Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Spannungsversorgung von max 34V auf 3,3V und 5V


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von Marcel P. (souko)


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Hallo µC-Gemeinde,
ich stehe vor einer kleinen Herausforderung bei einem anstehenden 
Projekt.

Ich möchte eine Schaltung bauen, die einen ATXMega verwendet und einige 
weitere Bausteine.
Unter anderem ein Leistungstreiber für Schrittmotoren für maximal 34V 
Versorgung.
Die Logikspannung der ganzen Schaltung beträgt aber 3,3V für die IC's 
Sowie 5V für ein Display und eine Can-Bus-Schnitstelle.

Da ich die ganze Schaltung aus einem einzigen Versorgungsanschluss 
speisen möchte, suche ich nun eine Möglichkeit eine Variable 
Eingangsspannung von ca. 18 V bis max. 34V auf 5V und 3,3V herzunter zu 
Regeln.

Da sich meine Erfahrungen zu Spannungsversorgung von solchen Schaltungen 
bisher auf Steckernetzteile, 78XX-Regler und fertige Traco-Bausteine 
beschränken und vorallem nicht soo große Differenzen der Spannungen 
hatten, würde ich gerne einige Tipps aus eurer reichen Erfahrung 
erhalten, welche Kombination denn zu Empfehlen wäre. Folgende Wege und 
Technologien schweben mir momentan in Gedanken:

Die 34V auf 5V regeln, und aus dem 5V die 3,3 V regeln:

18V bis 34V ---->  5V  ----> 3,3V

oder beide Versorgungen paralell aus den 34V:

18V bis 34V ---->  5V
            ---->  3,3V

Mit welchen Technologien realisiere ich das ?

Traco-Bausteine (teuer ?)
Step-Down-Wandler (kompliziert ?)
linearregler (große Verluste ?)

Vielen Dank schonmal,
Grüße, Marcel

von Klaus (Gast)


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Der R-78HB5.0-0.5 ist ein Dreibein(schalt)regler von Recom und verträgt 
9V bis 72V als Input. Ähnliches gibt es auch bei den anderen 
Verdächtigen wie Traco, ...

MfG Klaus

von dommy (Gast)


Angehängte Dateien:

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Mal ein Ausschnitt aus einem FPGA-Projekt.

VG

von abc.def (Gast)


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von Marcel P. (souko)


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WOW,
das soo schnell Antworten kommen hätte ich nicht gedacht, Danke !

Der R-78HB5.0-0.5 hört sich schonmal nicht schlecht an und ist sogar bei 
Conrad verfügbar (also relativ einfach zu bekommen)
Allerdings schlägt der Preis mit 14 Euro / Stück schon hoch an, dafür 
ist es einfach ;-)

Der Schaltplan von dommy ist natürlich Genial, nur leider ist der 
Schaltregler LMZ14203 wohl nicht so einfach zu bekommen. Habe auf die 
Schnelle keinen Dist. gefunden.

Der Link zu Ebay ist ja nett gemeint, aber ich wollte schon gerne alles 
auf eine Platine bringen ;-)

Hm, euren Postings entnehme ich insgesamt, das ein Schaltregler als 
fertiger Baustein (ob nun der LMZ oder der R-78 ist egal) die beste Wahl 
ist, für meine Lösung ?

von dommy (Gast)


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Den Schaltregler gibt's im deutschen Farnell 
(http://de.farnell.com/texas-instruments/lmz14203htz/leistungsmodul-42v-3a-7topmod/dp/1872929RL), 
oder direkte kostenlose Sample-Anfrage bei TI 
(http://www.ti.com/product/lmz14203, kann ich nur empfehlen für Tests). 
Wobei das eventuell zu oversized ist für dein Projekt, da der Baustein 
3A hergibt, was für nen µC + CAN nicht notwendig ist. Den Baustein 
gibt's auch mit 1A (http://www.ti.com/product/lmz14201)

VG

von Ben S. (theben)


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Schaltregler zu teuer?
Linearregler zu viel Verluste?

Es gibt kein 0815 Rezept nach dem man vor gehen kann.
Wenn dir die Schaltregler zu teuer sind dann dann halte ein 
linearregler. Wenn dein Projekt nicht mit einer Batterie/Akku versorgen 
musst, dann scheiß doch auf die paar Verluste.

