsätzliche Idee ist von
> http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/ivw_smps.html .
>
> Das ganze soll ein LED treiber werden. Die (gedachten) Daten sind:
>
> U_in = 3.3V - 4.2V (li-ion)
> U_out = 3.3V - 3.9V (cree q2, starke Streuung)
> I_out = 350mA - 1A
> f = 125kHz / 250kHz
>
> gesteuert von einem attiny25, Strom wird über Spannungsabfall an
> Leiterbahn gemessen. Die Spule ist ausreichend groß (47µH) und gerät
> nicht in die Sättigung. Die Frequenz hat kaum Einfluß auf das Ergebnis,
> nur der DC führt zum Absturz.
> Ich komme leider nicht mehr weiter :( Vielleicht habe ich etwas
> grundsätzliches übersehen?

1. Ich habe das Datenblatt des attiny25 nicht gelesen. Bis Du sicher, 
dass der an seinen Eingängen mehr als die Betriebsspannung verträgt ? 
Ansonsten kann die Strommessung so nicht funktionieren.
2. Die LED-Spannung liegt in der gleichen Größenordnung wie die 
Betriebsspannung. Von daher ist doch klar, dass ab einen Tastverhältnis 
von ca. 50% die Ausgangsspannung mindestens so groß wie die 
Eingangsspannung sein muß und infolge des Stromanstieges in der LED auch 
der Eingangsstrom steil ansteigt.

Jörg

Autor: Anon Ymous (avion23)
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Autor: Anon Ymous (avion23)
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zu 1.)
Ich bin nicht 100% sicher, dass das funktioniert. Der shunt ist auf 30mΩ 
dimensioniert, bei 1A fallen als 30mV ab. Ich hoffe, dass er das noch 
messen kann. Die Messung führe ich hier aber noch nicht aus. Es geht mir 
um die PWM an sich.

zu 2.)
Ich glaube ich habe das nicht ganz verstanden.
Bei einem DC von 50% steigt mein Strom für 50% der Zeit linear an und 
danach entlädt sich die gespeicherte Energie über die Diode.
Bei 60% DC wird nur 10% mehr Energie übertragen - unabhängig von der 
Sekundärseite. Wenn dort nichts ist steigt die Spannung halt sehr stark 
an, aber das ist dem Aufladen doch egal, oder?

Danke schonmal für deine Antwort. Hast du dir die Bilder angesehen? 
Fehlt etwas, oder sollte ich etwas anderes ausprobieren?

Im Moment ist der DC übrigens 130/255. Bei 140/255 funktioniert es schon 
nicht mehr. Eingangsleistung ist 3,8V, 0,6A. Das ist noch weit von 
meinen 1A entfernt :(

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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Anon Ymous wrote:

> zu 2.)
> Ich glaube ich habe das nicht ganz verstanden.
> Bei einem DC von 50% steigt mein Strom für 50% der Zeit linear an und
> danach entlädt sich die gespeicherte Energie über die Diode.

Das setzt aber voraus, dass die Ausgangsspannung genügend hoch ist, 
damit sich die Spule in der Sperrphase des Transistors vollständig 
entladen kann.

> Bei 60% DC wird nur 10% mehr Energie übertragen - unabhängig von der
> Sekundärseite.

Das hängt schon von der Ausgangsseite ab. Wenn sich die Spule wegen zu 
hoher Ausgangslast, bzw. zu niedriger Ausgangsspannung nicht vollständig 
entladen kann, beginnt der Stromanstieg in der nächsten Periode nicht 
bei null sondern mit einem Startwert. Da sich der Strom in der 
Sperrphase bei gegebenen Tastverhältnis und Ausgangsspannung nur um 
einen konstanten Betrag entladen kann, erhöht sich der Startwert des 
Stromes immer weiter bis entweder die Versorgungsspannung zusammenbricht 
oder die Ausgangsspannung ansteigen kann.

> Wenn dort nichts ist steigt die Spannung halt sehr stark
> an, aber das ist dem Aufladen doch egal, oder?

