Schaltregler Spannungsschwankungen

[J.Hebeler (Gast)]

Guten Abend.

Ich habe mal wieder ein Problem. Ich habe ein Synchronschaltrichter mit 
2 IRFU 3707Z und einem IR2184 als Treiber, mit einem 1µF Elko als Charge 
pump, 50µH(Ringkern, gemessen bei 1kHz mit dem LCR-Meter) und 400kHz 
Schaltfrequenz laufen bei einem DC von ~40%. Als Kondensatoren finden 
sich jeweils 4 22µF/50V "low-ESR"(nach Reichelt) Typen auf beiden seiten 
des Schaltreglers.
Nun höre ich aber einen Summton von der Spule, was bei 400kHz nicht 
direkt von dem Schalten kommen kann und sie wird Warm.
Auch bemerke ich starke Spannugsschwankungen ca 800ns nach dem setzten 
des on-pegels, was sich auf dem Logiksignal vom Mega8, der 
Ausgangsspannung, der Eingansspannung und sogar auf GND widerfindet(laut 
Oszi).
Ich weiß, dass eine Steuerung über einen Atmega in Software nicht 
optimal ist, aber dies soll nur ein Testaufbau für ein FPGA sein, der 
später das ganze steuern soll.
Ich lese zudem die Spannung über den Shunt nicht via ADC aus, sondern 
verstärke sie in einem LM358 und vergleiche sie in einem LM393 mit einer 
1,23V Referenzspannung über einen Spannungsteiler. Das Signal vom 
Komperator wird dann noch durch einen Schmitt-Trigger geglättet und dann 
an den Mega8 geleitet.
Dieser arbeitet mit einer Festen Off-Zeit und einer geregelten On-Zeit. 
Sollte aber vor einschalten der On-Zeit zu viel Strom da sein(Feedback 
auf high) wird gar nicht erst in den On-Zustand gesprungen.
Daraus schließe ich, dass es sich nicht um ein Fehler des PWM-Signals 
des Mega8-handeln kann, da dieser Abschaltet und wartet und nicht sehr 
schnell hin und her springen kann.
Ich würde vlt auf einen Fehler im Treiber schließen, dass vlt die 
Charge-Pump die Spannung nicht halten kann, was ich aber egt für 
unwarscheinlicher halte.
Vlt habe ich aber auch mit der Spule un den Ausgangskondensatoren und 
Leitungswiderständen ein Schwingkreis gebaut?
Mich wundert es auch, dass die Spule so warm wird, schließlich habe ich 
bei  Aufbauten mit LM2576, LM2676, PR4101B oder MC34063 nie solche 
Probleme gehabt.
Und um es zu erwähnen: Der Logikteil vom AVR und der Schaltregler hängen 
an unterschiedlichen NTs, Masse natürlich verbunden, der Atmega, sowie 
der Referenzspannungsteiler und die Logik werden mit 5V aus einem 7805 
versorgt.

Über Hilfe würde ich mich sehr freuen.

MfG J.Hebeler

[Christian S. (christianstr)]

Ein Schaltplan wäre nicht schlecht, gucken ist immer besser als erzählt 
bekommen ;)

[J. Hebeler (Gast)]

Schnell die obligatorischen Anmerkungen: Die Induktivität hat nicht wie 
im Schaltplan 10mH, sondern 50µH und weniger. Die Widerstände mit einer 
-1/-2 sind Spindeltrimmer und ich hatte keine Lust bei der 
Refernzspannung das genaue Verhältnis auszurechnen. Die Werte für R6-1 
und R6-2 stimmen auch nicht, die haben sich schon geändert, die wollte 
ich aber im Moment auch nicht nachrechnen. AR2 ist wie gesagt ein LM358. 
An V+ und V- hängt ein LED-Dummy aus einem BC245 und 2 LEDs. Vin beträgt 
20V, 3A, verbraucht werden im betrieb maximal 2A laut Anzeige.

Das sollte es gewesen sein.

