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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik L4791 Step-down stirbt - wieso?


Autor: Bernhard __ (Firma: dl1bg) (bernhard_)
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Hallo zusammen,

als LED-Konstantstromquelle verwende ich die angehängte Schaltung. Sie 
funktioniert einwandfrei, aber beim Ausstecken der Spannung +5V stirbt 
der L4971 mit einem lauten Knall.

Die +5V stammt von einem anderen Board und ist auf der L4971-Seite so 
gepuffert, dass sie beim Ausschalten mit ca. 0,1 V pro 20 ms fällt.

Dass der Schaltregler mit dem Abfall der 5V den Hahn immer weiter 
aufdreht ist mir klar, aber wieso schlägt nicht die Überstromerkennung 
zu?

Der L4971 wird mit 48 V versorgt und liefert eine Ausgangsspannung von 6 
V bei 800 mA (rein ohmsche Last).

Das Phänomen tritt nur bei gößeren Strömen und nicht bei jedem Versuch 
auf, bei 1,5 € pro Stück möchte ich meine empirischen Daten aber nicht 
weiter ausbauen.


-> Wie kann ich den Regler schützen? Da ein Hot-deplug nicht 
unwahrscheinlich ist, sollte die Schutzeinrichtung reversibel sein.

Danke im Voraus,
Bernhard

Autor: T. H. (pumpkin) Benutzerseite
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Bernhard __ schrieb:
> Dass der Schaltregler mit dem Abfall der 5V den Hahn immer weiter
> aufdreht ist mir klar, aber wieso schlägt nicht die Überstromerkennung
> zu?

Welche meinst du? Wenn die +5V weg sind sind die OPV's eben auch 
spannungslos. Ergo reißt der Buck voll auf.

> -> Wie kann ich den Regler schützen? Da ein Hot-deplug nicht
> unwahrscheinlich ist, sollte die Schutzeinrichtung reversibel sein.

Möglich: Deine Feedbackschaltung über eine Diode einkoppeln. 
Temperaturabhängigkeit der Diode beachten.

Besser: Dedizierten LED-Buck/Boost nehmen.

Autor: Bernhard __ (Firma: dl1bg) (bernhard_)
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>>Welche meinst du?
Die Überstromerkennung des L4971, siehe Datenblatt im Anhang

>>Wenn die +5V weg sind sind die OPV's eben auch spannungslos. Ergo reißt >>der 
Buck voll auf.
>>>> Dass der Schaltregler mit dem Abfall der 5V den Hahn immer weiter
>>>> aufdreht ist mir klar,
Schön, dass wir uns einig sind.

>> Möglich: Deine Feedbackschaltung über eine Diode einkoppeln.
>> Temperaturabhängigkeit der Diode beachten.
Kannst du das etwas genauer beschreiben, einen Pin des shunts über eine 
Diode zum Feedbackeingang des L4971?

Autor: pumpkin (Gast)
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Bernhard __ schrieb:
> Die Überstromerkennung des L4971, siehe Datenblatt im Anhang

Also die 3A maximal? Mit deinen 48V am Eingang reicht das allemal die 
Schaltung zu grillen.

> Schön, dass wir uns einig sind.

Und das ist deiner Meinung nach durch die interne Begrenzung ausreichend 
abgefangen?

> Kannst du das etwas genauer beschreiben, einen Pin des shunts über eine
> Diode zum Feedbackeingang des L4971?

Nachdem ich meinen Betrag abgeschickt habe habe ich erst gesehen, dass 
gar kein "Default-Feedback" Netzwerk angebaut ist. Meine Idee war:



--+  Vout
  |   |
  |   R
FB|---+--|<--OPA
  |   R
--+   |
     ---

Ist der OPA aus so kann der Regler die Spannung nicht beliebig 
aufreißen. So stellst du die maximale Spannung am Ausgang ein, der OPV 
kann lediglich gegenkoppeln. Die Dimensionierung ist aber (wegen der 
Diode) etwas kitzelig.

