Guten Abend, es geht um die Dimensionierung eines Eingangsfilters für den DC/DC-Wandler Tracopower TSR 1-2450. Hängt damit zusammen, dass das davorgeschaltete Schaltnetzteil vor dem springenden Verbrauch seines Nachfolgers geschützt werden soll. (500 KHz Schaltfrequenz) Jetzt geht es darum, dass bei einem KerKo mir das Ding zu sehr schwingt (s. Sprungantwort bei Eingang Puls 0-24v) und in seiner Resonanzfrequenz eine viel zu kleine Dämpfung aufweist bzw. gefährlich nahe an den Stabilitätsrand kommt. (s. Bodediagramm) Somit muss ich etwas an dem ESR der Kondensatoren machen. Entweder ich schalte einen kleinen Widerstand in Reihe (der aber eine relativ große Leistung zu verbraten hätte, egal ob 1 oder 5 Ohm) oder ich benutze einen ElKo, wobei das Problem ist, dass sich keiner finden lässt mit benutzbarem max Ripple Current sowie einem passend großem ESR. (Wobei anzumerken ist, dass der ESR häufig gar nicht verzeichnet wird) Lektion - Ende. Könnte mir jemand auf die Sprünge helfen? Danke im Voraus :)
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Ab besten geht es mit einer Kombination von Keramik-Kondensatoren ca. 10µ und stromkompensierter Drossel am Eingang des DCDC-Wandlers. Das verbessert auch die Qualität der Ausgangsspannung bezüglich Spikes usw. Manche Wandler werden auf der Sekundärseite noch etwas störarmer, wenn man Primär- und Sekundär mit einem kleinen Kondensator verbindet. Wer es noch besser braucht, baut auch sekundär noch die gleiche Kombination wie primär ein. Wie sich jetzt speziell dieser Traco verhält, weiß ich nicht. Muss man ein bisschen spielen. Jedenfalls gilt es zu vermeiden, sekundär zu große Kapazitäten zu verwenden, da dann der DCDC u. U. nicht mehr startet.
Hallo Thomas.S und danke für die Antwort, in der Form kannte ich das bisher nicht wirklich. (Höchstens im zusammengebauten Zustand in etwa BNX005-01) Werde bisschen rumspielen, danke für den Tipp. Beim Ausgang kenne ich das mit der maximalen Lastkapazität (Beim TRACO ist diese bei 470uF) Könntest du mir sagen, wie man auf die Kapazität des Zwischenkondensators (bei dir 10nF) kommt? Ich meine, man hat da teilweise den Ripple des ersten Schaltnetzteils+den unregelmäßigen Verbrauch des zweiten+den Ausgangsripple des zweiten. P.S: im ersten Beitrag ist nochmal zum Vergleich ein Bild mit drei Diagrammen - ohne Eingangsfilter und mit. (Stromverbrauch aus der ersten Qualle ist der rote Graph) Der Unterscheid ist da, allerdings ist der Einschwingvorgang mit zu großen Schwingern versehen...
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Die Kapazität C3 habe ich an einem DCDC stufenweise erhöht, die Wirkung auf die Ausgangsspannung nimmt irgendwann nicht mehr zu. Daher ergab sich ein Wert in dieser Größenordnung. Die stromkompensierten Drosseln (z.B. von Würth) musst du gesund überdimensionieren, damit sie nicht in die Sättigung kommen.
Achja: Gut und schön, deine Simulation. Aber so ganz ohne den Traco dran...ist das wirklich aussagekräftig? Wärme den Colt an und los gehts!
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>Lektion - Ende. Könnte mir jemand auf die Sprünge helfen?
Schalte dem Cap einen Snubber (C und R in Reihe) parallel. Im Anhang ist
es ein Elko. Es geht aber auch beispielsweise 4µ7 plus 2R2.
@Thomas.S: Im ersten Beitrag ist ein Bild mit drei Diagrammen - ohne Eingangsfilter und mit versch. ESR (Stromverbrauch aus der ersten Quelle ist der rote Graph) Da ist als Last ein DC/DC-Wandler mit 400 kHz angeschlossen. Oder meintest du das Bodediagramm? Wird gemacht, Sir! ;) @Kai Klaas: Sieht nicht schlecht aus, aber dann müsste ich diese Wärmequelle von Widerstand irgendwie von der restlichen Schaltung fernhalten. Davon abgesehen wäre das auch ein ziemlich dicker "Shunt".