MfG J.Hebeler

[Christian S. (christianstr)]

Was macht AR2? Der -Eingang liegt immer auf Masse, es gibt keine 
Rückkopplung, es wird also nichts verstärkt.
EDIT: Sorry, lesen muss man können, soll ja auch ein Komperator sein :)

[J. Hebeler (Gast)]

>>Was macht AR2? Der -Eingang liegt immer auf Masse, es gibt keine
>>Rückkopplung, es wird also nichts verstärkt.
Wieso sollte er dauerhaft auf Masse liegen? Über den Shunt fällt eine 
Spannung abhängig vom Strom ab. Der Zielstrom ist 3A. Macht also 0.3V.
Dies soll auf 1.23V verstärkt werden, dieses Prinzip habe ich schon 
erfolgreich bei 3 anderen Schaltreglern auf Basis des LM2576 und LM2676 
angewendet.
Ansonsten entspricht der Aufbau dem eines positiven Verstärkers.

[J. Hebeler (Gast)]

Um das nochmal kurz klar zu stellen: Zwischen V+ und V- hängt eine Last, 
die ich aber nicht eingezeichnet habe. Es geht hier um den belasteten 
Regler.
Die Last hat Halbleitercharakteristik und hat 3A bei ca 10V.
Daher ist auch eine Spannung über den Shunt vorhanden. Nicht das es da 
zu Missverständnissen kommt

[Christian S. (christianstr)]

Eingangspannung hab ich jetzt auch nicht mit 0 angesehen...
ich glaub, du hast dich mit der Masse vertan, die gehört an eine andere 
Stelle. Guck dir nochmal den Verstärker an...
http://www.elektronikinfo.de/techpic/strom/op_elektrometer.gif
deine Schaltung ist mir als nicht-invertierender Verstärker nicht 
bekannt, das ist meiner Meinung nach ein Komperator.

[J. Hebeler (Gast)]

>>ich glaub, du hast dich mit der Masse vertan, die gehört an eine andere
>>Stelle.
Ich hätte mir mehr Mühe mit dem Plan geben sollen...
Den Plan habe ich eben gemacht und habe versucht das nach zu bilden, was 
ich als Schaltung vorliegen habe. Der Op-Amp ist richtig angeschlossen 
und Funktioniert, schließlich existiert eine Regelung nach dem Strom und 
dies sollte auch nicht den von mir beschriebenen Sachzusammenhang 
auslösen, nämlich das ca 800ns nach dem Schalten in den On-Zustand es 
eine Spannungsspitze gibt und die Spule summt.

Natürlich hängt Vcc an 8 und Gnd an 4 vom LM358.

[J. Hebeler (Gast)]

Hier nochmal der aktualisierte Schaltplan.

MfG J.Hebeler

[Christian S. (christianstr)]

Hmm....vom Schaltplan her ist mir kein weiterer Fehler aufgefallen, 
sofern dein OP korrekt beschalten und der LowSide MOSFET richtig herum 
eingebaut ist ;)
Wie groß ist denn die Spannungsschwankung? Ist die Spannung am Gate 
konstant? Könnte mir vorstellen, dass du durch die 400kHz irgendwo ein 
Übersprechen hast. Die Schwingung der Spannung auf Masse beträgt auch 
400kHz? Oder ist das irgendwas ganz anderes und nicht konstant oder so?

[J. Hebeler (Gast)]

Hier ist das ganze zu sehen, ich hoffe auf dem oszi sieht man das.
http://www.youtube.com/watch?v=Jbc20PGKO_E
Die Schwankung ist Punktuell, vlt 100ns lang, aber sehr heftig, 10V und 
mehr.
Ich weiß daher nicht, in wie fern die Ausschläge auf Masse durch 
Induktion oder Übertragung kommt.
Mich wundert es halt, dass es immer erst einige hundert ns nach dem 
schalten auf On-entsteht. Es könnte vlt sein, dass im Ladeprozess der 
Spule sich die Eingangskondensatoren zu sehr entladen, dass NT versucht 
nachzuregeln und dann über-regelt.

[Christian S. (christianstr)]

Das sieht mir sehr nach einem Schwingkreis aus. Die Spannungsspitzen 
sind immer an der gleichen Stelle, auch die Amplitude ist nahezu 
konstant. Außerdem hast du diese Schwingungen auch während deiner 
off-Zeit, zwar nicht so hoch, aber sie sind mit scheinbar dem gleichen 
Verlauf vorhanden wie während der on-Zeit. Veränder mal die 
Ausgangskapazität und guck nach, ob sich was ändert.

