Hallo,
ich versuche gerade eine Spannungsversorgung für einen FPGA zu
dimensionieren und habe dazu einige Fragen.
Zuerst mal die wichtigen Kenngrößen:
Eingangspannung ist zwischen 3.0V und 5.5V (mit ein klein wenig Toleranz
nach oben und eventuell auch nach unten), diese kommt meistens aus einem
LiIon-Accu und manchmal von einer externen 5V-Versorgung.
Ausgangsspannung ist 1.25V (der Igloo Nano FPGA möchte zwischen 1.2V und
1.5V, ich würde gerne am unteren Ende bleiben).
Der FPGA benötigt laut Schätzung vom Design-Tool unter 500µW (ja
wirklich Micro-Watt) für die ihm gestellte Aufgabe so das die Versorgung
typisch etwa 400µA liefern muss.
Potentialfrei o.ä. ist nicht gefordert, alles hat das selbe GND.
Wichtigstes Design-Kriterium für diese Versorgung ist maximaler
Wirkungsgrad!
Das Teil wird oft auf Accu laufen und gefordert ist da eine
Überbrückungszeit von mehreren Wochen so das hier jedes gesparte
Micro-Watt echt was wert ist.
Meine derzeitige Idee ist es einfach einen P-Channel-FET für High-Side,
eine große Spule und einen sparsamen Comparator mit ner kleinen
Hysterese (ca. 20mV) zu nehmen und die Ausgangsspannung einfach um die
gewünschten 1,25V herrum schwingen zu lassen. Solange am Ausgang ein
möglichst großer Kondensator hängt ist die resultierende Schwingfrequenz
recht niedrig und dürfte den FPGA kaum stören, auch andere
Schaltungsteile sollten sich davon nicht stören lassen. Der Vorteil der
Comparator-Lösung ist das ich kaum Leistungsverbrauch im FET habe da
dieser immer entweder voll duchgeschaltet ist oder richtig sperrt. Die
Einschaltdauer des FET hängt IMHO vor allem von der Spannungsdifferenz
zwischen der Eingangspannung und der Ausgangsspannung ab (da damit
bestimmt wird wie schnell sich in der Spule der richtige Strom aufbaut)
und die Ausschaltdauer des FET hängt IMHO vom Leistungsbedarf des FPGA
ab. Ich gehe davon aus das im wesentlichen ein lückender Betrieb
eintreten wird da die 1,75V bis 3,75V (Vin - Vout) die Spule und den
Ausgangskondensator deutlich schneller laden als der FPGA den
Ausgangskondensator entladen kann. In den typischen DC/DC-Wandlern wird
immer versucht den lückenden Betrieb zu vermeiden. Warum? Was ist das
Problem am lückenden Betrieb? Ich denke die recht hohe Ripplespannung
(ich schätze mal etwa 50mVpp) dürfte den FPGA (und auch die restliche
Schaltung) nicht stören. Ich bin der Meinung das sich durch die recht
geringe Frequenz auch der Vorteil ergibt das nur wenige Umladeverluste
(an den parasitären Kapazitäten) im FET auftreten und auch das einem
hohen Wirkungsgrad zuträglich ist.
Für die Low-Side möchte ich eine einfache Si-Diode vorsehen. Ich hab
auch schon über Schottky nachgedacht aber die haben doch üblicherweise
einen relativ hohen Rückwertsstrom und da an dieser Diode wohl
überwiegend Spannung in Sperrrichtung anliegt erscheint mir das ein
nicht unwichtiges Problem zu sein. Da die Si-Diode aber eine relativ
hohe Vorwärtsspannung hat bin ich auf die Idee gekommen das Steuersignal
des High-Side-FET an den FPGA zu führen und diesen kurz nach jedem
Abschalten des High-Side-FETs einen Low-Side-FET für eine kleine
definierte Zeit anzusteuern, damit sollte sich ein Großteil der Verluste
in der Diode vermeiden lassen. Die Frage ist ob sich das überhaupt lohnt
oder ob die Verluste in der Diode (egal ob Si oder Schottky) eh klein
genug sind so das sich hier kein weiterer Aufwand mehr lohnt (kostet ja
auch Bauteile und Platinenfläche). Wie rechnet man den am besten die
Verlustleistung an der Diode aus?
