Effizienz von LM2676 verbessern

[Tobias P. (hubertus)]

Hallo Kollegen

ich habe da eine Frage. Und zwar habe ich einen DC/DC Wandler gebaut mit 
LM2676. Einmal für Eingangsspannung 28..36V auf 24V, und dann von den 
24V auf 3.3V runter und auf +/-5V. Die Schaltung ist gemäss LM2676 
Datenblatt-Prozedur penibel genau berechnet und sollte so eigentlich 
funktionieren. Was sie auch tut. Allerdings stelle ich fest, dass die 
Effizienz nicht so gut ist wie gewünscht.

Ich habe mal mit der Infrarot-Kamera ein paar Bilder gemacht. Zuerst als 
Referenz ein Bild des ausgeschalteten Reglers (poweroff.png). Danach bei 
eingeschaltetem Regler also mit 28V Eingangsspannung (unloaded.png) und 
dann noch zwei Bilder wo jeweils der 24V Zweig und der 3.3V Zweig mit 
rund 2.5A belastet werden. Wie ihr seht, wird das Ding recht warm. Die 
LM2676 habe ich mit vielen Vias auf eine Massefläche auf der Unterseite 
der Leiterplatte angebunden, die dann als Kühlkörper fungieren sollte 
und die die Wärme auch in der Tat sehr effektiv aufnimmt. Trotzdem finde 
ich, das Teil wird zu warm. Wo konnte ich beginnen zu optimieren, um die 
Verlustleistung zu senken?



Edit:
habe noch einen Schreibfehler im Foto gesehen. Es sollte 3.3V heissen, 
nicht 12V, habe da in geistiger Umnachtung was falsch Beschriftet :-)

[MiWi (Gast)]

Tobias Plüss schrieb:
> Hallo Kollegen
>
> ich habe da eine Frage. Und zwar habe ich einen DC/DC Wandler gebaut mit
> LM2676. Einmal für Eingangsspannung 28..36V auf 24V, und dann von den
> 24V auf 3.3V runter und auf +/-5V. Die Schaltung ist gemäss LM2676
> Datenblatt-Prozedur penibel genau berechnet und sollte so eigentlich
> funktionieren. Was sie auch tut. Allerdings stelle ich fest, dass die
> Effizienz nicht so gut ist wie gewünscht.
>
> Ich habe mal mit der Infrarot-Kamera ein paar Bilder gemacht. Zuerst als
> Referenz ein Bild des ausgeschalteten Reglers (poweroff.png). Danach bei
> eingeschaltetem Regler also mit 28V Eingangsspannung (unloaded.png) und
> dann noch zwei Bilder wo jeweils der 24V Zweig und der 3.3V Zweig mit
> rund 2.5A belastet werden. Wie ihr seht, wird das Ding recht warm. Die
> LM2676 habe ich mit vielen Vias auf eine Massefläche auf der Unterseite
> der Leiterplatte angebunden, die dann als Kühlkörper fungieren sollte
> und die die Wärme auch in der Tat sehr effektiv aufnimmt. Trotzdem finde
> ich, das Teil wird zu warm. Wo konnte ich beginnen zu optimieren, um die
> Verlustleistung zu senken?
>
>
>
> Edit:
> habe noch einen Schreibfehler im Foto gesehen. Es sollte 3.3V heissen,
> nicht 12V, habe da in geistiger Umnachtung was falsch Beschriftet :-)

Wird heiß bei 60W und dann nur 45°C auf diesem engen Raum ist... eh 
nicht soooo übel.

ohne Iin/Uin Iout/Uout und entsprechnder Wirkungsgradrechnerei geht da 
nix.....


ohne die fehlenden Schaltungsunterlagen kann man aber auch nur... raten. 
Oder meinst Du die Optimierungen lassen sich ohne Schaltplan, ohne 
Messwerte und vor allem ohne Layout anhand ein paar Fotos erledigen? 
Abgesehen davon - Deine Bilder zeigen, daß du die Wärmeableitung 
irgendwie verschustert hast - sehr kompakte Hotspots.


Grüße

MiWi

[Tobias P. (hubertus)]

> Wird heiß bei 60W und dann nur 45°C auf diesem engen Raum ist... eh
> nicht soooo übel.

Hmm ja eigentlich schon nicht. Ist zwar etwas länger her, aber 'früher' 
hatte ich schon paar Schaltregler mit dem LM2676 aufgebaut, und ich 
hatte die deutlich 'kühler' in Erinnerung ;-)

Schaltbilder sind im Anhang, sorry, ist vorhin vergessen gegangen.

Gruss

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

Tobias Plüss schrieb:
> stelle ich fest, dass die Effizienz nicht so gut ist wie gewünscht.
Nur anhand der Temperatur? Hast du ausser den "gefühlten" Werten auch 
Messdaten? Welche Eingangsleistung bei welcher Ausgangsleistung bei 
welcher Belastung?

Tobias Plüss schrieb:
> Schaltbilder sind im Anhang
Der Feedbackpfad sieht in diesem Schaltplan ganz anders aus als auf 
deinem Layout. Im Layout koppelst du nämlich die Spannung nach der Spule 
zurück, und nicht die eigentlich interessante Spannung vom 
Ausgangskondensator.
Ja, klar ist das "nur" eine Kleinigkeit, aber du willst ja ein paar % 
mehr Wirkungsgrad herausholen. Und mit einem suboptimalen Layout wirst 
du immer unnötige Verluste haben...

Hier meine Überlegungen zum Thema:
http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layout-Schaltregler

[Tobias P. (hubertus)]

> die Spannung nach der Spule
ja stimmt, nur dachte ich mir dass das in diesem Fall nicht so eine 
Rolle spielen kann, weil die Spule ja über eine relativ grosse Fläche 
mit den Kondensatoren verbunden ist.