Ich würde immer in einen Parallelen Aufbau gehen.
Beim Liearregler hast du ja Verluste und je mehr die Schaltung 
verbraucht des do mehr Verluste hast du auch an diesen Reglern. Wenn du 
jetzt alles in Reihe Schaltest hast du dann die Verluste die durch das 
3.3V Netz verursacht werden zweimal an beiden regler.

Wie aber schon gesagt es gibt Schaltregler die beides eingebaut haben.

von Ulrich (Gast)


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Die Wahl des Reglers hängt vom Stromverbrauch ab. Der µC wird bei 3,3 V 
vermutlich nicht viel brachen - da wäre ein Linearer Regler von 5 V auf 
die 3,3 V wohl richtig, sofern das mit der Reihenfolge des 
Spannungsaufbau hinkommt.

Für die 5 V ginge ein Linearregler bei wenig Strom. Mit maximal 30 V 
Differenzspannung gibt das ca. 1 W an Verlusten bei etwa 30 mA. Für 1-2 
W an Verlusten hält sich der Kühlkörper noch in Grenzen. Bei 35 V sind 
aber schon nicht mehr alle Regler geeignet und der 7805 grenzwertig.

Ein Schaltregler wird interessant, wenn der Strom höher wird. Der 
LMZ14203 ist z.B. schon mal reichlich groß und sonst vergleichbar mit 
dem R-78HB5.0-0.5 , also ein relativ teures fertiges Modul. Möglich wäre 
ggf. auch ein Schaltregler aus IC und extra Spule / Beschaltung.

von Peter K. (peter_ph)


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Die Meinungen sind unterschiedlich. (glücklicherweise)

Nach meiner bisherigen Erfahrung würde ich zwei Step-Down-Schaltregler 
nehmen.
Doch vorsicht bei höheren Schaltfrequenzen (>500kHz). Sie stellen höhere 
anforderungen ans Layout.
Und ich würde sie nicht in Reihe Schalten (also nicht 34V ---> 5V ---> 
3.3V), da Schaltregler immer eine geringe Restwelligkeit aufweisen und 
es ärgerlich wäre, wenn der 5V-Regler damit den 3.3V-Regler beeinflusst.

Zu bedenken wäre vieleicht auch, wie der Leistungetreiber des Mortors 
die 34V beeinflusst, aber meiner Erfahrung nach, sind die meisten 
Schaltregler da auch sehr robust.

Falls du ein konkretes Bauelement möchtest:
wenn du kein Extreme-Low-Power brauchst und auch genug Platz für etwas 
größere Induktivitäten hast: der LM2594 ist mein Lieblings-Converter.
Doch wie gesagt: schön niederfrequent, dafür große Spulen :)

von Schlumpf (Gast)


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von Marcel P. (souko)


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Erneut Danke für die schnellen Antworten !

ZU teuer ist mir ein Schaltregler keines Falls !  Wenn die gesammte 
Schaltung eben 20-50 Euro mehr kostet, ist das auch in Ordnung, denn es 
soll etwas robustes, gescheites werden !
Natürlich versuche ich auf den Preis zu achten, aber wenns eben nicht 
andes geht, dann ist das so.. Punkt ;-)

Zum Stromverbrauch: die 3,3 Volt werden in der Tat nicht allzuviel 
belastet. Der XMega (128A1 um genau zu sein) dazu der TMC249 von 
Trinamic plus eine SD-Karte. Sowie ca 5-8 LED's als Statusanzeige 
(Low-Current)

Auf den 5V wird der Can-Bus Treiber wohl ein bischen mehr Strom brauchen 
sowie das Display mit Hintergrundbeleuchtung und der FTDI-Chip.
Ausserdem möchte ich mit den 5V noch ein bischen Reserve bereit stellen, 
um einen Erweiterungsport zu versorgen für spätere eigene Anwendungen 
von Benutzern.

Das Argument mit den doppelten Verlusten und der gegenseitigen 
Beeinflussung bei Reihenschaltung ist definitiv berechtigt, was mich zu 
der Entscheidung bringt, es lieber Paralell auszuführen.

Das Problem mit einem Diskret aufgebauten Schaltregler und den 
Layout-Anforderungen war mir so noch garnicht bewusst. Da ich sowieso 
schon genug "emfpindliche" Bereiche auf der Platine haben werde 
(SPI-Bus, Leistungsteil in SMD, etc), möchte ich es mir hier natürlich 
"vereinfachen".