Autor: Bernhard __ (Firma: dl1bg) (bernhard_)
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>> Also die 3A maximal? Mit deinen 48V am Eingang reicht das allemal die
>> Schaltung zu grillen.
Wie gesagt grillt sich aber der L4971 selbst und nicht die Schaltung. 
Durch die Pufferung der 5V hat er sogar etliche 100 ms Zeit, bis die 
Feedback-Spannung zu null wird.
Leider habe ich den Vorgang nie mit dem Oszi beobachten können, da ich 
zu dem Zeitpunkt immer etwas anderes gemessen habe.

Bisher hatte ich immer vor, die Schaltung "eigensicher" zu machen, bevor 
ich an den Schtz der LEDs denke. Aber vielleicht sollte ich doch dir 
folgen und in Rücksicht auf die späteren LEDs eine extra 
Überstromschutzschaltung vorsehen.

Vorschlag:       +5V
                  |
--+  Vout     -----
  |   |       - - -
  |   R1      | | |
FB|---+-------   ---- OPA
  |   R2
--+   |
     ---

R1: 27 k
R2: 47 k
Faktor 10 über den Empfehlungen, um Verlustleistung zu sparen. Angaben 
zum Feedback-Strom sehe ich nicht, also gehe ich mal von der 10-fachen 
Load-Reguation-Tolernz aus. -> Ok
Und als Ersatz für die Diode schlage ich einen BSS138 N-Fet vor, der als 
elektronische Diode fungiert. Dieser begrenzt zwar die FB-Spannung auf 
+5V - Ugsth ~ 3,5 V, aber ein gescheiter Regler schwingt ja schließlich 
auch nie über...

Was hältst du davon?
Fällt dir noch ein Grund für das schnelle Ableben des L4971 ein?

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Erzeug doch die 5V aus den 48V. Viel Strom brauchst du ja nicht.

Andereseits, sei gewarnt. Mit dem Feedback-Pin sollte man nicht so 
umspringen. An diesem Pin könnte intern eine Schaltung hängen, die für 
den SOAR-Schutz benötigt wird. Denke daran, daß der Hersteller davon 
ausgeht, daß du diesen Pin so anschließt, wie von ihm im Datenblatt 
empfohlen.

Kai Klaas

Autor: Bernhard __ (Firma: dl1bg) (bernhard_)
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@  Kai
Die gesamte Schaltung (das angehängte zwei mal, dazu etwas Kleinzeugs) 
benötigt rund 10 mA, für eine lineargeregelte Heizung definitiv zu viel 
und einen extra Schaltregler möchte ich nicht spendieren.

>> Mit dem Feedback-Pin sollte man nicht so umspringen.
Was meinst du mit "so"? Die ursprüngliche Schaltung oder die neue?

Im eingeschwungenen Zustand wird doch in beiden Fällen 3,3 V am FB-Pin 
anliegen. Was soll der Hersteller daraus mehr lesen als dass er 
irgendwie eingeregelt ist, schließlich sind Spannungsteiler explizit 
erlaubt?

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Die gesamte Schaltung (das angehängte zwei mal, dazu etwas Kleinzeugs)
>benötigt rund 10 mA, für eine lineargeregelte Heizung definitiv zu viel
>und einen extra Schaltregler möchte ich nicht spendieren.

Dann mußt du eben damit leben...

>Was meinst du mit "so"? Die ursprüngliche Schaltung oder die neue?

Ich meine generell jede Abweichung von dem, was der Hersteller dort 
empfiehlt und worauf sich die gesamte Chip-Entwicklung bezieht.

>Im eingeschwungenen Zustand wird doch in beiden Fällen 3,3 V am FB-Pin
>anliegen.

Der eingeschwungene Zustand ist ja offenbar auch nicht das Problem.

>Was soll der Hersteller daraus mehr lesen als dass er irgendwie
>eingeregelt ist, schließlich sind Spannungsteiler explizit erlaubt?

