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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Dimensionierung Eingangskondensator StepDown Wandler


Autor: Bernd Stromberg (Gast)
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Hallo,

ich habe eine Frage zum Eingangskondensator für einen StepDown-Wandler.
Ich habe eine Schaltfrequenz von 500 kHz, Eingangsspannung von 48 V und 
eine Ausgangsspannung von 43 V bei 350 mA konstanten Ausgangsstrom.
Im Referenzdesign kommen zwei 4,7 µF 100 V 1206 Keramikondensatoren zum 
Einsatz. Diese sind jedoch sehr teuer, sodass ich da gern etwas 
optimieren möchte.
Rein rechnerisch habe ich bei diesem Duty Cycle und der Frequenz eine 
Off-Zeit von 200 ns.
Nach der Formel C = (I*t)/U würde ich bei einem Strom von 350 mA auf 
eine Eingangskapazität von 1,5 nF kommen.
Das bedeutet, dass ich auch die günstigeren 1 µF Kondensatoren verwenden 
könnte, oder?

Vielen Dank :)

Autor: Lord1337 (Gast)
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Hallo,

um welchen Step-Down wandler handelt es sich denn? Oft gibt es 
ausführliche Dimensionierungsbeispiele dazu.

Gruß

Autor: Hurra (Gast)
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Bernd Stromberg schrieb:
> Das bedeutet, dass ich auch die günstigeren 1 µF Kondensatoren verwenden
> könnte, oder?

Nein, definitiv nicht.

Wie groß der Eingangskondensator sein kann, hängt davon ab, wiviel 
Rippelspannung am Eingang du zulassen willst.

In vielen Datenblättern wird das so angegeben (hier Beispiel: MP4570):
https://www.monolithicpower.com/DesktopModules/DocumentManage/API/Document/GetDocument?id=3004

Auf S18 findest du das.

--> Die Größe hängt von Spannungsverhältnis, dem Rippelstrom und deinen 
Anforderungen ab.

Eine unsaubere Abschätzung für sehr faule Leute:
Xc = 1/(2*PI*f*C)  --> C >= 1/(2*PI*f*Xc)
Wenn du den Rippelstrom kennst, kannst du einen geeignet großen 
Kondensator wählen. Nehmen wir mal an, du hast 0,5A, 500kHz und lässt 
100mV zu brauchst du z.B. ein Xc von 0,2Ohm, was ein C von 1,6µF.
Aber: 100mV sind schon viel. Das ist HF-Spannung, die du in die 48V 
zurückspeist.

Ich würde empfehlen, mindestens 4µ7 zu nehmen.

Sei dir im klaren darüber, dass der Eingangskondensator einen höheren 
Rippelstrom tragen muss als der Ausgangskondensator!

Autor: Bernd Stromberg (Gast)
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Es handelt sich um den LED6000 LED-Treiber und wenn ich so darüber 
nachdenke, gab es doch eine Formel, die ich verdrängt habe.
4,7 uF sind denke ich wirklich okay. Danke :)

Autor: Michael B. (laberkopp)
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Bernd Stromberg schrieb:
> Im Referenzdesign kommen zwei 4,7 µF 100 V 1206 Keramikondensatoren zum
> Einsatz.

Das wird seinen Grund haben.

Normalerweise sage ich: Die Eingangskondensatoren baulich so gross wie 
die Ausgangskondensatoren, denn ein Schaltregler transportiert pro 
Impuls eine Energiemenge hindurch, und baulich gleich grosse 
Kondensatoren haben ähnliche Coloumb-Werte.

ABER: Kondensatoren haben viele störende Eigenschaften, bei Keramik vor 
allem die nachlassende Kapazitäöt bei hoher Gleichspannung, aber auch 
Verluste die dazu führen daß sie warm werden wogegen sie eine bestimmte 
Oberfläche brauchen um die Wärme wieder los zu werden, und einen 
Innenwiderstand der zu Verlusten bei hohen Rippleströmenm führt, und 
eine Induktivität die bei hohen Frequenzen ihre Wirkung behindert.

Da nicht alle diese störenden Daten bekannt sind, und sich von 
Hersteller zu Hersteller unterscheiden, und auch das Platinenlayout eine 
Rolle spielt, messen Hersteller die Schaltung durch, und, weil sie 
optimale Werte im Datenblatt haben wollen, wählen sie die optimalen 
Bauteile aus, nachgemessen im Ergebnis.

Klar kannst du drauf scheissen und es so bauen wie du denkst. Wundere 
dich aber nicht, wenn dann die Schaltung explodiert oder zumindest nicht 
so gut funktioniert wie sie könnte.

Die rein theoretische Betrachtung nur der Hauptwerte der Bauteile 
liefert einen Startpunkt ab dem man mit der Schaltungsoptimierung 
anfangen kann, liefert aber nie die optimalen Ergebnisse.

Autor: Hurra (Gast)
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Michael B. schrieb:
> Normalerweise sage ich: Die Eingangskondensatoren baulich so gross wie
> die Ausgangskondensatoren, denn ein Schaltregler transportiert pro
> Impuls eine Energiemenge hindurch, und baulich gleich grosse
> Kondensatoren haben ähnliche Coloumb-Werte.

Disem Irrtum bin ich auch schon aufgesessen. Das ist aber gefährlich 
falsch. Grund:
Der Ausgangskreis hat einen kleinern Rippel zu tragen, nämlich nur den 
durch die Induktivität bestimmten. Der Eingangskreis bekommt zusätzliche 
einen Rippel in der Höhe des Ausgangsstromes ab. Oben drauf.