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Es ist mir nicht klar, wie du das Verhalten des Tracos simulierst
Hallo, Kai Klaas schrieb: >>Lektion - Ende. Könnte mir jemand auf die Sprünge helfen? > > Schalte dem Cap einen Snubber (C und R in Reihe) parallel. Im Anhang ist > es ein Elko. Es geht aber auch beispielsweise 4µ7 plus 2R2. auch keine schöne Lösung.. @Archangel N Der Kondensator vor dem Traco, in diesem Bild "CLC-Filter_Einbau.PNG" C6 ist viel zu klein im Verhältnis zur Induktivität. Ich würde beide Serienwiderstände entfernen, Zusätzlich vorm Traco einen 100µF Elko oder so platzieren. Dann kannst du auch den Eingangsstrom vorm Traco besser puffern. Wenn du das ganze wegen der EMV machst, würde ich an beiden Seiten der Spule noch einen kleinen(Bauform) ~10nF platzieren. Dann wirkt dein Filter auch bei höheren Frequenzen. Die 10nF hab sind nur eine Schätzung, du kannst aber mal die Schaltflanken des Tracos messen, für diesen Bereich soll dein Filter stark dämpfen.
Ich verstehe nicht warum du nicht den von dir bereits angesprochenen Elektrolytkondensator verwendet. Mit seinen relativ höheren ESR bedämpft er die Schwingneigung ungemein und dadurch das er auch einen höheren ESR besitzt gibt es auch kein Problem mit der Wechselstrombelastung da diese von den Kondensatoren (=Keramikkondensatoren) übernommen wird. Weiterhin ist auch die Welligkeit der Spannung reduziert wodurch die Wechselstrombelastung in allen Kondensatoren sinkt. Bedenke das die Zuleitung und Spule (auch) einen ESR besitzt was die Schwingneigung des Systemes noch zusätzlich reduziert.
Als Erstes danke für die Rückmeldungen Leute. @Thomas.S: Von Linear Technology (Von den ja auch LTSpice ist und es somit auch so ziemlich alle Regler von den drin gibt) habe ich einen DC/DC-Wandler genommen, bei dem Strom, Spannung und Schaltfrequenz den benötigten entsprechen. Es denn, du weißt wie ich einen unbekannten DC/DC-Wandler nachahmen kann - für bessere Vorschläge bin ich natürlich offen :) @Franz F: Vielen Dank für den Tipp mit den 10nF-Kondensatoren, werde ich testen. Dargestellt habe ich nur den Filter, der Stützkondensator mit einem kleinen ESR und 220uF ist ebenfalls hinter den Filter verschaltet. Ich werde es mal durchsimulieren nach deinem Vorschlag. @Nachtaktiver: Ich würde liebendgern einfach einen Elko benutzen, aber ich kenne keinen mit ausreichendem maximalen Ripple Current UND größerem ESR. Wenn der Ripple Current mal über 1000mA geht, dann ist es natürlich gleich ein Low/Lowest-ESR Exemplar (Selbstverständlich. Wohin auch sonst mit der ganzen Wärme?) Und was Widerstand der Zuleitung und der Spule betrifft: Die Spule hat 9, max 10mOhm und die Zuleitung ist als Polygon ausgelegt und laut "length-freq-ri" von EAGLE vernachlässigbar.
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Archangel N. schrieb: > @Nachtaktiver: Ich würde liebendgern einfach einen Elko benutzen, aber > ich kenne keinen mit ausreichendem maximalen Ripple Current UND größerem > ESR. > Wenn der Ripple Current mal über 1000mA geht, dann ist es natürlich > gleich ein Low/Lowest-ESR Exemplar (Selbstverständlich. Wohin auch sonst > mit der ganzen Wärme?) Und was Widerstand der Zuleitung und der Spule > betrifft: Die Spule hat 9, max 10mOhm und die Zuleitung ist als Polygon > ausgelegt und laut "length-freq-ri" von EAGLE vernachlässigbar. Vergiss die Künstliche Erhöhung des ESRs, das macht dir nur thermische Probleme. Ich würd generell auf Bauteile mit niedrigeren ESR tendieren. So hab ich mir das vorgestellt, nicht dass wir uns missverstehen 0-24V------------~8,2µH~------------------Traco | | | | | 4,7µ 10n 10n 4,7µ 100µ | | | | | GND----------------------------------------
Ist doch immer schön wenn Probleme auftauchen die es in der Natur nicht gibt. Das Datenblatt sagt was von "internen Kondensatoren" und, dass man keine externen braucht (erst ab 32V am Eingang 22uF). Wenn man ein "Class A" Filter am Eingang braucht, dann sollte man halt auch nicht die billigsten Elkos nehmen, die China im Angebot hat. Es soll ja auch noch andere Bauformen geben z.B. den Wickelkondensatoren. Zudem wäre dann wohl ein Filter am Ausgang auch zu überlegen. Sollte in der Natur doch ein Problem auftauchen, braucht man halt erst mal mehr C, dann mehr L und wenn es dann nicht reicht noch Last also R, und sollte sich dann auch Gedanken machen, ob das Ding auch für den Zweck taugt. Übrigens steht da was von 2ms Anlauf und 250us Reaktionszeit (50% Laständerung).
