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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Step Down 48V -> 5V -> 3V


Autor: Sebastian (Gast)
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Hallo,
folgendes Problem:
Ich habe eine Versorgungsspg aus einer Batterie mit 48V.
Nach meinen Berechnungen benötige ich:
1,2A @ 3,3V
0,2A @ 5V

Da ich bis jetzt nur LDOs verwendet habe, diese aber hier denkbar 
ungünstig wären wollte ich euch mal fragen wie ich am besten die 
benötigten Spg erzeuge.

Meine Idee:
48v ->Stepdown -> 5V
5V ->LDO -> 3,3V
Den LDO würde ich verwenden, da die µC schaltung danach nicht so stark 
gestört wird wie bei einem Schaltwandler.
Allerdings wären das dann 2W Verluste im LDO.

Hat jemand da einen guten Tipp für mich?

Autor: MaWin (Gast)
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> da die µC schaltung danach nicht so stark
> gestört wird wie bei einem Schaltwandler.

Na ja, viele LDO regeln so langsam, daß die
DIESE Störungen nicht bedämpfen, das tun nur
die Kondensatoren an Ein- und Ausgang, da
könnte man den LDO also auch weglassen wenn es
nur um's Filtern ginge.

ABER:

Aus 48V nun 5V, dann linear 3.3V zu machen
bringt zwar 2W mehr Verlust, aber wenn deine
Wandlung 48 auf 5 zu 80% effektiv ist, gehen
auch dort 1.4W verloren. Da sind deine 2W
doch tolerabel.

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Wie wär´s dann mit noch einem Schaltwandler? Möglichst schnelle 
Wandlerfrequenz und ein schönes Pi-Filter dahinter. Und alles wird gut.

Autor: Sebastian (Gast)
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Ich habe bis jetzt noch wenig mit Schaltwandlern zu tun gehabt, 
allerdings glaube ich zu wissen, dass eine hohe Schlatfrequenz auch 
große Störungen (Ripple,.. usw) verursacht. Deswegen wollte ich 
eigentlich einen LDO verwenden.
Was meinst du mit PI Filter? Ich kenn nur PI-Regler. =)

Autor: Frank Bär (f-baer)
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Pi-Filter:

---o---mmmm---o---
   |          |
   |          |
  ===        ===
   |          |
   |          |
  GND        GND

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Sebastian schrieb:
> dass eine hohe Schlatfrequenz auch
> große Störungen (Ripple,.. usw) verursacht.

Das kommt auf das Layout und den Regler an.

Sebastian schrieb:
> Was meinst du mit PI Filter?

Ich meine ein Filter in der Topologie eines Pi (griechischer Buchstabe), 
also ein C nach Masse, ein L in Serie und nochmal ein C nach Masse.

Ist Deine 3.3V-Schaltung digital oder analog?

Autor: Sebastian (Gast)
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Knut Ballhause schrieb:
> Ist Deine 3.3V-Schaltung digital oder analog?

Digital.

Wäre es sinnvoll einen Zwischenschritt (z.B 12V) zu gehen und von dort 
aus via step-Down auf 5V bzw. 3,3V.?
Ich kann nicht einschätzen wie groß die Induktivitäten bei diesem 
Verhältnis von Vin/ Vout werden...

Autor: Frank Bär (f-baer)
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Sebastian schrieb:
> Knut Ballhause schrieb:
>> Ist Deine 3.3V-Schaltung digital oder analog?
>
> Digital.

Dann sind deine Befürchtungen übertrieben.


> Wäre es sinnvoll einen Zwischenschritt (z.B 12V) zu gehen und von dort
> aus via step-Down auf 5V bzw. 3,3V.?

Nein, ausser wenn du auf Krampf Verluste erzeugen willst.

> Ich kann nicht einschätzen wie groß die Induktivitäten bei diesem
> Verhältnis von Vin/ Vout werden...

bei 12V-->3V3 deutlich größer als bei 5V-->3V3, weil seltener geschalten 
wird.
Der Ripple ist insbesondere bei Schaltreglern mit hoher Schaltfrequenz 
ziemlich überschaubar, maximal im Bereich von einigen 10mV.

Autor: Sebastian (Gast)
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Frank Bär schrieb:
> bei 12V-->3V3 deutlich größer als bei 5V-->3V3, weil seltener geschalten
> wird.

Dann doch von 48V auf 5V noch viel größer, oder?
Wie kann ich denn rausfinden wie groß (outline dimension) mein C und L 
da sein müsste?

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Sebastian schrieb:
> Wie kann ich denn rausfinden wie groß (outline dimension) mein C und L
> da sein müsste?

Aus dem Datenblatt des Reglers. Suche Dir bei den üblichen Verdächtigen 
einen / zwei Schaltregler mit einer Schaltfrequenz über 500kHz aus. Der 
2. Schaltregler kann deutlich kleiner als der erste sein und auch noch 
schneller schalten. Wichtig ist das Abblocken der Schaltregler direkt am 
Chip mit Elko und Keramik und eine stromkompensierte Drossel in 
Richtung der Versorgung, damit über das Versorgungskabel nichts 
abgestrahlt wird.

Autor: Sebastian (Gast)
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Knut Ballhause schrieb:
> mit einer Schaltfrequenz über 500kHz aus

Ist das ein Erfahrungswert oder wie kommst du darauf?
Schnellere Schaltfrequenzen treiben mir doch die Schaltverlust nach 
oben?

