Load Regulation LM22670

[Christian (Gast)]

Hallo

Ich habe einen Schaltregler aufgebaut mit einem LM22670 entsprechend 
Appnote SNVA363D aufgebaut. Ich verwende als Eingangsspannung +12V und 
erhalte am Ausgang -4.95V.

Wenn ich jetzt eine Last anschließe geht die Spannung bei 0,5 A etwa um 
50 mV zurück, bei 1,6 A etwa um 150mV.

3% finde ich eigentlich schon etwas viel. Leider ist im Datenblatt 
dieser Wert nicht spezifiziert. Jetzt frage ich mich ob ich im 
Platinendesign irgend einen dummen Fehler gemacht habe oder ob der IC 
einfach nicht mehr kann.
Hat jemand Erfahrungen mit diesem Regler?

Viele Grüße,
Christian

[Stefan W. (wswbln)]

Christian schrieb:
> Jetzt frage ich mich ob ich im
> Platinendesign irgend einen dummen Fehler gemacht habe

...der Ansatz mit der kritischen Selbsthinterfragung ist schon mal gut, 
aber wenn Du Hilfe willst, solltest Du Schaltplan, Layout und 
Spezifikationen der von Dir gewählten Bauteile (spez. Kondensatoren, 
Diode und Induktivität) mit veröffentlichen.

Mit den vorliegenden Angaben kann man Dir die zitierte Frage nur mit dem 
langjährigen Mittel aus früheren ähnlichen Threads beantworten: zu >60% 
JA.

[Christian (Gast)]

Hallo Stefan,

Erstmal wollte ich ja nur wissen, was man mit dem Regler prinzipiell 
erreichen kann.

Den Schaltplan etc kann ich heute Abend mal posten. Vorher schaffe ich 
es leider nicht.

Einen Fehler habe ich aber auch schon gefunden. Ich habe mir angeschaut, 
was der Regler als Spannung "sieht". Dort messe ich mit und ohne last 
1,277V, also kann der Regler nicht das Problem sein. Er sieht ja, dass 
die Spannung stimmt. Das hat mich dann direkt zum Fehler geführt:
Den Spannungsabgriff für das Feedback habe ich relativ dicht am 
Verbraucher gemacht. Idee war, dass so der Spannugnsabfall über der 
Zuleitung ausgeglichen wird. Wenn man genau ins Datenblatt schaut wird 
klar, dass das nicht sinnvoll ist, bzw so nicht funktioniert.
Die Referenz wird relativ zu Regler-GND gemessen, was in der Schaltung 
die -5V sind.
Das Feedback habe ich jetzt so umgebaut, dass die -5V direkt am Ausgang 
des Reglers abgegriffen werden. Damit hat man -4,97V ohne Last und 
-4,92V mit Last.

Viele Grüße,
Christian

[Christian (Gast)]

Hat jetzt doch ein wenig länger gedauert.
Aber hier sind alle Informationen.

[Stefan W. (wswbln)]

Sooo, und nun zeichne in Dein Layout mal die Lade- und
Freilauf-Stromschleifen ein.

Idealerweise sollten diese beiden Schleifen möglichst klein sein und 
ineinander liegen (siehe auch hier:
http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layo... und
Beitrag "Und noch ne Baustelle - LM78xx-Ersatz" und
diesen Thread: Beitrag "EMV Probleme mit Step-Up Converter (12V auf 
130V)").

Der Freilaufkreis ist ja (bis auf diesen komischen Schlitz zw. D3 und 
den Kondis oben) ja schon hganz gut, aber der Ladekreis (C17 -> U25/7 -> 
U25/8 -> L3 -> C96/121/122 -> C17) muss noch etwas "um den Pudding". 
Dreh' mal C17 um 90° gegen die Uhr und packe den direkt ans IC (C16 
etwas nach rechts).

Aber: U25 regelt primär die Spannung über den Ausgangskondensatoren 
C96/121/122. Dort sollte dann auch die Entnahme des Laststomes erfolgen. 
C16 ist dazu da, die Pulsstrom-Impedanz der (unbekannten und 
schlimmstenfalls sehr langen) Zuleitung zu kompensieren, daher darf die 
Zuleitung auch etwas länger sein. Ich würde das Design also umdrehen, so 
dass die Ausgangs-Cs dort sind, wo die Last abgeht (oder die Last dort 
oben anschließen - je nach dem weiteren "Drumrum" auf der Platine).

R63/64 hast Du schon richtigerweise nahe an U25 positioniert, aber das 
obere Ende von R63 sollte (außerhalb der beiden Stromschleifen) zu den 
Ausgangs-Cs gehen, denn der Regler braucht den Ripple von dort für die 
Regelung.

