Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spikes am Stepdownwandler / PWM, die 7283ste


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von Andreas F. (andgset)


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Hallo liebes Forum,

ich bin immernoch dabei einen Stepdown-Wandler diskret aufzubauen, den 
Schaltplan findet Ihr oben (den Kurzschluss der Gates habe ich 
mittlerweile entfernt, ohne Veränderung). Angesteuert wird er mit einem 
200kHz PWM-Signal.

Soweit funktioniert alles wie gewünscht, lediglich auf die Spikes am 
gefilterten Ausgangssignal, immer zu den PWM-Schatlzeitpunkten, kann ich 
mir keinen Reim machen. Gemessen wurde mit einem 1GHz Aktivtastkopf an 
einem 450MHz Oszi, mit minimaler Masseleitung, wenn erwünscht kann ich 
ein Bild vom Aufbau hochladen.

Bild_2 zeigt das ungefilterte PWM-Signal direkt vor der Speicherdrossel 
in gelb, und in lila das gefilterte Ausgangssignal.

Ich frage mich wo die Spikes herkommen, und wie man sie wegbekommt, da 
ich den LC-Schwingkreis aus Tastkopfkapazität und Leitungsindulktivität 
mittlerweile ausschließe. Ist die MOSFET-Kombination überhaupt sinnvoll?

Vielen Dank und viele Grüße,
Andreas

: Verschoben durch Moderator
von ArnoR (Gast)


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Andreas F. schrieb:
> Ich frage mich wo die Spikes herkommen

Drosselkapazität

Andreas F. schrieb:
> und wie man sie wegbekommt

langsamer schalten; zweistufig filtern

von Fern Schnätzer (Gast)


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Andreas F. schrieb:
> Ich frage mich wo die Spikes herkommen

Von den Schaltplanken, und davon dass der Ausgangskondensator
die hohen Frequenzanteile nicht schlucken kann.

Andreas F. schrieb:
> und wie man sie wegbekommt

Schalte kleine keramische Kondensatoren paralell. Es kann
sehr entscheidend sein welche Masseverbindung die
Kondensatoren bekommen.

von Andreas F. (andgset)


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ArnoR schrieb:
> Drosselkapazität

Im Datenblatt ist eine Reihenresonanz bei 90MHz angegeben. Sehe ich es 
Richtig dass die Spikes demnach Schwingungen um die 90MHz sind, für die 
die Reihenimpedanz des Schwingkreises ihr Minimum hat?

Fern Schnätzer schrieb:
> Schalte kleine keramische Kondensatoren paralell. Es kann
> sehr entscheidend sein welche Masseverbindung die
> Kondensatoren bekommen.

Komisch ist dass am Ausgang direkt nach der Spule bereits 100nF und 
2x10uF X7R hängen. Die Masseleitung der 
N-Ch-Source-Drain-Drossel-Ausgangskondensator-Masche ist 2mm breit, und 
dick mit Lötzinn überzogen. Könnte es sein dass bei 90MHz bereits der 
Skineffekt zuschlägt und das Zinn nicht zuträglich ist?

ArnoR schrieb:
> langsamer schalten;

Wie macht man das am besten? An den Gates hingen bei obiger Messung 
bereits 100R. Weiter erhöhen oder C parallel zur Gate-Source-Strecke?

PS: Danke fürs verschieben...

von Gerd E. (robberknight)


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Andreas F. schrieb:
> Ich frage mich wo die Spikes herkommen, und wie man sie wegbekommt

Du hast keine Totzeit zwischen Abschalten des einen FET und Anschalten 
des anderen. Wegen der unterschiedlichen Schaltzeiten der FETs kann es 
da für einen kurzen Moment zu einem Kurzschluss kommen (Shoot-through). 
Das ist eines der Nachteile von synchronen Wandlern.

Miss vielleicht mal wie stark dieser Effekt bei Dir ist, z.B. zwischen 
Masse und N-Fet einen Shunt und damit dort den Strom messen.

Was dagegen hilft, wäre eine Totzeit einzuführen. Evtl. kriegt man das 
pro Gate mit 2 antiparallelen Dioden und unterschiedlichen 
Gatewiderständen für Laden und Entladen hin. Kann aber ein wenig 
Gefummel werden die richtigen Werte zu finden.