Am High-Side-FET ist mir noch ein Problem aufgefallen: beim Power-On,
wenn die Ausgangsspannung noch 0V beträgt, würde man ja eine negative
Gate-Spannung benötigen damit der FET durchschaltet aber die habe ich
nicht. Aber ohne das der High-Side-FET mal durchschaltet wird sich auch
nie eine Ausgangsspannung aufbauen. Das sieht mir irgendwie nach einem
Henne-Ei-Problem aus. Wie läuft so ein DC/DC-Wandler (mit P-Channel-FET
für High-Side) eigentlich an?
Gibt es für den von mir benötigten Leistungsbereich (<1mW) eigentlich
fertige DC/DC-Wandler-Controller (wo nur noch Spule, FETs und
Kondensatoren dran kommen) die auch einen sehr hohen Wirkungsgrad
erreichen?
Die Controller die ich so kenne sind üblicherweise für Watt und nicht
für Micro-Watt ausgelegt und haben einen Eigenverbrauch der deutlich
höher ist als der meiner Schaltung.
Ich wäre sehr dankbar wenn ihr meine Gedanken mal auf Fehler oder
Probleme checken und kommentieren würdet.
Grüße
Erik
Hallo,
obwohl ich kein Schaltreglerexperte bin, hört sich das für mich recht
abenteuerlich an. Eine schnelle parametrisierte Suche (Vin: 3 bis 5.5,
Vout: 1.25 Iout: 0.001) bei Linear ergab als Treffen den LTC3620:
http://www.linear.com/product/LTC3620
95% Effizienz klingt doch gut, ein SPICE-Modell zum Testen gibt's auch.
Besser wirst du mit deinem Zweipunktregler nicht kommen.
Viele Grüße
Hystereseregler haben den Nachteil, daß sie zu Beginn um den
Ausgangselko aufzuladen die Spule dauernd einschalten und der Strom
immer weiter steigt, bis Vin/(RDSon+Rspule), daher muß man die Spule
recht gross auslegen. Obwohl das bei deiner kleinen Leistung kein
Problem sein dürfte, ist es unsinnig. Ausserdem frisst deine Diode viel
Wirkungsgrad.
Nimm einen TPS62207, der erreicht 85% Wirkungsgrad bei deiner Leistung.
@ Erik (Gast)
>Ausgangsspannung ist 1.25V (der Igloo Nano FPGA möchte zwischen 1.2V und>1.5V, ich würde gerne am unteren Ende bleiben).>Der FPGA benötigt laut Schätzung vom Design-Tool unter 500µW (ja>wirklich Micro-Watt) für die ihm gestellte Aufgabe so das die Versorgung>typisch etwa 400µA liefern muss.
Sollte man für diese Aufgabe dann nicht eher einen Mikrocontroller
nehmen?
>Das Teil wird oft auf Accu laufen und gefordert ist da eine>Überbrückungszeit von mehreren Wochen so das hier jedes gesparte>Micro-Watt echt was wert ist.
Naja, muss man eben auch in Richtung Sleep Mode und [[Versorgung aus
einer Zelle]] denken.
>Hysterese (ca. 20mV) zu nehmen und die Ausgangsspannung einfach um die>gewünschten 1,25V herrum schwingen zu lassen.
Du willst den Schaltregler neu erfinden? Keine gute Idee.
>Für die Low-Side möchte ich eine einfache Si-Diode vorsehen.
Nicht sinnvoll, gerade bei kleinen Spannungen macht man
Synchrongleichrichtung mit FET.
> Ich hab>auch schon über Schottky nachgedacht aber die haben doch üblicherweise>einen relativ hohen Rückwertsstrom
Bei Nennspannung, aber nicht bei 3V.
>definierte Zeit anzusteuern, damit sollte sich ein Großteil der Verluste>in der Diode vermeiden lassen. Die Frage ist ob sich das überhaupt lohnt
Ja. Aber nicht für deine Anwendung.