[Michael K. (michael007)]

Kommt der hohe Abfall evtl. durch deine Shunt-Widerstände?
Hat R74 wirlich 10mOhm und R73 0 Ohm?

0,1 Ohm Gesamt-Widerstand würden ja bei 1,6A schon 160mV ausmachen...

[Christian (Gast)]

@Stefan:
Hm, den Ladekreis hatte ich damals beim Design falsch eingezeichnet. Was 
ich eingezeichnet hatte war klein, aber einfach falsch.
Mal schauen wie ich das besser geschoben bekomme.
Denkst du es reicht schon die Leitung links neben D1 breiter zu machen? 
Oder sollte ich lieber alles komplett neu machen?

Den Schlitz hatte ich nachträglich eingefügt um den Strom an den 
Kondensatoren abzugreifen. Ohne den Schlitz greift man die Spannung ja 
am Ende der Diode ab. Da dachte ich mir, dass das deutlich weniger 
sinnvoll ist.
Jedenfalls habe ich den Schlitz erst nachträglich mit einem Skalpell 
eingefügt und es macht überhaupt keinen Unterschied.
Wie auch immer, sicher ist es das sinnvollste die Schaltung einfach zu 
drehen.

@Michael:
Beide Widerstände sind momentan mit "0 Ohm"-Winderständen bestückt.
Aufgrund des verbleibenden Spannungsabfalls nach der Änderung würde ich 
schätzen, dass die Widerstände, Lötstellen und Leitungen insgesamt etwa 
30mOhm haben.

[Christian (Gast)]

Gestern habe ich mal den Spannugnsabgriff geändert. Den 0 Ohm Jumper 
habe ich herausgenommen und stattdessen ein Kabel oben an die 
Kondensatoren gelötet. Sieheda, das Ripple hat sich um ca. Faktor 3 
verkleinert.
Die Spannugn da unten abzugreifen war schon ein grober Schnitzer...

Dann habe ich auch nochmal genau ins Datenblatt geschaut. Danach war mir 
wieder genau klar was ich mir damals beim Design gedacht hatte. Jetzt 
verstehe ich allerdings Stefans Ausführungen nicht mehr.
Bei mir geht es ja um einen Buck-Boost-Regler und nicht wie auf der 
verlinkten Seite um einen Buck-Regler.
Im Appnote (http://www.ti.com/litv/pdf/snva363d Seite 5 Abbildung 4) 
sind die Stromkreise für Auf- und Endladefall eingezeichnet.
Aufladefall sollten das doch C16, U25 Pins 7 und 8 sowie L3 sein.
Im Entladefall L3, D1, C96+C121+C122.
Vielleicht könnte man einen der drei Kondensatoren noch um 90° drehen 
und genauer in die Mitte von L3 und D1 setzen, ansonsten sehe ich aber 
keine Möglichkeiten die Schleifen weiter zu verkleinern.

Oder habe ich irgendwo einen Fehler in meiner Argumentation?

[Stefan W. (wswbln)]

Christian schrieb:
> Gestern habe ich mal den Spannugnsabgriff geändert. Den 0 Ohm Jumper
> habe ich herausgenommen und stattdessen ein Kabel oben an die
> Kondensatoren gelötet. Sieheda, das Ripple hat sich um ca. Faktor 3
> verkleinert.
> Die Spannugn da unten abzugreifen war schon ein grober Schnitzer...^

...es gibt schlimmere ;-)

> Dann habe ich auch nochmal genau ins Datenblatt geschaut. Danach war mir
> wieder genau klar was ich mir damals beim Design gedacht hatte. Jetzt
> verstehe ich allerdings Stefans Ausführungen nicht mehr.

Welche genau?

> Bei mir geht es ja um einen Buck-Boost-Regler und nicht wie auf der
> verlinkten Seite um einen Buck-Regler.

...davon weiß Dein IC aber nichts. Es ist und bleibnt ein 
Step-down-Switcher, so wie's auch im Datenblatt steht. Dass Du am 
Ausgang Plus und Masse nach Masse und Minus uminterpretierst, sieht er 
nicht.

> Im Appnote (http://www.ti.com/litv/pdf/snva363d Seite 5 Abbildung 4)
> sind die Stromkreise für Auf- und Endladefall eingezeichnet.
> Aufladefall sollten das doch C16, U25 Pins 7 und 8 sowie L3 sein.

1) C17 ist für den LM der Eingangskondensator
2) vergiss' den Rückweg von den Ausgangs- zum Eingangs-C nicht!

> Im Entladefall L3, D1, C96+C121+C122.
...und zurück

> Vielleicht könnte man einen der drei Kondensatoren noch um 90° drehen
> und genauer in die Mitte von L3 und D1 setzen, ansonsten sehe ich aber
> keine Möglichkeiten die Schleifen weiter zu verkleinern.