[WISO_MASSE (Gast)]

Problem ist das die meisten Bauteile in der Schaltung für die 
Schaltfrequenz zu langsam sind.
Zum Beispiel hat der LM358 nur ein unity-gain von ungefähr 700kHz. Das 
bedeutet das ein Signal von 400kHz nicht mal um den Faktor 2 verstärkt 
werden kann. Das was man hört ist die Regelschwingung durch die 
zulangsame Ausregelung.

[Christian S. (christianstr)]

WISO_MASSE schrieb:
> Problem ist das die meisten Bauteile in der Schaltung für die
> Schaltfrequenz zu langsam sind.
> Zum Beispiel hat der LM358 nur ein unity-gain von ungefähr 700kHz. Das
> bedeutet das ein Signal von 400kHz nicht mal um den Faktor 2 verstärkt
> werden kann. Das was man hört ist die Regelschwingung durch die
> zulangsame Ausregelung.

Wenn sich die Spannung am LM358 mit 400kHz ändern würde, hätte er die 
Spule zu klein ausgelegt. Man kann also annehmen, dass der Strom nahezu 
konstant bleibt.

[J. Hebeler (Gast)]

>>Wenn sich die Spannung am LM358 mit 400kHz ändern würde, hätte er die
>>Spule zu klein ausgelegt. Man kann also annehmen, dass der Strom nahezu
>>konstant bleibt.
Das sollte auch der sinn des ganzen sein. Zudem wirkt sich das 
Feedbacksignal nur Indirekt aus. Wenn zu viel Strom da ist wird 
abgeschaltet ansonsten wird eh nach den zeit geregelt.
Aber ich hab gerade festgestellt, das die Spannungsschwankungen mit dem 
Schalten des oberen Mosfets zuzsammenhängen, bzw nur an den 
Schaltflanken auftreten. Ich habe auch unterschiedliche Ausgangs und 
Eingangskapazität getestet und festgestellt, dass es nicht daran liegt. 
Wenn ich so darüber nachdenke ist es sogar sinnvoll, da der IR2184 eine 
verzögerung von ~600-800ns hat und damit immer nach den Schaltflanken(im 
Video glaube ich gelbes Signal) erst den Mosfet steuert, damit ergibt 
sich die Verzögerung.
Die frage ist nun, ob man diese Spannungsschwankungen mit einem Snubber 
weg bekommt, oder ob man da möglichst viele extrems low-esr Elkos 
platzieren sollte?

[Christian S. (christianstr)]

J. Hebeler schrieb:
> Aber ich hab gerade festgestellt, das die Spannungsschwankungen mit dem
> Schalten des oberen Mosfets zuzsammenhängen, bzw nur an den
> Schaltflanken auftreten. Ich habe auch unterschiedliche Ausgangs und
> Eingangskapazität getestet und festgestellt, dass es nicht daran liegt.
> Wenn ich so darüber nachdenke ist es sogar sinnvoll, da der IR2184 eine
> verzögerung von ~600-800ns hat und damit immer nach den Schaltflanken(im
> Video glaube ich gelbes Signal) erst den Mosfet steuert, damit ergibt
> sich die Verzögerung.
> Die frage ist nun, ob man diese Spannungsschwankungen mit einem Snubber
> weg bekommt, oder ob man da möglichst viele extrems low-esr Elkos
> platzieren sollte?

Ah, da kommen wir der Sache schon näher. Ich bin davon ausgegangen, dass 
das Rechtecksignal die Spannung vor der Spule ist und nicht die 
Gatespannung. Dann sind das Überschwinger, die durch den niedrigen ESR 
der Ausgangskapazitäten nicht genügend gedämpft werden. Ein Snubber 
sollte hier wirklich Abhilfe schaffen.
Wenn du da mal etwas gemacht hast, würde mich das Ergebnis mal 
interessieren :) Nicht, dass ich hier doch Mist erzählt habe und dann 
dumm sterbe ;)

[J.Hebeler (Gast)]

>>Dann sind das Überschwinger, die durch den niedrigen ESR
>>der Ausgangskapazitäten nicht genügend gedämpft werden. Ein Snubber
>>sollte hier wirklich Abhilfe schaffen.
>>Wenn du da mal etwas gemacht hast, würde mich das Ergebnis mal
>>interessieren :) Nicht, dass ich hier doch Mist erzählt habe und dann
>>dumm sterbe ;)
So, nachdem ich nun einen Snubber mit 300nF und 9Ohm/1W über den 
Schalter platziert habe, ist ein Teil der Störung weg, aber noch nicht 
alles.
Weiß jemand, welche Dimensionierung ich da nutzen sollte?
Hab jetzt 4 verschiedene Quellen gefunden, die alle etwas anderes 
behaupten. Von 100nF pro A bis hin zu ca 2 mal Ausgangskapazität + 
Lastkapazität.
Hat jemand einen Rat oder Link für mich?