Vor allem mal ist da ein großer Elko, der nur langsame Veränderungen des 
Pegels dort zuläßt. Und wenn der Pin schlagartig auf 0V herunter gezogen 
wird, dann fließt dort aus dem Ausgang des Switchers ein 
Kurzschlußstrom, bei dir aber eben nicht.

Mit der von der Herstellerempfehlung abweichenden Beschaltung gibst du 
diesem Pin eine völlig andere Charakteristik, auf die der Chip, wie du 
ja selbst berichtest, höchst eigenwillig reagiert, nämlich mit der 
Zerstörung desselben.

Das sollte doch eigentlich nicht passieren oder?? Ich könnte mir 
vorstellen, daß du da irgendwie den SOAR-Schutz aushebelst.

Kai Klaas

Autor: frickelheini (Gast)
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Hi Bernhard __

ich kenne das Problem von anderen Reglern. Da habe ich nach einigem 
Lehrgeld dann einfach das "Enable" Signal mit den 5V für die 
Analogschaltung gekoppelt. Das hat bei mir geholfen. 5V weg -> regler 
aus. Sowas könnte man bei dem Regler mit dem INH-Signal schaffen können.

PS
Die L597x Serie von ST ist noch eine Spur besser ;-) da kann man zur not 
die außen anstehende Referenzspannung und einige Widerstände dazu 
bringen, das ganze als KSQ zu verwenden. Da gibt es ein paar App-Notes 
zu.

Autor: T. H. (pumpkin) Benutzerseite
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Bernhard __ schrieb:
> Was hältst du davon?

Halte ich im ersten Moment nix von. Kannst du garantiert voraussehen wie 
sich der OPA verhält wenn seine Betriebsspannung eine Rampe macht? Also 
wie sich die +5V gegen den OPA-Ausgang verhalten? Wenn es blöd läuft 
steuert der FET bis kurz vor Schluss durch - dann hat man nix gekonnt. 
Ich lasse mich aber gerne überzeugen.  ;^)

Kai hat Recht, so eine Erweiterung am Feedback-Eingang eines 
Schaltreglers sind immer mit Vorsicht zu genießen. Aber meiner Meinung 
nach sollte es da eine Lösung geben.

> Bisher hatte ich immer vor, die Schaltung "eigensicher" zu machen, bevor
> ich an den Schtz der LEDs denke. Aber vielleicht sollte ich doch dir
> folgen und in Rücksicht auf die späteren LEDs eine extra
> Überstromschutzschaltung vorsehen.

Wenn die Schaltung richtig dimensioniert ist kann doch nicht mehr Strom 
fließen als zulässig - nach meiner Vorstellung zumindest. Als 
Default-Spannung einfach die Maximalspannung der LED's vorgeben. Wenn 
die 5V weg sind wirds halt heller.  :^O

Wieso nimmst du eigentlich nicht einen echten LED Treiber?

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Dir ist schon klar, dass deine Operatiosverstärker weit ausserhalb des 
Common Voltage Range betrieben werden? Du darfst an C23, C1, C2 nie mehr 
als knapp 5,2 Volt haben (das wäre gerade noch so im Gleichtaktbereich 
5V).

Diese Strommessung auf der Ausgangsschiene ist (mit Verlaub) Blödsinn. 
Warum misst du nicht den Strom von X1-1 gegen GNDIO?

Autor: frickelheini (Gast)
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oder du nimmst einen richtigen High Side Current Monitor... Analog 
devices und TI haben solche dinger... die sind auch nicht viel teurer 
als dein OPAMP und benötigen nicht so viel Außenbeschaltung

Autor: Bernhard __ (Firma: dl1bg) (bernhard_)
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Also zuerst mal vielen Dank euch allen!

Anscheinend ist der von Lothar Miller gefundene Fehler die Ursache für 
das Fehlerbild. Zumindest bekam ich den L4971 nicht mehr kaputt, als ich 
den Arbeitspunkt bei gleichem Strom auf 4,5 V verschoben habe.

Deshalb habe ich die Idee mit der Vref-Manipulation mal fallen gelassen 
und bin zu der Variante von frickelheini übergegangen.

