Step-Down-Wandler

[Tom (Gast)]

Hallo,

beschäftige mich zur Zeit mit Stepdown-Wandlern. Um das ganze Spiel 
etwas besser zu verstehen, hab ich mal ein einfaches Modell in LTSpice 
aufgebaut. (Mal vorweg: hab nicht vor, die Schaltung so aufzubauen, mir 
geht's wie gesagt ertmal ums Verständnis)
Die Eingangsspannung (V1) beträgt 48VDC, die Ausgangsspannung soll über 
das PWM-Signal (V2) einstellbar sein. Das funktioniert auch soweit ganz 
gut, je nach duty cycle liegt am Widerstand R2 (Last) eine andere 
Spannung an.
Nun zum eigentlichen Problem: Wie man sieht, liegt der Source Anschluss 
vom Mosfet nicht auf Masse, sondern die Spannung schwankt zwischen 0 und 
knapp 48V. Um jetzt die nötige Gate-Source-Spannung zu erreichen, damit 
der Transistor durchschaltet, muss die Gate-Spannung ziemlich hoch sein.
Das kann ja so nicht richtig sein, aber ich komm einfach nicht drauf, 
wie man das anders machen kann. Daher meine Frage: Wie wird das 
normalerweise gelöst? Oder wie kann man die Schaltung ändern, um die 
nötige Gate-Spannung runter zu kriegen?

Gruß
Tom

[MaWin (Gast)]

> Wie wird das normalerweise gelöst?

In dieser Schaltung mit einem P-MOSFET, dessen Gate-Spannung in Bezug 
auf VIN negativ vorgegeben wird.

Oder ein N-MOSFET dessen Source an VIN liegt und dessen Gate mit VIN und 
VIN+20V versorgt wird (erkennbar am extra boost-Anschluss der 
integrierten step down Schaltregler-ICs).

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Tom schrieb:
> meine Frage: Wie wird das normalerweise gelöst?
Du hast glück, denn du bist nicht der Erste mit diesem Problem. Die 
Lösung heißt "Bootstrap". Lies doch einfach mal die Application-Notes 
der "üblichen Verdächtigen" durch...

[Helmut S. (helmuts)]

Der Gatetreiber muss in deiner Schaltung zwischen Source und Gate 
liegen. Genau so machen es die Schaltregler ICs.

[Tom (Gast)]

Vielen Dank schonmal für die hilfreichen Tipps. Hab mit den richtigen 
Stichworten, den Treiber gefunden. Seh ich das richtig, dass ich den 
LTC4440 einfach durch den IR2117 ersetzen könnte?
Habt Ihr vielleicht sonst noch Tipps, was ich verbessern könnte?

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Tom schrieb:
> Habt Ihr vielleicht sonst noch Tipps, was ich verbessern könnte?
Das kommt darauf an, was du machen willst...

> Habt Ihr vielleicht sonst noch Tipps, was ich verbessern könnte?
Mir fehlt hier für einen vernünftigen SchaltREGLER die Regelung. Die 
Ausgangsspannung muss irgendwie gemessen und konstant gehalten werden. 
Das macht deine Schaltung nicht. Sondern das ist ein stupider 
PWM-Schalter...

Aud die Gefahr hin, dass ich mich wiederhole:
>> Lies doch einfach mal die Application-Notes der "üblichen Verdächtigen"
>> durch...
Such mal mit Google nach  ti+webbench

[Alexander S. (esko)]

Sollen D3, L2 und C3 einen Eingangsfilter darstellen?
Die Spannung zwischen D3 und L2 gegen Erde (grün) erzeugt dabei 
deutliches Klingeln. Normalerweise lässt man D3 weg, wenn ein Rückstrom 
in die Quelle erlaubt ist.

[Alexander S. (esko)]

Hier die LTspice Datei.

[Tom (Gast)]

Lothar Miller schrieb:
> Das kommt darauf an, was du machen willst...