MfG J.Hebeler

[Christian S. (christianstr)]

Ich würds auf Anhieb so probieren, wie hier im Forum beschrieben

$$R=\sqrt{\frac{L}{C}}$$

und

$$C=10\cdot\frac{\sqrt{LC}}{R}$$

Ich glaub, das ist aber recht unkritisch. Du kannst ja aus der Frequenz 
der Überschwingern erkennen, wie schnell bzw. träge der Snubber sein 
muss und an der Amplitude, wie sehr er dämpfen muss. Ich denke mal, das 
kann man recht gut abschätzen.

[Christian S. (christianstr)]

Achja, was mir noch einfällt: Ist glaub ich einfacher, erst den 
Kondensator zu dimensionieren, um sich auf eine Größenordnung 
einzustellen.

$$\sqrt{LC}$$

 ist die Resonanzfrequenz, die du ziemlich einfach aus deinem 
Oszillographierten nehmen kannst, das C, mit dem gerechnet wird, ist 
näherungsweise die Summe deiner Kondensatoren im Leistungsteil.

[J. Hebeler (Gast)]

Ich komme im Moment auf keinen grünen Zweig mit meinem Snubber.
Ich habe im Moment 200nF und 1.1kOhm/2W, was die Schwingungen beim 
Ausschalten schön eliminieren, aber nicht komplett die Schwingungen beim 
Einschalten.
Deutlich zu sehen ist dies auf der IN-Leitung es IR2184 und leicht in 
der Ausgangsspannung. Das Summen wurde etwas leiser, ist aber immer noch 
da.

Laut Oszi hab ich folgende Daten:
f_schalt=400kHz
T_peak = 20ns
C_ausgang = 44µF
L_ausgang = 50µF

Berechnet man nach T=sqrt(L*C) den Kondensator, so kommt 8pF heraus. 
Doch die Frage ist, soll dass der Snubber-Kondensator sein oder die 
Kapazität mit der man weiter rechnen soll.
Ist zweiteres der Fall, so kommt man auf 1Ohm für R, ~200nF für C und 
einer Verlustleistung von 4kW, was vlt etwas hoch ist. Mit anderen Wegen 
komme ich auf ein C von 440µF.
Also im ganzen: entweder bin ich zu dumm den Artikel zu verstehen und 
das richtig zu berechnen oder irgendetwas wird unzureichend erklärt.

MfG J.Hebeler

[J. Hebeler (Gast)]

So, da ich nicht davon ausgehe, dass mir irgendwer meine Werte 
berechnet, habe ich mich schnell selber daran gemacht.
Kurzer Hinweis: ich habe die Induktivität auf 10µH verringert.
So, gestartet wird mit dem Zusammenhang (1)

$$T = \sqrt{L*C}$$

, wobei T die Periodenzeit der Störgröße ist, in meinem Fall ca 25ns(s.H 
Bilder) und L die Induktivität des Kreises ist, in meinem Fall 10µH.
Umgestellt ergibt sich für C:

$$C = \frac {T^{2}} {L}$$

 und damit C = 62.5pF.
Dann berechnet man Rsn mit (2)

$$R_[sn} = \sqrt{ \frac{L}{C}}$$

, bzw wenn man die Formel aus (1) einsetz erhält man

$$R_{sn} = \frac{L}{T}$$

 und damit in meinem Fall r_sn = 400 Ohm.
Nun kann man C_sn mit (3)

$$C_{sn} = \frac{10*\sqrt{L*C}}{R_{sn}}$$

, bzw durch einsetzten aus (1):

$$C_{sn} = \frac{10*T}{R_{sn}}$$

 und in meinem Fall 625pF.
Sehe ich das richtig?

