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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik SMPS mit speziellen dynamischen Anforderungen


Autor: Mark (Gast)
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Hallo!
Ich möchte ein Netzteil mit folgenden Anforderungen entwickeln.
Eingang ist 10V bis 25V
Ausgangs 5V/20A also 100W nichts aufregendes.

Das harte was mir Probleme macht sind aber die Dynamischen 
anforderungen:

Ripple <20mV (10 bis 16V)
Riple  <40mV (16 bis 25V)

Loadstep (20A-2A): <80mV
Loadstep (2A-20A): <80mV
Linesteps (10V-25): <80mV
ausgeregelt in 25µs

Es dürfen Sprünge zwischen min und maximaler Eingangangsspannung die
Ausgangsspannung um nicht mehr als 80mV ändern. Ebenso Sprünge zwischen
maximaler und 10% Last (in 250ns). Dabei dürfen auch nicht mehr als 70mV
Abweichungen auftreten. Innerhalb von 25µs soll ausgeregelt werden.
Bei einer 20kHz Impulslast und 20kHz Impulsen am Eingang (Phase ohne 
Beziehung) darf als keine Abweichung um mehr als 80mV auftreten. Der 
Wiekungsgrad bei Volllast muss >95% sein (bei jeder Uin).

Glav Trennung nicht erforderlich, also Buck Topologie.
Was muss ich speziell beachten?

Autor: Falk Brunner (falk)
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Sportlich, sportlich.
Und was ist die Anwendung dafür?

Autor: Stefan A. (Gast)
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Schau mal in die Application Notes für Mainboard-Schaltregler.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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>Netzteil mit folgenden Anforderungen entwickeln... Eingang ist 10V bis 25V,
Ausgangs 5V/20A

Schoen, Und wo bleibt der Netz - Teil ?

Autor: Mark (Gast)
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>Schau mal in die Application Notes für Mainboard-Schaltregler.
ja da werd ich mal rumschauen

>Schoen, Und wo bleibt der Netz - Teil ?
Eingang ist 10V bis 25V, total unstabil, ist für diese Anwendung eben 
das "Netz"

Autor: Fralla (Gast)
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>Ausgangs 5V/20A also 100W nichts aufregendes
Die Leistung sagt nichts über die komplextität aus.

Was du da haben willst sind schon eher harte Anforderungen. Da kommts 
dann schon genau darauf an wo im Schalzyklus der Lastsprung kommt. Im 
ungünstigsten Fall fällt der Laststrom wenn der Strom im L am höchsten 
ist.

Die Stromsteigung bestimmt wie schnell sich der Strom ändern kann (klar) 
je höher umso besser (zu ausregeln) aber umso mehr ripple.
- daher L klassisch wählen zb 0.4 Ia

Fällt der Laststrom so fließt der Strom in den C, dort steigt je nach 
Kapazität die Spannung, weiter fällt Spannung am ESR ab. Meist ist die 
Kapazität groß genug wenn man entsrechend kleinen ESR wählt. ESL auch 
berüchsichtigen.

ESR/ESL des AusgangsCs wird dir am meisten reinpfuschen, dh ESR<2m dies 
führt zu einem bei hoher Frequenz liegender Nullstelle.Der C wird in 
solchen Fällen so gewählt das der ESR/ESL stimmt, die Kapazität ist dann 
fast immer aureichend groß.

Zusätzich braucht muss der Regler "ideal" (im Sinne von sehr gut 
abgestimmt) sein, dh der Strom sieht aus wie bei einer 
Toleranzbandregelung. Damit bräuchten wir eine

- hohe Crossoverfrequenz des Regelkreises >60kHz
- dies bedingt eine hohe Schalfrequenz, grob 500kHz
- Der Erroramp muss auch ein entsprechendes GBW haben (zig Mhz).

Da es ein Buck ist hast du zum Glück die einfachste Topologie (vom 
Regeln her). Es gibt keine Nullstelle rechts. Mit der Aufwändigeren 
Voltage Mode Regelung gibts auch keine SHO peaking. Weiters ist kein 
aufwäniges Current Sensing notwendig. (Außer zum Begrezen, kann man über 
Rds,on machen).

Glaub mir, mit herumspielen an den Reglerparametern, was ja oft gemacht 
wird, wird das nichts. Jeder gute Netzteilbauer berechnet den Regler, 
simmuliert, und misst ihn dann. (zb mit Venable).

Die Loopverstärkung des Voltage-Mode Buck hängt linear mit der 
Eingangsspannung zusammen, also Vorsteuern.
IC Hersteller nenne des "Line feed forward" oder so.

Weiters ist zu beobachten das sich Temperatorabhängig die Nullstellen 
bewegen und unter bestimmten Umständen die Phasenreserve zu gering wird.

Synchrongleichrichtung ist selbstverständlich. Witers ist dan auch ein 
"forced continous" Mode möglich was besser Ausregelung ermöglicht (oft).

Mehrphasig kann man auch werden, ist dann auch eine Kostenfrage. Was 
mich wundert das es keine speziellen EMV anforderungen gibt.Witers muss 
der EIngang mehr definiert werden? Ein Buck zieht Pulsförmig, welcher 
Ripple darf gezogen werden? Darf man einfach eine fette Kapzität an den 
Eingang setzen? etc.

Viel Spass!

MFG

Autor: Michael O. (mischu)
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Ich denke alleine den Wirkungsgrad von 95% bei Volllast wird schon ein 
einzelner Knackpunkt sein. Bei 100W Ausgangsleistung wären das insgesamt 
5W inklusive Eigenverbrauch der Schaltung (oder etwa exklusive?)! Und 
das auch bei einem ungünstigen Verhältnis Eingangsspannung zu 
Ausgangsspannung!