Da liegst Du ja auch schon ganz gut - oder? Wie groß ist denn der 
Ripple?

> Oder habe ich irgendwo einen Fehler in meiner Argumentation?

Wenn Du mal den Schaltplan aus der App-Note mit dem Prinzipschaltbild 
auf der ersten Seite im Datenblatt vergleichst, solltest Du die 
Grundschaltung wiedererkennen. Nur dass der Ausgang halt 
"uminterpretiert" wird. Du kannst die Switcher-Grundschaltung als 
Vierpol-Blackbox (wie im angehängten Bild dick umrandet) nehmen. So 
ähnlich sollte dann auch die Einbindung in Die Restschaltung sein. Was 
in der "Kiste" alles an wilden Strömen kreiselt, will man draussen weder 
wissen noch sehen. Eine durchgehende Massefläche sollte man daher auch 
vermeiden und den Switcher nur am Eingangs- und Ausgangs-C mit der 
Versorgungs- bzw. Last-Masse verbinden. Mal sehen, wo ich ein Beispiel 
rausschneiden kann...

[Stefan W. (wswbln)]

...hier ein Beispiel:
Auf der blauen Lage siehst Du die GND-Fläche des Switchers, welche nur 
unter dem Ausgangs-C mit der versorgten Schaltung verbunden ist. So 
bleibt der größte Teil der "Schweinereien" lokal begrenzt.

[Christian (Gast)]

Stefan Wimmer schrieb:

> Welche genau?
Im wesentlichen den Weg, den der Strom fliest.

>
>> Bei mir geht es ja um einen Buck-Boost-Regler und nicht wie auf der
>> verlinkten Seite um einen Buck-Regler.
>
> ...davon weiß Dein IC aber nichts. Es ist und bleibnt ein
> Step-down-Switcher, so wie's auch im Datenblatt steht. Dass Du am
> Ausgang Plus und Masse nach Masse und Minus uminterpretierst, sieht er
> nicht.
OK.
>
>> Im Appnote (http://www.ti.com/litv/pdf/snva363d Seite 5 Abbildung 4)
>> sind die Stromkreise für Auf- und Endladefall eingezeichnet.
>> Aufladefall sollten das doch C16, U25 Pins 7 und 8 sowie L3 sein.
>
> 1) C17 ist für den LM der Eingangskondensator
> 2) vergiss' den Rückweg von den Ausgangs- zum Eingangs-C nicht!
>
Ok. Das ist im Appnote halt anders eingezeichnet. Dort ist der 
Quellkondensator derjenige, welcher zwischen positiver 
Versorgungsspannung und GND (nicht Regler-GND) angeschlossen ist.

>> Im Entladefall L3, D1, C96+C121+C122.
> ...und zurück
>
zurück?


> Da liegst Du ja auch schon ganz gut - oder? Wie groß ist denn der
> Ripple?
Momentan habe ich 23mVPP. Gemessen mit 2GHz Bandbreite. Das Oszi ist per 
Trenntrafo angeschlossen und der Eingang ist mit 50 Ohm abgeschlossen. 
Von dort aus geht direkt ein Koaxialkabel an die Spannung auf der 
Platine.
die 23mVPP würde ich schon ganz gerne noch ein wenig drücken. Evtl mit 
passender Spule oder Ferrit. Vorallem da der größte Anteil der Amplitude 
nur sehr kurze Spikes sind, denke ich dass da was zu machen sein sollte.

>
>> Oder habe ich irgendwo einen Fehler in meiner Argumentation?
>
> Wenn Du mal den Schaltplan aus der App-Note mit dem Prinzipschaltbild
> auf der ersten Seite im Datenblatt vergleichst, solltest Du die
> Grundschaltung wiedererkennen. Nur dass der Ausgang halt
> "uminterpretiert" wird. Du kannst die Switcher-Grundschaltung als
> Vierpol-Blackbox (wie im angehängten Bild dick umrandet) nehmen. So
> ähnlich sollte dann auch die Einbindung in Die Restschaltung sein. Was
> in der "Kiste" alles an wilden Strömen kreiselt, will man draussen weder
> wissen noch sehen. Eine durchgehende Massefläche sollte man daher auch
> vermeiden und den Switcher nur am Eingangs- und Ausgangs-C mit der
> Versorgungs- bzw. Last-Masse verbinden. Mal sehen, wo ich ein Beispiel
> rausschneiden kann...

Hm. Ok. Irgendwo kann ich beide Argumentationen nachvollziehen, könnte 
allerdings von keiner sagen, welche falsch ist und erst recht nicht 
warum.

Mit beide Argumentationen meine ich einerseits deine, andererseits das, 
wie es im Appnote auf Seite 4 aussieht, dass der Kondensator zwischen 
VCC und GND die Quelle ist.
Dort ist der Kondensator der bei mir C17 entspricht ja nichtmal 
eingezeichnet.