Wen dort nichts ist, steigt die Spannung unabhängig vom Tastverhältnis 
solange an, bis irgendein Bauteil den Geist aufgibt.

> Danke schonmal für deine Antwort. Hast du dir die Bilder angesehen?
> Fehlt etwas, oder sollte ich etwas anderes ausprobieren?

Auf dem Bild der Spulenspannung sieht es so aus als ob die 
Ausgangsspannung belastet ist. Hast Du denn nun eine Last dran oder 
nicht ? Wenn ja, welche ?

Jörg

Autor: Anon Ymous (avion23)
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Hallo Jörg,
danke für deine Mühe. An der Ausgangsseite habe ich eine led - seoul p7, 
Vf ~3,4V, verkraftet auch genug Amperge (>5A kurzzeitig). Damit teste 
ich. Die Schaltung soll später auch eine led betreiben.

>Das hängt schon von der Ausgangsseite ab. Wenn sich die Spule wegen zu
>hoher Ausgangslast, bzw. zu niedriger Ausgangsspannung nicht vollständig
>entladen kann, beginnt der Stromanstieg in der nächsten Periode nicht
>bei null sondern mit einem Startwert. Da sich der Strom in der
>Sperrphase bei gegebenen Tastverhältnis und Ausgangsspannung nur um
>einen konstanten Betrag entladen kann, erhöht sich der Startwert des
>Stromes immer weiter bis entweder die Versorgungsspannung zusammenbricht
>oder die Ausgangsspannung ansteigen kann.

Oh... das hört sich garnicht gut an. Die Spule sättigt dann und meine 
Versorgungsspannung (Strombegrenzung) bricht zusammen.
Hast du einen Tipp wie ich das umgehen könnte bzw. testen kann, ob es 
tatsächlich der Fall ist? Ein Speicheroszilloskop habe ich nicht.

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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Anon Ymous wrote:

> danke für deine Mühe. An der Ausgangsseite habe ich eine led - seoul p7,
> Vf ~3,4V, verkraftet auch genug Amperge (>5A kurzzeitig). Damit teste
> ich. Die Schaltung soll später auch eine led betreiben.

Aha ! Also doch eine Last. Dann ist es genau so, wie in meinem 1. 
Posting beschrieben. Ab ca. 50 % Tastverhältnis steigt der Strom steil 
an.

> Oh... das hört sich garnicht gut an. Die Spule sättigt dann und meine
> Versorgungsspannung (Strombegrenzung) bricht zusammen.
> Hast du einen Tipp wie ich das umgehen könnte bzw. testen kann, ob es
> tatsächlich der Fall ist? Ein Speicheroszilloskop habe ich nicht.

Dass es so ist, dürfte ziemlich klar sein. Das Problem besteht darin, 
dass Du mit Deinem Tastverhältnis die Ausgangsspannung steuerst, während 
Du eigentlich gerne den LED-Strom steuern würdest. Dementsprechend 
reagiert die LED bei Überschreitung der Flußspannung mit einem steilen 
Stromanstieg. Wie ich bereits schrieb, liegt dieser sehr schmale 
Übergangsbereich bei ca. 50% Tastverhältnis.
Umgehen kannst Du das mit einer Stromegelung, die das Tastverhältnis 
zurücknimmt, bis der Strom wieder im grünen Bereich ist.

Jörg

Autor: Anon Ymous (avion23)
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Danke an alle,
das Problem hat sich inzwischen erledigt.

Grund war der Schwingkreis aus Source-Drain, Spule, und der 
Diodenkapazität. Bei 50% Duty Cycle ist das ganze auf die zu klein 
dimensionierte Eingangskapazität zurückgeschlagen. Zusammen mit dem 
layout hat das dem attiny die Versorgungsspannug gestohlen.

Lösung ist ein größerer Tantal, der die Eingangsspannung stabilisiert.

Die Schaltung ist inzwischen überholt. Die Cree XP-G und XM-L haben eine 
derart niedrige Vorwärtsspannung, dass ein reiner buck-converter 
ausreicht.

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