Auf der Ebene der Ansteuerung ist es meist leichter die passenden Zeiten 
zu wählen. Aber bei Dir mit den einzelnen Gattern natürlich etwas 
aufwendiger umzusetzen, braucht eine weitere Stufe Gatter mit 
RC-Gliedern, Dioden etc.

von Dieter (Gast)


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Die Transienten genau während des Umschaltens sind schon an richtigen 
Stelle. Etwas schwächer werden diese öfters, wenn man statt der MOS 
internen Freilaufdioden, richtige Schottky Dioden parallel schaltet.

Bau mal in den Sourcepfad von M12 einen kleinen Widerstand ein und Messe 
dort den Verlauf.

von Kevin K. (nemon) Benutzerseite


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Wie sieht das Layout aus? -> Gutes Bild vom Platinenlayiutprogramm
Wie sieht die Platine aus? -> Gutes Foto der bestückten Platine
Wie sind die Tastköpfe angebracht?
Das ist vermutlich nicht der ganze Schaltplan, da der 
Eingangskondensator fehlt, du redest vom 100 Ohm an den Gates, ich sehe 
aber 22 im Schaltplan, ... Zeige bitte alles relevantes!

von Jürgen W. (Firma: MED-EL GmbH) (wissenwasserj)


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Die Spikes sind wohl das Resultat von
1. der parasitären Kapazität der Drossel und
2. des ESR deiner Ausganskapazität und
3. durch den Querstrom in den MOSFETs  beim Umschalten kann evtl. auch 
genügend Spg. in deinen Tastkopfanschluß induziert werden - ein paar cm2 
Schleifenfläche genügen dafür schon.

Du könntest außerdem eine einfach Totzeit generieren, indem Du parallel 
zu den 22R-Widerständen jew. eine Diode hängst (d.h. Anode beim Gate); 
das beschleunigt das Entladen.

von der schreckliche Sven (Gast)


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Und zwar so.

von Jürgen W. (Firma: MED-EL GmbH) (wissenwasserj)


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@ schrecklicher Sven:
Ist das jetzt ernst gemeint?

von Kevin K. (nemon) Benutzerseite


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Die obere Diode muss gedreht werden.
Bei den 4-5 nC QG von dem Transistor kannst du den Gate-Widerstand auch 
mal auf 270 Ohm hoch setzen.

von Boris O. (bohnsorg) Benutzerseite


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Du solltest noch ein paar Rahmenbedingungen ergänzen, wie etwa Spannung 
und Strom, den die MOSFETs bewegen sollen. Mit etwas Suche geht es hier 
um Peanuts, d.h. <1A und irgendetwas mit 12V Versorgungsspannung.

Die Spitze ist nun mal eine Spitze. Eine Schwingung kann ich da nicht 
erkennen. Du schaltest die MOSFETs hart ein und hart wieder aus. 
Nebenbei rechnest du mit dem Prinzip Zufall, d.h. wann welcher Zweig 
wirklich gesperrt ist, kann man nicht erkennen.

Dein P-Kanal-MOSFET hat eine deutlich höhere Eingangskapazität. Bis du 
den geladen hast, ist der N-Kanal gesperrt. Allerdings dauert es 
deutlich länger, ihn Auszuschalten, d.h. das Gate zu räumen. Da ist der 
N-Kanal schon auf dem Weg zum Einschalten. Welchen Teil der 
Einschaltkurve er gerade durchschreitet, sieht man nicht. Deswegen 
möchtest du das Einschalten des N-Kanal verzögern (R-C-Glied nur beim 
Einschalten) UND das Ausschalten des P-Kanal beschleunigen (Diode 
parallel zum Widerstand, in Richtung Treiber, das Gate schneller durch 
den Treiber leer zu bekommen).