>@Kai Klaas: Sieht nicht schlecht aus, aber dann müsste ich diese >Wärmequelle von Widerstand irgendwie von der restlichen Schaltung >fernhalten. Wieso denn Wärmequelle?? Der Widerstand bedämpft doch nur die Resonanz. >Davon abgesehen wäre das auch ein ziemlich dicker "Shunt". Hast du verstanden, daß mein Schaltplan die Serienersatzschaltungen der beteiligten Caps zeigt? >auch keine schöne Lösung.. Linear Technology empfiehlt in einem Datenblatt genau das gleiche. Also kann es nicht soo falsch sein. >Ich würde beide Serienwiderstände entfernen, Zusätzlich vorm Traco einen >100µF Elko oder so platzieren. Genau das zeigt doch mein Bild. >Wenn du das ganze wegen der EMV machst, würde ich an beiden Seiten der >Spule noch einen kleinen(Bauform) ~10nF platzieren. Dann wirkt dein >Filter auch bei höheren Frequenzen. Aber der 10nF Cap bildet mit dem 4µ7 Cap eine Resonanz und das bewirkt genau das Gegenteil. >@Nachtaktiver: Ich würde liebendgern einfach einen Elko benutzen, aber >ich kenne keinen mit ausreichendem maximalen Ripple Current UND größerem >ESR. Hast du denn nicht gesehen, daß ein ESR von 300mR bei einem 100µF Elko bereits ausreicht, um die Resonanz akzeptabel zu bedämpfen?? >Wenn der Ripple Current mal über 1000mA geht, dann ist es natürlich >gleich ein Low/Lowest-ESR Exemplar Aber der fließt doch nicht durch den Elko, sondern durch den parallelgeschalteten 4µ7 Cap. Und der hat einen ESR im mR-Bereich.
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Archangel N. schrieb: > Könnte mir jemand auf die Sprünge helfen? Hmm... ja... Auch wenn Du jetzt beleidigt sein wirst: Deine Simulation ist meiner Meinung nach völlig wertlos. Begründung: Erstens bin ich anhand der vorliegenden Diagramme der Meinung, dass Du das verwendete LT-Simulationsmodell nicht völlig korrekt verwendet hast. Zweitens ist die Übertragbarkeit eines LT-Modelles auf einen Traco-Schaltregler zweifelhaft. Drittens ist ein Schaltregler ein Regelkreis. Die "Schwingungen", die Du siehst, können also Regelschwingungen sein, die auf sehr unerwartete Weise von der äußeren Beschaltung abhängen. Viertens ist das Einschalten der Versorgungsspannung für einen Schaltregler ein außergewöhnlicher Zustand (--> Sanftanlauf), die daraus gewonnene "Sprungantwort" ist für den Normalbetrieb des Reglers völlig ohne Aussagekraft. Fünftens: Ein Schaltregler ist, wie der Name sagt, ein System, in dem geschaltete Komponenten vorhanden sind. Geschaltete Komponenten sind nichtlinear im Sinne der Systemtheorie. Eine Übertragung der üblichen "LTI"-Denkweise ist nur mit äußerster Vorsicht zulässig! Wir können jeden dieser Punkte tiefer diskutieren; ins Blaue hinein schreibe ich aber keine Romane, die doch keiner liest.