>Gibt es für den von mir benötigten Leistungsbereich (<1mW) eigentlich>fertige DC/DC-Wandler-Controller (wo nur noch Spule, FETs und>Kondensatoren dran kommen) die auch einen sehr hohen Wirkungsgrad>erreichen?
Kann sein, lohnt sich aber IMO nicht.
>Ich wäre sehr dankbar wenn ihr meine Gedanken mal auf Fehler oder>Probleme checken und kommentieren würdet.
Nimm einen Ultra Low Power Linearregler ala TPS715, Eigenverbrauch 3µA.
Du brauchst 1,25V@320µA, das schaffen die Dinger spielend. Die Effizienz
ist auch OK, wenn man das Gesamtkonzept betrachtet.
MfG
Falk
@ MaWin (Gast)
>Hystereseregler haben den Nachteil, daß sie zu Beginn um den>Ausgangselko aufzuladen die Spule dauernd einschalten und der Strom>immer weiter steigt, bis Vin/(RDSon+Rspule),
Kaum, denn auch die Dinger haben eine Strommessung und Begrenzung.
Hallo,
h_ schrieb:> hört sich das für mich recht abenteuerlich an
Da ich ebenfalls kein Schaltreglerexperte bin klingt das für mich
mindestens ebenso abenteuerlich, deswegen möchte ich ja auch hier mal
Meinungen dazu lesen.
> bei Linear ergab als Treffen den LTC3620
Der ist auch recht interessant, ist auch der einzigste Treffer bei
Linear, alles andere ist bei weitem nicht mehr interessant.
> 95% Effizienz klingt doch gut
Laut Datenblatt sind es bei 0,5mA Laststrom wohl eher um die 80% (was
wohl sicher noch /schön/gerechnet ist) und da sieht der Zweipunktregler
aus Einzelteilen wohl schon gar nicht mal mehr so viel schlechter aus
obwohl das davon abhängt was das Umladen der FETs kostet und wie oft das
wirklich anfällt. Für den Comparator + Referenzspannung rechne ich mit
etwa 15µA was in etwa dem Entspricht was ein LTC3620 oder ein TPS62207
als "Ruhestrom" benötigt. Der eigene Zweipunktregler hat zumindest den
Vorteil das er nicht krampfhaft versucht auf eine möglichst hohe
Schaltfrequenz zu kommen, anders kann ich mir nicht erklären warum im
Datenblatt des LTC3620 kein Diagramm dazu existiert was er genau macht
wenn das MODE-Pin fest auf Vin geklemmt wird obwohl diese Betriebsart
auf Seite 4 oben links und mitte explizit existiert. Es gibt jedenfalls
kein Diagramm in der Art "Switching Waveforms at 0.1mA Load, FMIN/MODE =
Vin".
Wenn man auf Seite 6 die Diagramme Oben-Mitte und Mitte-Links
vergleicht, jeweils die rote Kurve weil das die einzige identische
Situation ist, dann scheint sogar MODE-Pin auf Vin schlechter zu sein
obwohl man doch eigentlich das Gegenteil vermuten würde. Also so ganz
traue ich dem Datenblatt gerade im Hinblick auf niedrige Lastsituationen
nicht.
Beim TPS62207 sieht es im Datenblatt auch nicht
besser/vertrauenswürdiger aus.
Die Ripplespannung ist bei beiden im Niedriglastbetrieb auch ziemlich
hoch, die laufen im Endeffekt dann auch nur als simpler Zweipunktregler.
chick schrieb:> Die Peripherie verbarucht keinen Strom, oder gibts keine?
Doch, die Peripherie (und die zugehörige IO-Bank vom FPGA) läuft mit
1,8V und benötigt etwa 4 mA, da wird also noch mal eine ähnliche
Versorgung benötigt aber so weit bin ich noch nicht. Da fällt mir ein
das ich bei zwei Zweipunktreglern die Referenzspannung nur ein mal
benötige so das ich hier noch ein wenig sparen könnte.