Ich denke mal die Entkopplungskondensatoren hast du im Schaltbild nur 
weggelassen. Sowohl am Treiber als auch an der Halbbrücke müssen sie 
aber vorhanden sein. Dickes Kupfer allein reicht nicht. (Sicher ist 
deine Versorgung mit Kabeln angeschlossen und ein halber Meter 0,5mm² 
bei 200kHz ist schon relevant. Zumal noch MLCCs ins Spiel kommen, 
vielleicht gar am Eingang und da schöne Spitzenströme fließen, Stichwort 
di/dt.)

Da auf den Bildern nicht mehr zu erkennen ist, finde ich 0,5V 
Spannungsspitze ohne Klingeln für diesen Schaltregler unkritisch. 
Welches Problem willst du also beheben?

Versorgung 3V3, aus dem Schaltplan noch gepickt, nicht 12V…bleibt aber 
unkritisch.

: Bearbeitet durch User
von der schreckliche Sven (Gast)


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Jürgen W. schrieb:
> Ist das jetzt ernst gemeint?

Selbstverständlich.
Bei so kleiner Betriebsspannung verwendet man natürlich Schottky-Dioden. 
Die Widerstände verzögern das Einschalten etwas. Mit deren Wert kann man 
eine Totzeit einstellen.
Um einen Effekt zu erzielen, müssen diese einen Wert in der Nähe des 
Ausgangswiderstandes der Gatter haben.

von der schreckliche Sven (Gast)


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Kevin K. schrieb:
> Die obere Diode muss gedreht werden.

Unsinn, das ist ein P-Kanal-MOSFET!

von hok (Gast)


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der schreckliche Sven schrieb:
> Und zwar so.

Korrekt.

Jürgen W. schrieb:
> Ist das jetzt ernst gemeint?

Aber klar. Beim P-Ch wird zum Ausschalten das Gate
über die Diode schneller positiv geladen.

Ist kein 2 x N-Ch Totempfahl, sondern komplementär.

von Dieter (Gast)


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Wenn der obere Treiber bei 2,7 und 3,0 der untere bei 0,3 und 0,7 seine 
Schaltschwellen hätte, dann könnten die Ansteuerungen eine Überlappung 
der Einschaltzeiten verhindern, sofern das Ansteuersignal nicht zu 
steilflankig wäre. So etwas hat man früher auch gebaut. Besser ist die 
Lösung mit der kleinen Verzögerung von Gattern, die in speziellen IC 
bereits enthalten sind.

von hok (Gast)


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der schreckliche Sven schrieb:
> müssen diese einen Wert in der Nähe des
> Ausgangswiderstandes der Gatter haben.

Mir scheint auch der Ri1 zu klein. Treibt man den
Eingang über diese 47 Ohm aus niederohmiger Quelle,
dann könnten die ICs kaputt gehen. Würde ich anders
machen, steht sicher im Datenblatt (Max. Ratings).
Kommt auch drauf an, ob die Schaltung fest an eine
Signalquelle m. höherem Ri käme oder nicht, aber...

Dieter schrieb:
> Besser ist die Lösung mit der kleinen Verzögerung
> von Gattern, in speziellen IC bereits enthalten.

Meines Wissens gibt es irgendwo sogar Gatetreiber
für P und N Kanal, die das so implementiert haben.

von Gerd E. (robberknight)


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hok schrieb:
> Mir scheint auch der Ri1 zu klein. Treibt man den
> Eingang über diese 47 Ohm aus niederohmiger Quelle,
> dann könnten die ICs kaputt gehen.

Wieso denn das? Das sind normale Logikgatter, 74LVC14. Deren Eingänge 
sind sehr hochohmig, da fliesst so gut wie gar kein Strom und deshalb 
braucht es diesen Widerstand innerhalb einer Schaltung normal gar nicht.

Wenn links von dem Widerstand eine längere Leitung oder offener Eingang 
hängt, macht er aber z.B. gegen ESD oder als Serienterminierung schon 
Sinn und ist dafür auch mit 47 Ohm nicht unrealistisch dimensioniert.

: Bearbeitet durch User
von hok (Gast)


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Gerd E. schrieb:
> Wieso denn das?

Das war Unsinn, entschuldigt bitte. Das sind ja
Bausteine an der selben 3,3V Versorgung.

Wo hab ich nur meinen Kopf?

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