Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Digital Buffer HCT244 Verlustleistung


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von sirius23 (Gast)


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Hallo zusammen,

ich möchte die Verlustleistung eines SN74HCT244 abschätzen.
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74hct244.pdf

Dazu will ich zunächst die Verlustleistung eines Kanals berechnen. Der 
SN74HCT244 wird mit +5V betrieben. Die Frequenz des digitalen 
Rechtecksignals am Eingang ist 10MHz, Duty-Cycle 50%. Am Ausgang hängt 
eine RC-Last. R=1kOhm und C=220pF.

Es gibt ja eine Formel zur Berechnung der dynamischen Verlustleistung 
von CMOS Ausgängen:
Quelle: 
https://www.msc.tu-berlin.de/fileadmin/fg54/Lehrmaterial/UE_Intsch/VL_IS/Teil_V_Inverter_VL_2.pdf

CL wären ja in meinem Fall die 220pF. Diese Formel darf ich 
wahrscheinlich mit einem R nicht nehmen, oder?

Wie gehe ich da vor.

von Achim S. (Gast)


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sirius23 schrieb:
> Diese Formel darf ich
> wahrscheinlich mit einem R nicht nehmen, oder?

Die Formel passt deswegen nicht mehr, weil mit 1kOhm Serienwiderstand 
der Kondensator bei dieser Frequenz nicht mehr vollständig umgeladen 
wird. 1kOhm*220pF ergeben eine Zeitkonstante von 220ns, die Periode 
deines Rechtecks ist aber nur 100ns - der Spannungshub am Kondensator 
ist wesentlich kleiner als die 5V. Dementsprechend ist auch die 
Verlustleistung wesentlich kleiner als mit dieser Formel berechnet.

sirius23 schrieb:
> Wie gehe ich da vor.

Entweder lange rechnen. Oder schnell mal simulieren.

von sirius23 (Gast)


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Hallo,

danke, das hab ich mir schon gedacht. Danke für die Info.
Die 6.13mW ist ja jetzt die abgegebene Leistung des Buffers.

Um die Verlustleistung des Buffers zu berechnen, muss ich ja jetzt 
Pdiss=5V*Irms-6.13mW rechnen, stimmts?
Da komme ich mit Irms=2.4762mA auf 6.25mW Verlustleistung am Buffer.
Stimmt das so?

von Falk B. (falk)


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sirius23 schrieb:

> ich möchte die Verlustleistung eines SN74HCT244 abschätzen.
> http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74hct244.pdf

Intern oder extern?

> Dazu will ich zunächst die Verlustleistung eines Kanals berechnen. Der
> SN74HCT244 wird mit +5V betrieben. Die Frequenz des digitalen
> Rechtecksignals am Eingang ist 10MHz, Duty-Cycle 50%. Am Ausgang hängt
> eine RC-Last. R=1kOhm und C=220pF.

RC in Reihe oder Parallel?

> Es gibt ja eine Formel zur Berechnung der dynamischen Verlustleistung
> von CMOS Ausgängen:Pd=fT∗CL∗U2dd P_{ d }=f_{ T }*C_{ L }*U^{ 2 }_{ dd
> }Quelle:

Stimmt.

> CL wären ja in meinem Fall die 220pF. Diese Formel darf ich
> wahrscheinlich mit einem R nicht nehmen, oder?

Kommt drauf an, siehe oben. Wenn RC parallel liegen, hast du 2 Lasten. 
Die Lade- und Entladeverluste des Kondensators gemäß obiger Formel + die 
ohmsche Verlustleistung durch deinen Widerstand. Dabei hast du einen 
Spannungsteiler aus Ausgangswiderstand und Last. Dazu noch das 
Tastverhältnis von 50% multiplizieren und fertig.

von sirius23 (Gast)


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Die Interne Verlustleistung des Buffers will ich abschätzen.
Das RC Glied ist in Reihe geschaltet. Ich wollte das anfangen mit 
Differentialgleichungen zu rechnen, brauche aber eine schnelle 
Abschätzung.
Achim S. hat es simuliert, ich jetzt auch. Komme da auf die 6.25mW im 
Buffer.

von sirius23 (Gast)


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Also interne Verlustleistung Pdiss=5V*Irms-6.13mW=6.25mW
6.13mW ist die abgegebene Leistung des Buffers.

von Achim S. (Gast)


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sirius23 schrieb:
> Um die Verlustleistung des Buffers zu berechnen, muss ich ja jetzt
> Pdiss=5V*Irms-6.13mW rechnen, stimmts?

Nö, so einfach ist es nicht: die Verlustleistung im Treiber kann 
theoretisch auch 0 sein.

Um den Kondensator umzuladen wird "irgendwo" davor genau so viel Energie 
verbraten, wie im Kondensator gespeichert wird (siehe 
Kondensator-Paradoxon). Allerdings ist dieses "irgendwo" in diesem Fall 
primär der Vorwiderstand: der sieht den allergrößten Teil der 
Verlustleistung.

Wie viel Verluste im HC244 hängen bleiben hängt davon ab, in welchen 
Verhältnis der Innenwiderstand des Treibers zu den 1kOhm stehen. Wenn 
die volle Spannung am 1kOhm abfällt (und nichts am Ausgangstransistor), 
dann hat der Ausgangstransistor auch keine Verlustleistung.