Hallo auch dir Possetitjel ;) Danke für die Warnung, dass mich das beleidigen könnte. Beleidigen tut es mich nicht, sonst hätte ich meine Frage nicht in einer Diskussionsrunde (Forum) gestellt. Man bekommt zwar keine Euphorie dadurch, aber es wird wohl was dahinterstecken. Zurück zum Thema: Als Erstes habe ich einen möglichen Filter simuliert - Sprungantwort und Bodediagramm. Schon da gefiel mir das Ganze nicht (Da der Filter selbst schon, auch ohne Last, bei 25 kHz-300kHz jede erdenkliche Phasenreserve zum Stabilitätsrand überschritt. Und ich habe um Hilfe/Meinungen/Alternativen gebeten. Da mir kein LTSpice-Modell des TRACOPOWER-Wandlers bekannt ist, nehme ich ein LT-Modell mit einer ähnlichen Spannung/Stromstärke/Schaltfrequenz. Hättest du eventuell einen anderen Vorschlag, wie man es angehen sollte? Aktuell ist es mir wichtig, Dinge vorstellen, herleiten und simulieren zu können. Dass ich alle meine virtuellen Experimente paar Nächte lang am Oszilloskop prüfen werde, ist selbstverständlich. Und all die Leute hier haben verschiedenste Erfahrungen/Kenntnisse gesammelt. Aktuell geht es darum, eine annähernde Lösung zu finden. Wir sind soweit, dass wir sagen - keine Widerstände in Reihe. Evtl. reicht auch ein LC-Filter. Aktuell suche ich eine stromkompensierte Drossel, einen Vierpol. Bezüglich soft-start-Funktion etc. hast du Recht, jedoch simuliere ich nicht nur den Start, sondern auch den gesamten Einschwingvorgang. Und jetzt, nachdem ich alles erzählt habe, könntest du mir verraten, wie du vorgehen würdest? :)
Ich kann um ehrlich zu sein dein Problem einfach nicht nachvollziehen. Hier haben viele Leute dir viel Input gegeben und du drehst dich einfach weiterhin im Kreis. Kai hat dir eine Simulation mit echten Bauteilen (inkl. Parasitären Eigenschaften) und hat dir gezeigt wie das in der Praxis aussehen könnte. Weiterhin verstehe ich dein Problem der Dimensionierung deiner Schaltung nicht - Möchtest du ein Transientes Überschwingen (Zeitbereich) oder Resonanzüberhöhung (Frequenzbereich) verhindern? Eine Simulation der Sprungantwort ist nur wichtig wenn du testen möchtest ob die Spannungs kurzzeitig Überschwingt (maximal um Faktor 2) und deine Eingangsbeschaltung zerstören kann. Für einen klassischen Schaltregler ist das völlig falsches Testszenario. Was hat der Begriff "Phasenrand" und "Stabilität" bei einen Filter zu suchen? Es handelt sich hierbei um ein passives und nicht rückgekoppeltes System - irgendwie mischt du hier ganz schön viele Begriffe miteinander! Es ist doch völlig normal das ein Netzwerk bei jeder Polstelle anfängt die Phase zu drehen.
1. Als erstes musst du dir Gedanken machen "Was muss mein Filter können?" - Möchtest du deine Quelle vor Leitungsgebundenen Störungen schützen? - Möchtest du deine Quellspannung Filtern da diese zu viele Störungen enthält? - Welche Störungen (=Spektrale Anteile) enthält meine Spannungsquelle? - Welche Störungen (=Spektrale Anteile) verursacht mein Regler? - Erwarte ich Gleichtaktstörungen? - Erwarte ich Gegentaktstörungen? - Überspannungsschutz notwenig? - Leistungsbereich - Volumen& Platzbedarf 2. Mit diesen Grundüberlegungen kannst du nun Eigenschaften ableiten: - Benötigte Dämpfung in einen festgelegten Frequenzbereich - Maximale Frequenz bei dem der Filter noch wirksam sein soll - Ist ein überschwingen in der Sprungantwort erlaubt? - Im welchen Bereich dürfen keine Resonanzeffekte auftreten? 3. Mit diesen Überlegungen kann man nun: - Sich für eine Topologie Entscheiden: Hier: Passiver Filter - Charakteristik (Hier ein Tiefpassfilter) - Topologie: RC-RC Filter, LC-Filter, CLC-Filter, LCL-Filter... 4. Dimensionierung und Simulation - Reale Bauteileigenschaften berücksichten! (ESR, ESL, Cp, Rp, Kopplung von Drosseln..) Es ist ein Unterschied ob ich ein Signal, eine Spannungsversorgung oder Störeinstrahlungen aus der Umgebung unterdrücken möchte!