Warum habe ich keinen speziellen IC für die Konstantstromquelle 
eingesetzt?
So ganz simpel wird die Schaltung zumindest mit den von mir gefundenen 
ICs auch nicht, sobald ich max. 52 V, Dimmfunktion, Disable, 1,2 A 
verlange.
Und den L4971 hatte ich in der Schublade.
Und nachdem die grundlegende Implementierung feststeht möchte ich 
schlichtweg aus eigenem Ehrgeiz diese fertigstellen. Sie ist vollkommen 
unsinnig und läuft in ähnlicher Form schon, also mache ich lieber das 
nächste Projekt anders und lerne bis dahin aus diesem.

Meinen neuen Vorschlag habe ich zum Review angehängt, in den eure 
Hinweise eingeflossen sind. Weitere Fehler?

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Anscheinend ist der von Lothar Miller gefundene Fehler die Ursache für
>das Fehlerbild. Zumindest bekam ich den L4971 nicht mehr kaputt, als ich
>den Arbeitspunkt bei gleichem Strom auf 4,5 V verschoben habe.

Also bei allem Respekt, aber was du machst hat mit Entwicklung nichts 
mehr zu tun. Das ist reines Herumgerate und Gepfusche.

Du hast geschrieben, daß der Switcher abgeraucht ist, als du die 5V 
abgezogen hast. Wie soll der veränderte Arbeitspunkt der neuen Schaltung 
daran etwas ändern??? Wenn du die 5V abziehst, hast du beides mal am 
Feedback Pin 0V. Damit ändert sich überhaupt nichts. Und nur daraus zu 
folgern, daß jetzt alles ok ist, weil der Switcher nicht spontan 
abgeraucht ist, ist wirklich lächerlich.

Weißt du eigentlich, daß solche Fehlfunktionen Brände auslösen können? 
Du solltest dir vielleicht besser ein anderes Hobby suchen...

Kai Klaas

Autor: Bernhard __ (Firma: dl1bg) (bernhard_)
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Hallo lieber respektvoller Kai,

streichen wir mal alles aus deinem Posting weg was mit Entwicklung 
nichts zu tun hat, dann bleibt übrig:
>> Wenn du die 5V abziehst, hast du beides mal am Feedback Pin 0V. Damit
>> ändert sich überhaupt nichts
Wenn ich die 5V abziehe fällt die Versorgungsspannung langsam ab und die 
Vref des L4971 fällt irgendwann ungewollt, worauf dieser aufdreht.
Alte Schaltung: Vref fällt sprungartig auf 0 V (gemessen), aber nicht 
jedes mal. Ein Verhalten, das der L4971 im Normalfall nie sehen wird.
Neue Schaltung: Vref fällt proportional zur Versorungsspannung

Und wie würdest du das Problem lösen?

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Wenn ich die 5V abziehe fällt die Versorgungsspannung langsam ab und die
>Vref des L4971 fällt irgendwann ungewollt, worauf dieser aufdreht.

Ja, aber die Abschaltzeit des OPA2340 ist doch durch nichts definiert. 
Letztlich betreibst du den OPamp da in einem nicht spezifizierten 
Bereich. Will sagen, machst du da einen anderen OPA2340 rein, fällt die 
Spannung wieder schnell ab.

Außerdem weißt du doch garnicht, ob die Geschwindigkleit des Abfalls der 
Spannung am Feedback Pin letztlich für das Abrauchen des Switchers 
verantwortlich ist. Das kann auch reiner Zufall sein, irgend etwas 
anderes, was mit der gezeigten Schaltung garnichts zu tun.

Eines ist auf jeden Fall klar. Dadurch, daß der Feedback Pin nicht mehr 
mit der Ausgangsspannung und dem zugehörigen Siebelko verbunden ist, 
gibst du dem Feedback Pin eine völlig neue Charakteristik und du weißt 
nicht, wie der Chip letztlich daraugf reagiert. Wenn du eine 
Spice-Simulation mit einem Macromodell des Switchers machen würdest, 
dann würde ich ja nichts sagen. Aber was du hier machst, ist einfach nur 
Herumraten. Getreu dem Motto: Raucht er (gleich!) ab, habe ich was 
flasch gemacht, bleibt heil ist alles gut. So kannst du einfach nicht 
arbeiten.