Vermutlich hast Du daher auch keine Schnitte das als einphasiges System 
auszulegen. Mit 500kHz werden schon erhebliche Schaltverluste (MOSFET) 
und Ummagnetisierungsverluste (Induktivität) entstehen. Bei mehrphasiger 
Realisierung sinkt die Schaltfrequenz einzelner Zweige was für den 
Wirkungsgrad und die Regelgeschwindigkeit sehr günstig ist.

Autor: Mark (Gast)
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Danke für die Antworten

Mehrphasig scheidet aus, nicht meine Entscheidung.

Der Post von Fralla verwirrt micht etwas... klingt recht kompliziert. 
Ich versteh schon ungefähr worums geht. kleiner ESR, also Keramik?
Kann das jemand einfacher erklären? Regelungstechnik ist nicht so meine 
stärke.

>"Line feed forward
>SHO peaking
>"forced continous"

kannst das besser erklären?
Oder ist jemand anderer Meinung als Fralla? Das es auch einfacher geht? 
(ist keine Kritik)

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Eventuell einen kleinen schnellen Linearregler hinten dran?

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Da spricht der Wunschwirkungsgrad von 95% dagagen.

Autor: Fralla (Gast)
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>"Line feed forward
Rampenhöhe des Oszilators linear mit der Eingangsspannung verändern
>SHO peaking
Subharmonische Oszilation, geringer als Schalfrequenz. Die Stromrampen 2 
aufeinanderfolgenden Takte sind nicht gleich. Äußert sich in der 
Übertragungsfunktion  durch einen peak. Dieser wird mittels Slope 
Compensation bedämpft. Tritt nur im CICM auf.
>"forced continous"
Bei absinkener Last beginnt der Strom zu Lücken. Bei Syncgleichrichtern 
kann man das verhindern. Der Strom wird dan kleiner 0 also negativ. Muss 
die Last können, oder ensprechnder C am Eingang. Damit ändert sich die 
Übertragungsfunktion bei Lightload oder LL nicht, und der Regler kann 
besser abgestimmt werden.

Aber wie wärs mit Google?

>Der Post von Fralla verwirrt micht etwas...
>Oder ist jemand anderer Meinung als Fralla? Das es auch einfacher geht?
>Regelungstechnik ist nicht so meine stärke.

Dann muss ich es dirket sagen: das ganze wird kaum etwas werden,  Welche 
Infos willst du noch?
95% sind bei 10V bei den heutigen tollen Fets schon möglich bei 25V wird 
hart. Du darfst ein bestimmte Stromsteilheit nicht unterschreiten, egal 
in wieviele Phasen verteilt, sonst kann der Last einfach nicht gefolgt 
werden. Dann noch wenig ESR und einen ordenlichen Regler 
dimmensionieren, fertig.

Autor: Mark (Gast)
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Danke jetzt ist mir ein wenig mehr klar, aber ich versteh immer noch 
nicht was das jetzt konkret bedeuted.
Einen Buck Wandler mit wenig ESR?
Kann jemand das etwas besser beschreiben?

Autor: avion23 (Gast)
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Fralla schrieb:
> Bei absinkener Last beginnt der Strom zu Lücken. Bei Syncgleichrichtern
> kann man das verhindern. Der Strom wird dan kleiner 0 also negativ. Muss
> die Last können, oder ensprechnder C am Eingang. Damit ändert sich die
> Übertragungsfunktion bei Lightload oder LL nicht, und der Regler kann
> besser abgestimmt werden.

Hallo Fralla,
was meinst du damit?
Angenommen, es gibt einen Synchrongleichrichter. Dann wird der Strom 
durch die Spule negativ wenn der Strom bei einem normalen Wandler lücken 
würde. D.h. man speist zurück, die Eingangsspannung steigt an und die 
Ausgangsspannung sinkt.

Wieso muss das die Last können?
Warum ist das überhaupt erwünscht?
Und wieso der Verweis auf dein Eingangs-Kondensator?

Danke schonmal, der Rest war ziemlich interessant.

Autor: Fralla (Gast)
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Ja der Strom fließt fließt in den Eingang.
>Wieso muss das die Last können?
Sorry, nicht die Last muss das können, sonder die Quelle. Machne Quellen 
können keinen negativen Strom, Batterie oder nach Dioden. Dann braucht 
man einen C am Eingang (braucht man eigentlich sowieso, da sonst 
Pulsförmig gezogen wird, oder weil zu induktiv)
In manchen Systemen gibt es Grenzen, wie Kapazitv eine Last sein darf.

Warum ist das überhaupt erwünscht?
Conerter verhalten sich im CICM und DICM (Lückbetrieb) verschieden (von 
der Übertragungsfunktion her). Will man bestmögliche Performance des 
Regler kann dieser (bei fast allen controllern) nur auf einen 
Betriebsfall, meist CICM dimmensioniert werden. Erhält der Wandler bei 
LL, wenn er Lückt, einen Lastsprung wirken 2 Grundverschiedene 
Übertragungsverhalten. Mit dem "forced continous Mode" hat der Wandler 
immer das selbt Verhalten und man kann den Regler auf bestmögliches 
Transientenverhalten optimieren. Das dies für Wirkungsgrad nicht optimal 
ist, ist klar.

MFG

Autor: Christoph Z. (rayelec)
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@Mark: Schau Dir mal den Si8250 Power Controller von Silabs an. Damit 
solltest Du regelungstechnisch alle Register ziehen können...

Gruss
Christoph

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