Ok, gut. Mein Filter hat die Aufgabe den gepulsten Stromverbrauch des nachgeschalteten DC/DC-Wandler auf einem konstanten Niveau zu halten. Mehr nicht, kein Ausgangsripple glätten etc. Der DC/DC-Wandler hat eine Schaltfrequenz von 500 kHz, somit möchte ich wohl die hochfrequenten Vielfachen dieser Frequenz bis in den unteren MHz-Bereich filtern. Sagen wir 10 MHz. Dämpfung...muss eben so groß wie möglich und so klein wie nötig sein ;) Ab dem MHz-Bereich sollte sie die Störfrequenzen um etwa 20-40 dB schwächen. Die DC/DC-Wandler haben max. IN/OUT Stromstärke von 1A, also etwas drüber dimensionieren. Das sind alle Daten. Nun... welche Topologie sollte man nehmen? Wenn ich beispielsweise wieder den ganz oberen LCL-Filter verwenden will, welche Bauteile bräuchte ich dann? Für Spule nehme ich meinetwegen die hier: L-242418FPS mit 8,2µH, DCR max: 53,3 mOhm und Irms: 3,1 A Aber was ist mit den Kondenatoren? Bis auf den Ripple Current (60 mArms) pasts der: http://www.reichelt.de/Elkos-SMD-Low-ESR-105-C/VF-4-7-50-K-B/3/index.html?&ACTION=3&LA=2&ARTICLE=84735&GROUPID=4001&artnr=VF+4%2C7%2F50+K-B
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Du nimmst ein Pi-Filter, also CLC. Dieses solltest du bedämpfen, entweder durch einen ohmschen Widerstand in Serie zur Drossel oder durch einen Snubber parallel zu den Caps. Bedämpfung durch einen Serienwiderstand funktioniert so, daß du R > SQRT(2L/C) wählst. Bei 8,2µH und 4,7µF muß R > 1,9Ohm sein. Das ist in der Regel zuviel, weil der Laststrom daran einen zu großen Spannungsabfall erzeugt. Nimmst du einen Elko, sieht die Geschichte schon günstiger aus. Mit 100µF ergibt sich: R > 0,4Ohm. Das liegt im Bereich des ESR des Elko, sodaß kein zusätzlicher Serienwiderstand erforderlich ist, um die Resonanz zu bedämpfen. Der Elko liefert ihn dir! Der ESR ist zwar gut zur Bedämpfung der Resonanz des Filters, aber der Ripplestrom des Switchers erzeugt daran einen zu großen Spannungabfall. Deswegen schaltet man dem Elko gerne einen keramischen Cap paralllel. Ein 4,7µF X7R hat ein ESR im Milliohmbereich. Bei 500kHz hat er rund 70mOhm Impedanz. Der Ripplestrom des Switchers fließt also ausschließlich durch den X7R. Nur rund 1/5 fließt durch den Elko. Wenn das nicht reicht, nimmt man einen größeren keramischen Cap, oder schaltet zwei parallel. Wenn du gar keinen Elko verwenden willst, kann man auch einen anderen Snubber verwenden. Behalte den 4,7µF X7R und schalte nun beispielsweise eine Reihenschaltung aus 2,2R Widerstand und 4,7µF X7R parallel. Die Reiheschaltung ersetzt nun den Elko. Wieder fließt der überwiegende Ripple des Switchers durch den einzelnen 4,7µF X7R und nur ein Bruchteil durch den Snubber. Nur rund 1/30 des Ripplestroms fließt nun durch den Snubber. Die Parallelschaltung aus Cap plus Snubber kannst du am Eingang und am Ausgang des Pi-Filters nehmen. Du mußt nicht unbedingt einen 100µF Elko nehmen. Dieser liefert dir eine Resonanzfrequenz des Filters im kHz -Bereich. Auch kleinere Elkos können sehr effektiv snubbern. FÜr die Drossel nimmst du eine Ausführung mit möglichst hoher Resonanzfrequenz. 5-Lochferrite sind da ganz hervorragend geeignet.
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Damit wir uns richtig verstehen - meinst du das so?
Parallel zu C8 auch noch einen 100u Elko...
Eine sehr umfassende Antwort Kai, gefällt mir!
Von mir natürlich auch vielen Dank für alles und an all die helfenden Leutchen hier :) Ich werde bisschen mit den Filtern rumspielen müssen, schätze ich mal - wie man einen DC/DC-Wandler simuliert, bleibt wohl erstmal außen vor...
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