Schaltregler - Layoutcheck / Ripple

[Uli (Gast)]

Hallo Mikrocontroller.net,

ich habe mir eine kleine Platine für mein eBike gebaut, mit der ich 
verschiedene Daten vom BMS abfragen und auf einem LCD Display anzeigen 
möchte.

Das Ganze funktioniert ansich soweit ganz gut, aber ich möchte den 
Schaltregler gern nochmal genauer unter die Lupe nehmen, da das mein 
erstes Projekt mit einem DC/DC Wandler ist.

Als Schaltregler verwende ich einen TI LM5164.
Auf der Webseite von TI habe ich mir die Beschaltung anhand folgender 
Anforderungen ausgerechnet:

 Vin  = 24 - 75V (mit Under-Voltage-Lockout)
 Vout = 5.1V
 Iout = max 1000mA


Die dort vorgeschlagenen Bauteile habe ich 1:1 übernommen.
Einzige Ausnahme ist Cout - der war angegeben mit 2 x 10uF MLCC X7R.

Stattdessen habe ich einen 33uF Panasonic SP-Cap eingesetzt:
https://industrial.panasonic.com/ww/products/capacitors/polymer-capacitors/sp-cap/csctcx/EEFCS1C330R

Desweiteren sitzt vor dem Eingang noch ein Panasonic FK Aluminium Elko 
mit 33uF und hinter dem Ausgang noch ein weiterer Panasonic FK 1000uF 
Aluminium Elko.


Wenn ich mit dem Oszilloskop am Ausgang messe, dann liegt der Ripple im 
Bereich 90-110mV. Laut der Rechnung in webench sollte er aber bei 9-10mV 
liegen.

Macht die Änderung des Cout hier wirklich so einen großen Unterschied?
Oder liegt's vielleicht am Layout?

Wenn jemand Zeit und Lust hat, da mal einen Blick drauf zu werfen, würde 
ich mich sehr freuen.

Vielen Dank, Ulrich

[Stefan S. (chiefeinherjar)]

Uli schrieb:
> Oder liegt's vielleicht am Layout?

Es liegt wahrscheinlich am Layout.
Du hast sehr große Schleifen mit GND, VCC und V+.
Hier ist mal eine detailliertere Erklärung dazu:
http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layout-Schaltregler

Das Webtool hat dir doch mit Sicherheit auch ein Beispiel-Layout 
ausgegeben, warum hast du dich nicht daran gehalten? - Oder im DaBla 
steht sicherlich auch ein Beispiel-Layout, mit dem die Specs eingehalten 
werden soll(t)en.

[Dieter R. (drei)]

Ich habe mit dem IC von TI keine eigene Erfahrung. Nur eine generelle 
Anmerkung: bei 1MHz (entnehme ich auf die Schnelle dem Datenblatt) ist 
das Layout schon recht kritisch. Hast du dein Layout mit einem 
Muster-Layout von TI verglichen? Für einen ersten Versuch sollte man 
sich bei solchen Schaltfrequenzen millimetergenau an eine erprobte 
Vorlage halten, einschließlich Groundplane und Durchkontaktierungen.

[Uli (Gast)]

Hallo und vielen Dank für eure Antworten,

@Dieter:
Der Schaltregler arbeitet hier laut webench mit 341.94kHz. Es kann sein, 
dass er bei anderer Beschaltung bzw. anderer Vout vielleicht auch in den 
MHz Bereich kommt. Aber hier glücklicherweise nicht.

@Stefan:
Danke für den Link. Ich lese mich da mal ein.
Zum Layoutvorschlag: Ja, es gab einen in webench (Siehe Anhang).
Anfangs habe ich den versucht so gut wie möglich nachzubauen, allerdings 
habe ich das so nicht 1:1 übernehmen können wegen der Ausrichtung (und 
aus Platzgründen).

So "ungefähr" müsste es aber passen.

Ich lese mal die verlinkte Seite durch. Da steht ja beschrieben, welche 
Bauteile nah aneinander sitzen müssen. Vielleicht habe ich ausgerechnet 
das falsche Bauteil verschoben ;)


Vielen Dank schonmal!!!

LG, Ulrich

[Dieter R. (drei)]

Uli schrieb:

> Zum Layoutvorschlag: Ja, es gab einen in webench (Siehe Anhang).
> Anfangs habe ich den versucht so gut wie möglich nachzubauen, allerdings
> habe ich das so nicht 1:1 übernehmen können wegen der Ausrichtung (und
> aus Platzgründen).

Da gibt es eine ganz einfache Regel: der Rest auf dem Board wird 
verschoben, der Schaltregler bleibt so wie vom Hersteller empfohlen.

Erst wenn du dadurch deine eigene Referenz hast und damit Erfahrung 
gesammelt hast, solltest du Änderungen am Schaltregler durchführen. 300 
kHz ist auch schon eine Ansage. Bei 30 kHz wird es weniger 
herausfordernd.

[Stefan S. (chiefeinherjar)]

Uli schrieb:
> Zum Layoutvorschlag: Ja, es gab einen in webench (Siehe Anhang).
> Anfangs habe ich den versucht so gut wie möglich nachzubauen, allerdings
> habe ich das so nicht 1:1 übernehmen können wegen der Ausrichtung (und
> aus Platzgründen).