Den 3. Kondensator habe ich nun auch noch eingesetzt, habe dort 
allerdings einen keramischen genommen. Der Rippel wird in der tat noch 
ein wenig besser, aber die Effizienz eigentlich nicht. Ein- und 
Ausgangsleistung werde ich nachher noch messen.

[Michael X. (Firma: vyuxc) (der-michl)]

Häng mal ein Oszi an den Switchnode und schließ ne Last an. Wenn du 
Probleme hast siehst du sie so am Besten.
Außerdem wären ein paar Werte nicht schlecht: Wie hoch ist nun der 
"schlechte" Wirkungsgrad? Bei Vout=3,3V frisst die Freilaufdiode schon 
um die 10%.

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

Tobias Plüss schrieb:
> nur dachte ich mir dass das in diesem Fall nicht so eine Rolle spielen
> kann, weil die Spule ja über eine relativ grosse Fläche mit den
> Kondensatoren verbunden ist.
Du denkst falsch. Für hohe Frequenzen ist das eben nicht das selbe 
Potential. Und an der Spule hast du hohe Frequenzen. Probiers aus.

[Tobias P. (hubertus)]

Gemessen hab ich das Zeug natürlich ;-)

Im Anhang ein paar Bilder.

Eingangsspannung 28V.
Eingangsstrom 2.33A.
Ausgangsspannung 23.9V.
Ausgangsstrom 2.5A.

Erstes Bild: Switchnode positive Flanke. Es klingelt ein kleines 
bisschen, aber ich glaube das ist noch nicht so schlimm oder?

Zweites Bild: Switchnode, etwas herausgezoomt.

Drittes Bild: Rippel am Ausgangskondensator.

Viertes Bild: Mein Tastkopf-Adapter ;-)

[Georg W. (gaestle)]

Bei mehr als 90% Wirkungsgrad wirst du nicht mehr viel herausholen 
können. Die Erwärmung ist dem kleinen Bauraum geschuldet. Kannst du das 
Layout noch ändern (mehr Kupfer, Inseln usw.) damit die Abwärme besser 
verteilt wird? Die beiden Module in der Mitte scheinen thermisch 
schlecht angebunden zu sein.


Tobias Plüss schrieb:
> Viertes Bild: Mein Tastkopf-Adapter ;-)
Genau für solche Messungen sind die Federn auch da. Es könnte sein, dass 
die Nadeln noch länger sind, hier löst dein Scope zu grob auf 
(Samplerate oder Auflösung des Bildschirms zu gering).

[Mark S. (voltwide)]

Die Regelung arbeitet nicht 100% stabil:
Der ripple zeigt Schwingungen über mehrere Zyklen (subharmonic 
oscillation),
und das stimmt überein mit den erkennbar unterschiedlichen 
Einschaltzeiten, gemessen am switch node.
Das sind dann die Schaltregler, die unter irgendwelchen Lastbedingungen 
Piepsen, Pfeifen oder Rauschen....
Und Instabilitäten führen in der Praxis i.a. zur verringertem 
Wirkungsgrad

[W.S. (Gast)]

Tobias Plüss schrieb:
> Schaltbilder sind im Anhang

Jaja.
Was erwartest du eigentlich bei so einer Auslegung des 3.3V Reglers?
Bedenke mal den Spannungsabfall an der Diode!

Also, für 3.3 Volt und höheren Strom sollte man heutzutage einen 
diskret aufgebauten Synchron-Regler nehmen, also ein Synchron-Controller 
plus zwei externe FET's, z.B. TPS40057 und Konsorten. Bei denen wird der 
Drossel-Rückschlag nicht mehr per Schottkydiode angefangen, sondern per 
FET und das spart die dort verbratenen 0.4..0.8 Volt ein.

Die Welt ist voll von solchen Reglern, z.B. TI hat von sowas Dutzende 
Typen. Und wenn du dir nen DUAL-FET im SO8 dranklemmst, dann kommst du 
sogar mit nur 2 Quasi-IC's aus. Das braucht genauso viel Platz auf der 
LP wie dein Konstrukt aus SimpleSwitcher und Schottky-Diode.

W.S.

[WehOhWeh (Gast)]

Wenn man sich deine Bilder so ansieht, dann kann man erkennen, dass sich 
die Wärme auf deinem Board schlecht verteilt. Es scheint eine Art 
thermischer Trennung zwischen links unten und rechts oben zu geben. Das 
würde ich mal wegmachen. Mehr Fläche -> geringeres RTH.

Die Dioden sind für 3A auch etwas käsig unterwegs, die haben ja schon 
>0,5V. Vor allem bei den 3V3. Da kommt man schon allein damit auf 1W 
oder so.

Für das nächste Projekt würde ich mir modernere Regler suchen. Schöne 
für 3A wären z.B. Jene hier:

http://www.ti.com/product/lm43603
https://www.monolithicpower.com/Products/Product-Detail?ProductID=747

Der MPS kostet nur 1/3 vom Faustkeil, und du sparst dazu die Diode.
Den Ti ist teurer, man bekommt ihn dafür leichter.

Was sie dem Faustkeil voraushaben:
- gescheites Enable (mit Hysterese)
- niederohigerer FET drin
- externe Kompensation
- Synchrongleichrichtung

Fairchild und Linear könnten auch noch was haben.

[Mehmet K. (mkmk)]

MPS kann ich auch empfehlen. Ich setze den kleinen MP1584 ein und bin 
damit sehr zufrieden. Auch der Online- bzw. Offline-Designer ist eine 
praktische Sache.
Wenn Du es nicht eilig hast: bei aliexpress sind viele MPS Produkte 
erhaeltlich.