Es schein mir also das beste zu sein, wenn ich hier auf eine fertige 
Lösung wie z.B die TSR1 von Traco zurück greife, da die anderen Lösungen 
sich untereinander Preislich nicht viel schenken.

Danke nochmals, das ihr eure Erfahrungen so offen teilt ;-)

von John (Gast)


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von GB (Gast)


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TI LM5642, TPS43333-Q1, LM25119, TPS43350-Q1, TPS43351-Q1
Diodes AP2001
Rohm BD9842F

Die TI-Chips sind die moderneren und sind Synchron-Step-Down-Controller 
(brauchst halt externe Mosfets) mit Strom-Überwachung.

von Peter K. (peter_ph)


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Marcel Peterkau schrieb:
>
> Das Problem mit einem Diskret aufgebauten Schaltregler und den
> Layout-Anforderungen war mir so noch garnicht bewusst. Da ich sowieso
> schon genug "emfpindliche" Bereiche auf der Platine haben werde
> (SPI-Bus, Leistungsteil in SMD, etc), möchte ich es mir hier natürlich
> "vereinfachen".
>

SPI-Bus ist doch nicht empfindlich!!! :D

Ich kann mich noch gut erinnern, wie ich mit einem 1MHz-Buck-Boost von 
LT wochenlang sporadische Ausfallprobleme hatte, bis ich das empfohlene 
Layout hast schon nanometerweise nachemfunden habe.

Zuvor habe ich daran auch keine Gedanken verschwendet.

von Peter K. (peter_ph)


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Wenn wir schon dabei sind, weiß jemand, wie der vom TO ausgewählte TRS1 
von Traco aufgebaut ist?

Lt datasheet: "The new TSR-1 series step-down switching regulators..."

Also Step-Down-Schaltregler.
Im Application Note ist aber keine externe Induktivität zu sehen (außer 
optional beim Input-Filter).
Bedeutet das, dass der Regler eine interne hat?
Das kannte ich bisher nicht.

von Marcel P. (souko)


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Öhm, so wie ich das jetzt auf mehren Seiten lese, sind die Traco TSR1 
Pinkompatibel zu der 78xx-Serie.

das heisst, Spannung rein, GND auf die Mitte und Spannung raus ohne 
externe Bauteile, oder ?
Gut, ein biscchen Hünerfutter wie Elkos und so zum Glätten und 
Stabilisieren. Aber mehr ist da ja nicht nötig.

von Peter K. (peter_ph)


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Marcel Peterkau schrieb:
> Öhm, so wie ich das jetzt auf mehren Seiten lese, sind die Traco TSR1
> Pinkompatibel zu der 78xx-Serie.
>
> das heisst, Spannung rein, GND auf die Mitte und Spannung raus ohne
> externe Bauteile, oder ?
> Gut, ein biscchen Hünerfutter wie Elkos und so zum Glätten und
> Stabilisieren. Aber mehr ist da ja nicht nötig.


Genau so sehe ich das im Datasheet auch!
für einen Schaltregler viel zu einfach, daher auch meine Frage :)

Mir fehlen mindestens eine Diode und eine L.

: Bearbeitet durch User
von Marcel P. (souko)


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OK, hier Zitat aus dem DEUTSCHEN (ich bin begeistert !) Datenblatt ;-) :

> Die neue Serie der TSR-1 Step-down Schaltregler sind prädestiniert dafür 
>uneffektive
> 78xx Linearregler zur ersetzten.. Der extrem hohe Wirkungsgrad von bis zu
> 96 % ermöglicht den Betrieb bei Vollast bis +60 °C Umgebungstemperatur ohne
> Einsatz eines Kühlkörper oder erzwungener Luftkühlung.
> Die TSR-1 Regler erfüllen weitere wesentliche Merkmale von Linearreglern: Eine
> hohe Ausgangsgenauigkeit (± 2 %), niedriger Stand-by Strom von 2 mA und
> benötigt keine externen Kondensatoren. Der hohe Wirkungsgrad und der niedrige
> Stand-by Verbrauch machen diese Schaltregler zu einer idealen Lösung für eine
> Vielzahl batteriebetriebener Applikationen.

: Bearbeitet durch User
von Cyblord -. (cyblord)


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Peter K. schrieb:
> Genau so sehe ich das im Datasheet auch!
> für einen Schaltregler viel zu einfach, daher auch meine Frage :)
>
> Mir fehlen mindestens eine Diode und eine L.