MaWin schrieb:> Hystereseregler haben den Nachteil, daß sie zu Beginn um den> Ausgangselko aufzuladen die Spule dauernd einschalten und der Strom> immer weiter steigt
Das würde aber nur passieren wenn die Eingangsspannung und die
Sollvorgabe von 0% auf 100% springen würde und nicht langsam ansteigt.
Eine reale Referenzspannung wird aber auch nur langsam ihren Endwert
erreichen und damit wird auch der Zweipunktregler beim Hochfahren der
Ausgangsspannung immer wieder mal den High-Side-FET abschalten. Falls
die Referenzspannung doch zu schnell ist kann man dem ja mit einem
größeren Kondensator für selbige entgegenwirken.
MaWin schrieb:> Ausserdem frisst deine Diode viel Wirkungsgrad.
Deswegen sollte ja der FPGA einen Low-Side-FET ansteuern, das macht der
nebenbei und kann auch darauf achten das er den Low-Side-FET nur dann
anschaltet wenn der High-Side-FET auch lang genug an war damit in der
Spule auch wirklich Energie steckt deren Abbau der Low-Side-FET
unterstützen muss. Der FPGA überwacht zwar leider nicht das der
Spulenstrom nicht negativ wird aber als so schlimm empfinde ich das
nicht.
Falk Brunner schrieb:> Sollte man für diese Aufgabe dann nicht eher einen Mikrocontroller> nehmen?
Wieso?
Es ist noch ein Mikrocontroller vorhanden der vom FPGA etwa alle 10
Stunden angeschaltet wird und der auch einen richtigen DC/DC-Wandler hat
weil er mitsamt seiner Peripherie mit 3,3V versorgt wird und zusammen
etwa 100mW bis 150mW benötigt. Der Mikrocontroller sagt dann auch immer
nach etwa ein bis zwei Minuten dem FPGA das er wider abgeschaltet werden
möchte was der FPGA dann auch veranlasst so das der Mikrocontroller die
meiste Zeit gar keine Energie benötigt. Im FPGA läuft dann nur das was
zwingenst permanent laufen muss. Deswegen möchte ich hier auch auf
möglichst hohen Wirkungsgrad optimieren wohingegen sich das für den
Mikrocontroller nicht lohnt da er nicht mal 1% der Zeit überhaupt
Energie bekommt.
Falk Brunner schrieb:> Du willst den Schaltregler neu erfinden? Keine gute Idee.
Eben weil das keine gute Idee ist versuche ich ja hier andere
Meinungen/Anregungen zu bekommen.
Falk Brunner schrieb:> Bei Nennspannung, aber nicht bei 3V.
Was ist denn für ein Rückwertsstrom für 3V bei Schottky-Dioden
realistisch? Soweit ich das gesehen habe sind das bereits zweistellige
µA-Werte und damit bereits nennenswerte Prozentwerte am Gesamtverbrauch.
Falk Brunner schrieb:> lohnt sich aber IMO nicht.
Der Kunde sieht das aber anders. ;)
Für einen Längsregler würde man die dreifache Accu-Kapazität benötigen
und das ist dem Kunden nicht recht.
Danke für Eure Anregungen.
Eigentlich möchte ich auch für die permanent aktive FPGA-Versorgung
einen fertigen DCDC-Wandler als rundumsorglos Lösung einsetzen aber vom
Wirkungsgrad her überzeugt mich das noch nicht so wirklich. Eine eigene
Lösung mit nem Zweipunktregler möchte ich eher nicht machen aber bis
jetzt scheint diese Variante trotz allem recht verlockend zu sein da es
für so niedrige Leistungen wohl nichts gescheites "von der Stange"
gibt. Ich schätze da muss ich noch mal drüber schlafen.
Hat noch jemand eine Erklärung für das Henne-Ei-Problem beim
P-Channel-FET für High-Side? Das würde mich schon wegen meiner Neugierde
mal interessieren.
Grüße
Erik
PS. sorry das ich mich nicht eher gemeldet habe aber scheinbar wurden
alle Gäste mal wieder ausgesperrt