Knut Ballhause schrieb:
> und eine stromkompensierte Drossel

ist das ein L in Reihe, damit der Strom nicht schlagartig ansteigen 
kann?
Wenn ja, wie groß ist so ein L ungefähr, bzw wo finde ich das?

Knut Ballhause schrieb:
damit über das Versorgungskabel nichts abgestrahlt wird.

Die Versorgungspannung wird neben RS485 Kabel übertragen, welches 
geschirmt ist. Macht der Schirm die Drossel dann überflüssig?

Danke schonmal

Autor: Frank Bär (f-baer)
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Sebastian schrieb:
> Wie kann ich denn rausfinden wie groß (outline dimension) mein C und L
> da sein müsste?

Knotengleichungen aufstellen.
Mit dem Ausgangsstrom, den du brauchst, und dem abgeschätzten 
Tastverhältnis kannst du den Sättigungsstrom der Induktivität 
überschlagen.

Überschlägig:

D*Ue = (1-D)*Ua
also
D/(1-D) ca. 0,1 --> ergibt für 48V --> 5V ein Tastverhältnis von ca. 
0,09

In 9% der Zeit muss die Induktivität also komplett aufgeladen werden. 
Das ergibt ungefähr 10-fachen Ausgangsstrom.
Als maximalen ausgangsseitigen Ripplestrom nehmen wir 0,5*Ia, das hat 
sich bewährt.
Die Induktivität liegt dann ca. bei (Ue*(1-D)*1/f_schalt)/(0,5*Ia), bei 
200kHz wären 47µH ein guter Wert.

--> Das sind überschlägige Werte, ich gebe keine Garantie für die 
Richtigkeit! Wenn jemand einen Fehler findet, darf er sich gern dran 
aufgeilen.

Die geometrischen Abmessungen kannst du dir jetzt anhand der Werte 
raussuchen, dürfte recht groß werden.

Autor: Frank Bär (f-baer)
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Sebastian schrieb:
> Knut Ballhause schrieb:
>> mit einer Schaltfrequenz über 500kHz aus
>
> Ist das ein Erfahrungswert oder wie kommst du darauf?
> Schnellere Schaltfrequenzen treiben mir doch die Schaltverlust nach
> oben?

Nur wenn die Umschaltdauer zu groß wird. >500kHz deswegen, weil damit 
die Bauelemente sehr klein werden.  Die Größe der Induktivität ist 
direkt von der Schaltfrequenz abhängig, siehe meinen vorherigen Post.


> Knut Ballhause schrieb:
> damit über das Versorgungskabel nichts abgestrahlt wird.
>
> Die Versorgungspannung wird neben RS485 Kabel übertragen, welches
> geschirmt ist. Macht der Schirm die Drossel dann überflüssig?

Nein.

Ich vergaß:

Ausgangs-C mit 63V Stromfestigkeit, maximaler Spannungshub delta Ua 
+-25mV (also 50mV) bei 200kHz Schaltfrequenz (ich bleibe mal dabei):

C=(Ia*(1-D)*1/f_schalt)/delta Ua

ergibt ca. 100µF.

Autor: Walter (Gast)
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Frank Bär schrieb:
> Ausgangs-C mit 63V Stromfestigkeit

Reichen da nicht auch 25V Spannungsfestigkeit?
Dafür lieber guten ESR?

Autor: Frank Bär (f-baer)
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Walter schrieb:
> Frank Bär schrieb:
>> Ausgangs-C mit 63V Stromfestigkeit
>
> Reichen da nicht auch 25V Spannungsfestigkeit?
> Dafür lieber guten ESR?

Sollte natürlich erstmal Spannungsfestigkeit heissen.
25V kann man natürlich auch nehmen, ein 63V-Typ hat gewisse Vorteile, 
wenn wirklich mal der Schalter durchlegieren sollte. Dazu brauchts dann 
aber auch ausgangsseitig Überspannungsschutz. Der 63V-Typ ist insofern 
sicherlich für die meisten Fälle überdimensioniert.

Über guten ESR oder nicht müssen wir nicht reden, bei den Strömen tuts 
ein einzelner Elko wahrscheinlich sowieso nicht.

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Sebastian schrieb:
>> mit einer Schaltfrequenz über 500kHz aus
>
> Ist das ein Erfahrungswert oder wie kommst du darauf?
> Schnellere Schaltfrequenzen treiben mir doch die Schaltverlust nach
> oben?

Schnelle Schaltregler haben allermeist auch MosFets mit sehr niedrigem 
RDSon eingebaut und die werden über interne Treiber sehr schnell 
geschaltet. Damit erreicht man Wirkungsgrade über 90%, was zu nicht 
nennenswerter Verlustleistung führt. Abhängig natürlich von den 
verwendeten externen Komponenten.

Sebastian schrieb:
>> und eine stromkompensierte Drossel
>
> ist das ein L in Reihe, damit der Strom nicht schlagartig ansteigen
> kann?

Nein. Das ist ein Ferritring mit 2 gegenläufigen Windungen, welche 
Gleichtaktstörungen in Wärme umwandeln. Bei Schaltreglern meiner Meinung 
nach ein Muss im Eingangskreis.

Autor: Michael_ (Gast)
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Siehe:
http://www.pollin.de/shop/dt/NjA1OTQ2OTk-/Stromver...
Dort gibt es auch noch ähnliche.

Autor: Logo (Gast)
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