Auf die Idee dass die Bauteile alle in dem Gehäuse schon drin sind, und 
das evt. kein nackter Schaltregler-IC ist, kommst aber nicht? Und darum 
ist das Ding auch recht teuer.

von Peter K. (peter_ph)


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Steht im englischen genauso.
Ich suche gar nicht mehr nach deuschen Datenblättern, weil sie so selten 
sind.


Ich bin nur überrascht, sollte da die Induktivität (wegen ihrer Große) 
und die Diode (wegen ihrer Leistung) intern verbaut sein.

: Bearbeitet durch User
von Klaus (Gast)


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Marcel Peterkau schrieb:
> das heisst, Spannung rein, GND auf die Mitte und Spannung raus ohne
> externe Bauteile, oder ?
> Gut, ein biscchen Hünerfutter wie Elkos und so zum Glätten und
> Stabilisieren. Aber mehr ist da ja nicht nötig.

Ja, und das gilt auch für die Recoms et al und im Prinzip auch für die 
LMZxxx von Ti oder die Power Module von Würth. Das ist Silizium plus 
Ferrite plus optimiertes Layout

Peter K. schrieb:
> Na gut, wenn sich nicht noch Jemand meldet, der beschreibt, wie es
> intern funktioniert, dann kannst du das ja einfach bestellen, die 2 Pins
> kurz an ein Netzteil anschließen, am 3. messen und dann mal bitte
> berichten, ob es auch das tut, was es soll.

Für meine Bastelleien nehme ich nur Recom/Traco, hab auch schon in 
fertigen Geräten 7805 ersetzt, um eine größere Eingangsspannung ohne 
Überhitzung zu verwenden zu können. Hab aber auch schon LMZ und Würth 
verwendet.

MfG Klaus

von Dietrich L. (dietrichl)


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Peter K. schrieb:
> Ich bin nur überrascht, sollte da die Induktivität (wegen ihrer Große)
> und die Diode (wegen ihrer Leistung) intern verbaut sein.

Traco baut selber ja keine ICs (?), sondern nur komplette Schaltregler 
in verschiedenen "Verpackungen".
Die Größe der Induktivität hängt (auch) von der Schaltfrequenz ab, und 
die Leistung der Diode von ihrem Typ oder der Schaltung 
(Synchron-Gleichrichter = geschalteter Transistor). Also das passt schon 
in das Gehäuse :-)

Gruß Dietrich

von Peter K. (peter_ph)


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Okay, Danke :)

kannte ich bisher nicht.

von Ulrich (Gast)


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Das ist schon ein fertiges Modul mit Induktivität und Wohl auch 
Kondensatoren mit drin. Die externe Diode brauchen einige Schaltregler 
ICs, es gibt aber auch einige wenige mit interner Diode und welche mit 
Synchrongleichrichtung und internem MOSFET. In der Leistungsklasse hier 
sollte es noch ohne externe MOSFETs gehen. Das 7805 kompatible Modul von 
Connrad ist da schon keine so schlechte Wahl. Die Alternative ist halt 
ein IC mit Spule, Kondensatoren und ggf. Diode. Braucht etwas Zeit für 
die Auslegung und meist größer, ist dann aber von den Bauteilen eher 
günstiger.

Da sowieso schon ein Motortreiber mit auf der Platine ist, sind die 
Störungen eines Schaltreglers eher nicht so viel mehr - ggf. halt etwas 
hochfrequenter.

Die Reihenschaltung macht schon Sinn: den Schritt von 5 V auf 3,3 V kann 
man gerade bei geschätzten 10-50 mA noch ganz gut per low Drop Regler 
machen. Dafür lohnt ein extra Schaltregler nur, wenn die Leistung 
wirklich knapp ist.

von Marcel P. (souko)


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Hmm,
der Schritt von 5V auf 3,3V ist in der Tat besser mit einem 
LowDrop-Regler zu lösen. Vorallem da ich gerade sehe, das ein TS 1086 
CP33 bei Reichelt 33 Cent kostet.
Der kann zwar bis 1,5A, aber ist dafür schön Günstig. Ausserdem, mehr 
ist ja nicht schlimm. Dann kann ich die 3,3V auch an dem geplanten 
Erweiterungsport zur Verfügung stellen.

Es wird wohl ein TSR 1-2450 mit einem Nachgeschalteten TS 1086 CP33 
werden.

Ist mit 7 € eine gute Lösung.

Danke an euch alle ^^

Grüße, Marcel

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