Kai Klaas

Autor: Bernhard __ (Firma: dl1bg) (bernhard_)
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>>Ja, aber die Abschaltzeit des OPA2340 ist doch durch nichts definiert.
>>Letztlich betreibst du den OPamp da in einem nicht spezifizierten
>>Bereich
Hast du mein Schaltbild nicht gelesen oder verstehe ich dich nur nicht?
Was ist daran nicht zulässig, eine Spannung von max. 0,3 V mit einem 
Faktor 22 zu verstärken und dabei den OPV z.B. mit nur 3 V zu betreiben?

>>Außerdem weißt du doch garnicht, ob die Geschwindigkleit des Abfalls der
>>Spannung am Feedback Pin letztlich für das Abrauchen des Switchers
>>verantwortlich ist.
Korrekt.
>>Aber was du hier machst, ist einfach nur Herumraten.
Nicht korrekt.

Autor: mhh (Gast)
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Bernhard __ schrieb:
> Was ist daran nicht zulässig, eine Spannung von max. 0,3 V mit einem
> Faktor 22 zu verstärken und dabei den OPV z.B. mit nur 3 V zu betreiben?

Die zu erwartende Ausgangsspannung widerspricht der Betriebsspannung. 
Der Ausgang hängt einfach in der Begrenzung.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Und wie würdest du das Problem lösen?

1. Der Tip von Frickelheini ging schon in die richtige Richtung. Ein 
Enable-Eingang ist für solche Zwecke gold richtig, wie auch immer du das 
letztlich schaltungstechnisch umsetzt. Ein Feedback-Eingang dagegen ist 
ausschließlich für die Rückkopplung der Ausgangsspannung gedacht, es sei 
denn, der Hersteller erlaubt ausdrücklich etwas anderes.

2. Es dürfte ja wohl überhaupt kein Problem sein, die 5V Versorgung für 
die direkte Schaltungsumgebung des Switchers (OPA2340, etc.) aus der 48V 
Versorgung abzuleiten. Ob das aber wirklich dein Problem löst, ist eine 
ganz andere Frage.

3. Mach eine Spice-Simulation mit einem Macro-Modell des L4971. Wenn der 
Hersteller dir keines geben kann, vergiß die ganze Schaltungsidee.

Kai Klaas

Autor: Kai Klaas (Gast)
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4. Nimm einen LT3756. Oder notfalls einen LT3518 mit vorgeschaltetem 
Step-Down-Wandler:

http://cds.linear.com/docs/Datasheet/375612fa.pdf

http://cds.linear.com/docs/Datasheet/3518fc.pdf

Kai Klaas

Autor: Ekkehard (Gast)
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Ich weiss, dass der Eintrag schon Jahre alt ist, aber den Chip gibt's 
noch, und grillen kann man ihn auf diese Art auch noch immer...

Wenn Du den Ausgang unter Strom aufreisst, dann ist di/dt betragsmaessig 
saumaessig gross.  Der Strom i fliesst aber durch L1.  Die Spannung an 
L1 ist L * di/dt.  Die rechte Seite der Spule liegt an einem grossen C 
und ist damit spannungsmaessig zumindest kurzzeitig verankert.  Die 
linke Seite von L1 - Pins 5 und 6 vom 4971 - werden also einer 
betragsmaeesig saumaessig grossen Spannung ausgesetzt.  Die Energie in 
der Spule (1/2 L i^2) reicht (je nach augenblicklichem Strom durch L1) 
in vielen Faellen aus, den Chip zu grillen.  Ob die Diode D6 rechtzeitig 
schaltet haengt von Deinem Glueck (oder Pech) ab.  Verlassen wuerde ich 
mich darauf nicht.  Wenn ein L im Spiel ist, unterlaesst man das "hot 
unplugging" tunlichst.

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