Vielleicht ist der entscheidende Unterschied wo und wie man die Masse 
anschließt?
Die Methode die Masse nur in einem Punkt anzuschließen und damit die 
Störungen von außen gesehen in der Box zu lassen erscheint mir auf jeden 
Fall sinnvoll. Das werde ich definitiv in mein Design integreren.

[Michael K. (michael007)]

Christian schrieb:
> Gemessen mit 2GHz Bandbreite.

wow. was hast Du denn für eine Ausstattung?
Kannst Du mir mal das Oszi und die Tastköpfe nennen?
Würd' mich interessieren!

Danke!

[Stefan W. (wswbln)]

Christian schrieb:
>>> Im Entladefall L3, D1, C96+C121+C122.
>> ...und zurück
>>
> zurück?

Ja, der Strom muss doch zur Quelle zurück (hier: vom Masseanschluss der 
Cs zur Diode). Dieser Weg wird gerne bei der Betrachtung vergessen.

Speziell wenn eine GND-Plane da ist, meinen die meisten dass dann alles 
OK wäre. Hat man aber nennenwerte Frequenzen bzw. Signalanstiegszeiten, 
spielen oft unbedachte Effekte wieder eine Rolle.  Z.B. dass der 
Rückstrom in der Massefläche dann nicht den geometrisch kürzesten Weg 
nimmt, sondern unter dem Hin-Strom zu fließen versucht. Sind dort dann 
Unterbrechungen (Leiterbahnen, DKs), spannt man je nach Frequenz schon 
wieder eine Antenne auf und wundert sich evtl. über (erst mal) 
unerklärliche Abstrahlungen beim EMV-Test oder über die GND-Plane in 
Signale eingekoppelte Störungen.

[Christian (Gast)]

Das Oszi ist ein WaveRunner204. Einen Tastkopf verwende ich wie gesagt 
in dieser Messung nicht. Streng genommen ist die Bandbreite hier wohl 
etwas kleiner, da das verwendete Kabel die 2GHz sicher nicht kann. Auf 
jeden Fall sollte es aber ausreichend sein.

Ich habe mal das Design geändert und ein Bild angehängt. Ist es so 
besser?

Masseanbindung ist bei C122 oben. Der blau-graue Block sind einige Vias 
nebeneinander.
Abgegriffen wird die Spannung unten an C122, dort ist auch der Abgriff 
für das Feedback.
Versorgt wird die Schaltung von rechts, eine Dicke Leitung geht an C16.
Das blaue Viereck ganz außen ist eine Kühlfläche auf dem Bottomlayer. 
Elektrisch mit dem Powerpad von U25 verbunden.
C121 kommt noch irgend wo anders hin.

Noch nicht klar ist mir, wie ich die Masse von R63 anschließe. Einfach 
ein Via wo R63 ist oder lieber eine Leitung an die Vias von C122 führen 
und dort anschließen?

Was mich nach wie vor verwirrt ist, dass deine Erklärung, Stefan, 
irgendwie nicht zu der aus dem Datasheet passt.
Auch widerspricht es meiner Intuition, dass die Schaltung von C17 
"versorgt" wird wobei dieser von der Schaltung doch überhaupt erst 
aufgeladen wird...
Aber auf die Intuition kann man sich natürlich nicht immer verlassen.

Ist das Design jetzt OK? Als nächstes würde ich noch einen Ferrit oder 
eine Spule und einen weiteren Kondensator vorsehen um das Ripple noch 
etwas zu glätten.
Dann würde ich mal eine zweilagige Testplatine bestellen.

[Stefan W. (wswbln)]

Christian schrieb:
> Was mich nach wie vor verwirrt ist, dass deine Erklärung, Stefan,
> irgendwie nicht zu der aus dem Datasheet passt.

Schau' Dir einfach mal in der App-Note das Schaltbild an und dann das 
Layout des Demo-Boards:

Wären C1/2/8 die relevanten Teile, würde man erwarten, dass die 
möglichst nahe am IC wären. Sind sie aber (im Gegensatz zu C6/7) nicht. 
Sie dienen zur Entkopplung der (unbekannten, möglicherweise langen) 
Zuleitung und als Filter für Störungen vom Board Richtung Zuleitung.

C6/7 sind dagegen direkt in die Switcher-Kreise eingebunden und befinden 
sich direkt am IC. Das hat schon seinen Grund.

Wenn Du eh' eine Probe-Platine machst, kannst Du ja ggf. 
unterschiedliche Layouts ausprobieren.

[Christian (Gast)]

Ok.

Findest du das Layout, wie es momentan ist, denn sinnvoll?