Also, wenn du es genau haben willst: Ausgangskennlinie deines 
HCT-Buffers rausfinden und diese ggf. mit in die Simu reinpacken.

von sirius23 (Gast)


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Hmm ok doch nicht so einfach. D.h. bei der obigen Formel, bei der es nur 
eine C Last gibt konnte man sofort sagen, dass die Hälfte der Leistung 
im Buffer verbraten werden muss. Da ich jetzt ein Widerstand dazwischen 
habe, brauche ich das Verhältnis Rout/Rvorwiderstand.

Ich schaue mal ob sich da was finden lässt.

Mit welcher Größenordnung kann ich aber ungefähr rechnen?

Danke

von Achim S. (Gast)


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sirius23 schrieb:
> Mit welcher Größenordnung kann ich aber ungefähr rechnen?

siehe z.B. https://www.cl.cam.ac.uk/teaching/2003/DigElec/part2-data.pdf

Bei den V_OH und V_OL Specs sieht man, dass am Ausgangstransistor bei 
6mA Ausgangsstrom rund 200mV hängen bleiben. Bei deiner Schaltung werden 
nur rund 2,x mA fließen. Der weitaus größte Teil des Spannungsabfalls 
ist also am externen Widerstand, die Verlustleistung einer Treiberstufe 
sollte bei dieser Last deutlich unter 1mW sein.

Wenn der Wert für dich wichtig ist, suche nach realistischen 
Spice-Modellen für deine Simu.

von HildeK (Gast)


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Achim S. schrieb:
> Also, wenn du es genau haben willst: Ausgangskennlinie deines
> HCT-Buffers rausfinden und diese ggf. mit in die Simu reinpacken.

Oder vorher, vereinfacht, mal 15Ω-20Ω als Quellwiderstand des Buffers 
annehmen und an dem die Verlustleistung simulieren.
Also einfach einen entsprechenden Widerstand in Reihe zu R1 schalten und 
an dem die Verlustleistung bestimmen, mittels deiner bereits 
aufgesetzten Simulation.

von HildeK (Gast)


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Nachtrag:
@sirius23: Du solltest aber zusätzlich noch nach deiner angegebenen 
Formel mit ca. 10-30pF Last (je nach den realen Verhältnissen) eine 
Leistung berechnen und die dazu addieren, denn die Streukapazitäten bis 
zum R1 sind ja trotzdem vorhanden.

von Achim S. (Gast)


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Aus dem Bergeron-Diagramm auf S. 10 von 
http://www.ti.com/lit/an/scla011/scla011.pdf kann man zumindest mal 
typische Ausgangskennlinie ablesen. Passt zu den rund 20Ohm, die HildeK 
vorgeschlagen hat.

HildeK schrieb:
> Du solltest aber zusätzlich noch nach deiner angegebenen
> Formel mit ca. 10-30pF Last (je nach den realen Verhältnissen) eine
> Leistung berechnen und die dazu addieren, denn die Streukapazitäten bis
> zum R1 sind ja trotzdem vorhanden.

Ich denke auch, dass bei diesem hohen Serienwiderstand die 
Verlustleistung im Treiber so gering ist, dass ggf. "parasitäre" 
Elemente dominieren können, die in der bisherigen Betrachtung gar nicht 
auftauchen.

von Clemens L. (c_l)


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Achim S. schrieb:
> Ausgangskennlinie deines HCT-Buffers rausfinden

Input and Output Characteristics of Digital Integrated Circuits at 5-V 
Supply Voltage: http://www.ti.com/lit/pdf/szza008

von HildeK (Gast)


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Achim S. schrieb:
> Ich denke auch, dass bei diesem hohen Serienwiderstand die
> Verlustleistung im Treiber so gering ist, dass ggf. "parasitäre"
> Elemente dominieren können, die in der bisherigen Betrachtung gar nicht
> auftauchen.

Ich hab es gerade mal nachsimuliert. Die Verlustleistung ist natürlich 
auch abhängig von der Anstiegs- / Abfallzeit des Signals. Bei den 
gegebenen 1ns von dir und angenommenen 20R Innenwiderstand und 20pF 
Streu-C ist es nicht mal die Hälfte, die der verursacht.
Offene Fragen bleiben aber: sind es 20R und sind es 20pF real? Die 
Größenordnung kommt aber schon hin.
Nach dem Kennlinienfeld von Clemens L. sind 20R-25R aber schon nahe an 
der Wirklichkeit.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Achim S. schrieb:
> wenn du es genau haben willst: Ausgangskennlinie deines
> HCT-Buffers rausfinden und diese ggf. mit in die Simu reinpacken.

Als grobe Abschätzung kann man den Ausgangswiderstand des HCT244 mit 20Ω 
annehmen. Dann fällt an der Ausgangsstufe des HCT244 ca. 1/50 der 
Leistung des 1kΩ Widerlings an. Jetzt muß man nur noch ausrechnen, 
wieviel Energie pro Zyklus in den Kondensator hinein und heraus 
geschaufelt wird, wenn er mit 1020Ω Vorwiderstand an einer 10MHz/5V 
Rechteckspannung liegt. Das geht auch analytisch.

von sirius23 (Gast)


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Wow hier ist ja inzwischen einiges passiert, danke euch :)

Ich habe es jetzt auch mal mit 25Ohm Innenwiderstand und 30pF parasitic 
simuliert. Komme dabei auf etwa 5mW Verlustleistung. Das ist auch so in 
Ordnung für mich.

Ich wollte dabei nur schauen, dass ich nicht etwa über 100mW komme. Mit 
5mW und maximal 8 benutzten Kanälen komme ich auf 40mW.

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