MfG J.Hebeler

(1):http://www.wolframalpha.com/input/?i=(25ns)%5E2%2F10%C2%B5H
(2):http://www.wolframalpha.com/input/?i=10%C2%B5H%2F%2825ns%29
(3):http://www.wolframalpha.com/input/?i=(25ns)*10%2F%5B10%C2%B5H%2F(25ns)%5D

[J. Hebeler (Gast)]

*(2)

$$R_{sn} = \sqrt{ \frac{L}{C}}$$

[Johannes E. (cpt_nemo)]

Eine recht zuverlässige Methode für die Dimensionierung des Snubbers 
ist, die Kapazität des Kondensators (experientell) so zu bestimmen, dass 
sich die Schwingfrequenz ungefähr halbiert. Dabei keinen Widerstand in 
Reihe schalten. Wenn man den passenden Kondensator gefunden hat, kann 
der Widerstand mit R = 1/(2*pi*f*C) berechnet werden. f ist die neue 
Resonanzfrequenz und C die Kapazität des Snubber-Kondensators.

Die Induktivität der Speicherdrossel hat dabei nichts zu bedeuten; die 
Schwingungen werden durch die Induktivitäen der Leiterbahnen und 
Bauteile bestimmt; diese liegen eher im nH-Bereich. Deswegen muss der 
Kondensaotr deutlich größer werden als du berechnet hast; vermutlich im 
Bereich von ein paar nF.

Was sind denn die Signale in deinem Screen-Shot? Sind das Gate-Signale 
oder die Spannung in der Brücke?

Es wäre auch möglich, dass die Störung dadurch zustande kommt, dass für 
einen kurzen Zeitpunkt beide Mosfets gleichzeitig an sind. Wenn der 
Highside-Transistor hart anschaltet, bekommt man ein sehr großes du/dt 
am Drain des unteren Mosfets. Wenn das Gate nicht sehr niederinduktiv 
angesteuert wird bzw. wenn die Masse nicht gut ist, kann es passieren, 
dass der untere Mosfet kurz einschaltet.

Dagegen würde evtl. ein höherer Gate-Widerstand helfen. Oder noch besser 
eine Parallelschaltung aus Widerstand und Diode in den Gate-Leitungen, 
so dass beim Ausschalten die Diode wirksam ist (Kathode in Richtung 
Gate-Treiber) und beim Einschalten der Strom durch den Widerstand 
fließen muss. Damit kann man den Einschaltvorgang langsamer machen und 
der Ausschaltvorgang bleibt trotzdem schnell.

[J. Hebeler (Gast)]

>>Was sind denn die Signale in deinem Screen-Shot? Sind das Gate-Signale
>>oder die Spannung in der Brücke?
Es ist keine H-Brücke, sondern ein Synchronschaltregler.
Gelb ist der Signalverlauf an dem TTL in-Pin des Treibers und Blau der 
Spannungsverlauf am Drain des High-Side Mosfet.
>>Es wäre auch möglich, dass die Störung dadurch zustande kommt, dass für
>>einen kurzen Zeitpunkt beide Mosfets gleichzeitig an sind
Danke für den Tipp. Werde ich mal untersuchen.
>>Die Induktivität der Speicherdrossel hat dabei nichts zu bedeuten; die
>>Schwingungen werden durch die Induktivitäen der Leiterbahnen und
>>Bauteile bestimmt; diese liegen eher im nH-Bereich. Deswegen muss der
>>Kondensaotr deutlich größer werden als du berechnet hast; vermutlich im
>>Bereich von ein paar nF.
Danke. Wird im Wiki nicht so ganz deutlich.

[J.Hebeler (Gast)]

So, es Funktioniert jetzt.
Was habe ich also geändert: Alles.
Ich habe den alten Aufbau komplett ersetzt durch einen neune, der 
diesmal auf einer geätzen Platine sitzt und siehe da: sehr viel weniger 
Probleme. Ich denke mal, ich hatte im alten Lochraster-Aufbau(Schande 
über mich) zu viele Fehler im Design und der Anordnung, der Masseführung 
und was sonst noch dazu gehört.

Aber im alten Design hatte ich mit 10nF und 1 Ohm das beste Ergebnis als 
Snubber über den schalter

MfG J.Hebeler