Hier wird es schön beschrieben:
http://rohmfs.rohm.com/en/products/databook/applinote/ic/power/switching_regulator/capacitor_calculation_appli-e.pdf

Daher:
Mit Daumenregeln und Vermutungen ist Vorsicht geboten.

Im Konkreten Fall wäre noch eine zusätzliche Warnung angebracht:
Bei 48V sollte man unbedingt die DC-bias-Charakteristik des Kerkos 
prüfen. Die ist hier relevant. Daher: Konkreten Typen beim Hersteller 
prüfen.

Autor: Michael B. (laberkopp)
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Hurra schrieb:
> Hier wird es schön beschrieben:

Die sagt nichts anderes.

Es beginnt mit einer willkürlichen Festlegung des Ripple (in und out). 
Würde man die straightforward auslegen, z.B. Ripple 1% von Spannung, 
sowohl bei in als auhc bei out, dann kommt exakt dieselbe Ladungsmenge 
für Eingang und Ausgang bei raus.

Im Prinzip dürfte man beim Eingang sogar einen Ripple zulassen, der die 
Spannung nur nicht unter die minimale Eingangsspannug absacken lässt. 
Aber dann wird jeder Eingangskondensator wegen Stromüberlastung platzen.

Auch der Strom verhält sich proportional: Zwar ist der Impulsstrom bei 
Eingang und Ausgang gleich hoch, aber der mittlere Strom ist bei höherer 
Spannung kleiner und bei kleinerer Spannung höher, eben genau so daß 
dieselbe Leistung transportiert wird.

Auch verhält sich der ESR kapazitätsbezogen: Halbe Kapazität hat 
normalerweise doppelten ESR und verträgt nur den halben Strom, bei 
Kondensatoren gleicher Bauweise.

Neben dem Schätzwert klann man natürlich noch genauer rechnen (das tun 
die dann auch, z.B. Kapazitätsverlust durch höhere Spannung) aber 
letztlich wird man optimieren durch Messung.

Autor: DCDC (Gast)
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Hallo,

also ich würde so vorgehen:

1.Welligkeit der Spannung wählen (Design Parameter) z.B. 1% der Spannung
  => Für den Kapazitätswert ergibt sich eine untere Grenze Cmin
  => Für den ESR des Kondensators ergibt sich dabei ein Maximalwert
2.Effektivwert des Stromes durch Kondensator berechnen (hier 
ICEFF=0,1-0,11A)
  grob kalkuliert aufgrund der Angaben
  => Damit ergibt sich der nötige minimale "Ripple Current" für den
  Kondensator
3.Kondensator wählen der beiden Anforderungen und dann Sicherheit 
draufschlagen. Dabei ist zu beachten, dass der Kapazitätswert bei 
Keramikkondensatoren von der Spannung! (drastisch bei einigen), 
Temperatur! abhängt. Zudem ist die Anfangstoleranz der Kapazität 
mitberücksichtigen. Dies alles führt zur Wahl eines deutlich größeren 
Kondensatorwertes. Auch ist der zulässige "Ripple Current" manchmal von 
der Frequenz abhängig spezifiziert. (Als Beispiel ist ein Datenblatt 
verlinkt: http://www.farnell.com/datasheets/415308.pdf)

Gruß DC/DC

Autor: Hurra (Gast)
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Michael B. schrieb:
> Es beginnt mit einer willkürlichen Festlegung des Ripple (in und out).
> Würde man die straightforward auslegen, z.B. Ripple 1% von Spannung,
> sowohl bei in als auhc bei out, dann kommt exakt dieselbe Ladungsmenge
> für Eingang und Ausgang bei raus.

Hmm. Da has du recht.

Denn die Ladung, die in den Ausgang fließt, wenn man den Switch 
einschaltet, kommt aus dem Eingangskondensator. Also stimmt, die sollten 
gleich sein.

Danke für die Korrektur!

Autor: DCDC (Gast)
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Hallo,

das glaube ich nicht ganz. Die Menge an Ladung, die durch den Ausgangs-C 
beim Step-Down fliessen muss ist von der Größe der Induktivität 
abhängig. (Theoretisches) Extrembeispiel, falls L-> unendlich kann man 
den Ausgangs C weglassen und trotzdem keine Welligkeit. Der 
Eingangskondensator würde aber trotzdem ein deutlich Welligkeit sehen.

Gruß DC/DC

Autor: Michael B. (laberkopp)
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DCDC schrieb:
> falls L-> unendlich kann man
> den Ausgangs C weglassen und trotzdem keine Welligkeit. Der
> Eingangskondensator würde aber trotzdem ein deutlich Welligkeit sehen.

Ach was, wenn es schon um unrealitsische Vorgaben geht, ist dann einfach 
die Eingangsspanunng unendlich und es tut Tastverhältnis 0.

Autor: DCDC (Gast)
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Michael B. schrieb:
> Ach was, wenn es schon um unrealitsische Vorgaben geht, ist dann einfach
> die Eingangsspanunng unendlich und es tut Tastverhältnis 0.

Ok dann einfacher, bei einer gegebenen Induktivität L (1.Fall) einfach 
den Wert vervierfachen 4L und dann sieht der Ausgangs-C nur 1/4 der 
Ladungsänderung, wie im ersten Fall da diese proportional zur 
Stromwelligkeit ist.

Gruß DC/DC

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