Der Grundgedanke war, auf der Basis von einem leistungsstarken 
Festspannungsnetzteil (www.blum-germany.com/pdf/en-serie/TPS4000.pdf) 
ein Einstellbares zu bauen. Die Ansprüche sind dabei nicht besonders 
hoch, es soll jetzt kein hochpräzises Laborgerät werden. Primär würde 
das Teil zum Eloxieren eingesetzt werden. Trotzdem möchte ich natürlich 
das Optimum aus den eingesetzten Mitteln holen.

Lothar Miller schrieb:
> Mir fehlt hier für einen vernünftigen SchaltREGLER die Regelung.

Da hast du natürlich Recht, die Regelung fehlt noch. Die würde ich über 
einen µController realisieren. Hab noch einen Arduino (ATmega328) 
rumfliegen, der dürfte doch dafür ausreichen.
Um Spannung und Strom zu messen, hab ich im Schaltplan mal ein paar 
Widerstände ergänzt: einen Spannungsteiler, der mir die Spannung 
zehntelt. Damit könnte ich dann direkt an den A/D-Wandler vom Arduino 
gehen. Außerdem noch einen Shunt, der aus 0-50A 0-75mV macht. Das Signal 
würde ich dann mit einem AD623 verstärken, damit ich auf 0-5V komme.

Das hab ich mir halt alles aus meinen (beschränkten) 
Elektronikkenntnissen so zusammengereimt. Ist halt das erste Projekt 
dieser Art. Falls also jemand grobe Fehler erkennt, oder weiß, wie man's 
besser macht, immer raus damit ;-)

Lothar Miller schrieb:
> Aud die Gefahr hin, dass ich mich wiederhole:
>>> Lies doch einfach mal die Application-Notes der "üblichen Verdächtigen"
>>> durch...
> Such mal mit Google nach  ti+webbench

Danke für den Tipp, aber da gibt's einfach so viel Input, dass ich gar 
nicht weiß, wonach ich da jetzt genau suchen soll, bzw. wie ich was für 
mich passendes finden soll.

Alexander Schmidt schrieb:
> Sollen D3, L2 und C3 einen Eingangsfilter darstellen?

Ja, sollen sie, ohne die hätte ich extreme Stromspitzen. Was stellen die 
denn tatsächlich dar?

Alexander Schmidt schrieb:
> Die Spannung zwischen D3 und L2 gegen Erde (grün) erzeugt dabei
> deutliches Klingeln.

Danke für den Hinweis, das hätte ich wohl übersehen.

Alexander Schmidt schrieb:
> Normalerweise lässt man D3 weg, wenn ein Rückstrom
> in die Quelle erlaubt ist.

Ich weiß halt nicht, ob ein Rückstrom bei dem Netzteil (s.o.) 
erlaubt/möglich ist, wie finde ich das raus?

[Alexander S. (esko)]

Tom schrieb:
> Lothar Miller schrieb:
>> Mir fehlt hier für einen vernünftigen SchaltREGLER die Regelung.
> Da hast du natürlich Recht, die Regelung fehlt noch. Die würde ich über
> einen µController realisieren. Hab noch einen Arduino (ATmega328)
> rumfliegen, der dürfte doch dafür ausreichen.

Besonders schnell ist das über einen µC (ADC -> Verarbeiten -> DAC) 
nicht, für Eloxieren und ähnliches aber wohl locker ausreichend.
Eine stabile Regelung hinzubekommen ist gar nicht so einfach.


> Um Spannung und Strom zu messen, hab ich im Schaltplan mal ein paar
> Widerstände ergänzt:

Deine Abgriffe sind aber nicht Massebezogen.

>> Normalerweise lässt man D3 weg, wenn ein Rückstrom
>> in die Quelle erlaubt ist.
> Ich weiß halt nicht, ob ein Rückstrom bei dem Netzteil (s.o.)
> erlaubt/möglich ist, wie finde ich das raus?
Wenn du L2 deutlich kleiner machst, dann erledigt sich das Problem von 
selbst.