Naja... "so gut wie möglich" ist in deinem Falle nicht gut genug.
Entweder, du lebst mit mehr Ripple und einem niedrigeren Wirkungsgrad 
(und ggf. mehr Störungen bzw. schlechterer EMV), oder du hälst dich an 
das Layout.
Du hast viele (relativ) dünne Leitungen, wo im empfohlenen Layout große 
Flächen vorgesehen sind.
Denk dran, solche "dünnen" Leitungen haben eine signifikant höhere 
Induktivität (und damit Impedanz) und strahlen - unter Umständen - auch 
mehr ab als eine ausgedehnte Fläche.

Vergiss nicht; es gibt MW-Sender und Amateurfunker, die funken mit in 
diesem Frequenzbereich um die halbe Erde; das hier ist kein Gleichstrom 
mehr! (jaja, ich weiß, für einen echten HF-ler ist alles unter 2 GHz eh 
quasi Gleichstrom)

Daher gilt:
Dieter R. schrieb:
> Da gibt es eine ganz einfache Regel: der Rest auf dem Board wird
> verschoben, der Schaltregler bleibt so wie vom Hersteller empfohlen.

[Beo Bachta (Gast)]

Stefan S. schrieb:
> Naja... "so gut wie möglich" ist in deinem Falle nicht gut genug.

Bestätigung.

Zwischen dem Referenz-Layout und dem des TO sehe ich keinerlei
Ähnlichkeiten. Wundert mich dass es überhaupt funktioniert.

[Gerald B. (gerald_b)]

Ohne jetzt im DB nachzusehen, was der Gel-Elko für einen Innenwiderstand 
hat, der Kerko hat jedenfalls einen verdammt Niedrigen. Ich würde 
trotzdem einen KerKo verbauen mit 1-10µF und dann den Elko.
Wenn's prinzipiell funktioniert, bist du schon mal auf dem richtigen Weg 
;-)

[Uli (Gast)]

Dieter R. schrieb:
> Da gibt es eine ganz einfache Regel: der Rest auf dem Board wird
> verschoben, der Schaltregler bleibt so wie vom Hersteller empfohlen.

Ja, da hast Du vermutlich Recht.
Ich werde mal versuchen, dass Board umzubauen und dabei den DC DC 
Converter so zu bauen, wie bei TI dargestellt. Mal schauen, ob sich 
Besserung ergibt.

Anbei mal ein schnell gemachtes Foto einer Messung.

[Dieter R. (drei)]

Auch mit dem Kondensator liegst du wohl nicht ganz so glücklich. Sicher 
beurteilen kann man das nicht, da die Datenblätter unter Messbedingungen 
entstehen und die Schaltungswirklichkeit komplexer sein kann. Immerhin 
gibt es einen Anhaltspunkt, und der ist nicht gut.

Der angegebene Panasonic-Typ: Equivalent series resistance (max. value) 
40 (mΩ), offenbar bei 100 kHz gemessen

10 uF X7R, Beispiel: 
https://product.tdk.com/de/search/capacitor/ceramic/mlcc/info?part_no=CNA6P1X7R1H106K250AE

300kHz 50 mOhm, aber abnehmend bis 1MHz 3mOhm

Und davon 2 Stück parallel! Kann sein, dass sich TI was dabei gedacht 
hat - kann auch nicht sein, wer weiß, aber man sollte sich erst einmal 
daran halten. Der Verdacht liegt nahe, dass der Panasonic-Typ für höhere 
Frequenzen nicht so gut geeignet ist.

[Nils (Gast)]

Hat es einen Grund, dass das oben gezeigte Layout aus dem Webbench tool 
so merküwrdig aussieht und riesige parasiäre Loop Induktivitäten baut?
Also das könnte man doch insgesamt einiges kompakter gestalten als dort 
gezeigt.

[Dieter R. (drei)]

Nils schrieb:

> Also das könnte man doch insgesamt einiges kompakter gestalten als dort
> gezeigt.

Mir sieht das mehr als Prinzipskizze aus, als Vorlage für die 
gegenseitige Anordnung der Komponenten, aber nicht für ein reales 
Layout. Was sagt denn TI dazu?

Vermutlich gibt es außerdem ein richtiges Demo-Board oder ein 
Musterlayout. Das sollte man suchen und sich dran halten.

[Uli (Gast)]

Hallo zusammen,

also das Layout bei TI scheint tatsächlich dem des zugehörigen 
Eval-Boards zu entsprechen. Zumal dort auch Bauteile vorgesehen sind, 
die im Schaltplan garnicht enthalten sind.

Ich habe mein Layout nochmal überarbeitet und den Panasonic Polymer-C am 
Ausgang gegen die beiden empfohlenen MLCC 10uF getauscht.
Außerdem sind die Leiterbahnen nun überwiegend als Flächen ausgelegt und 
näher am Referenz-Layout orientiert - nur etwas enger zusammen und ohne 
die Riesenflächen zu Vin und Vout...

Hat jemand Lust, sich das nochmal anzusehen? Würde mich freuen ;)

Eine Frage hätte ich auch noch:
Auf der Seite von Lothar Miller steht, dass unter der Spule keine 
Massefläche verlaufen darf. Die meisten Beispiellayouts, die ich während 
meiner Recherchen so gefunden habe, haben allerdings eine durchgehende 
Massefläche.
Kann man bei abgeschirmten Spulen auf die Aussparung in der Massefläche 
verzichten?


Vielen Dank schonmal :)

[Gerald B. (gerald_b)]

Uli schrieb:
> Auf der Seite von Lothar Miller steht, dass unter der Spule keine
> Massefläche verlaufen darf. Die meisten Beispiellayouts, die ich während
> meiner Recherchen so gefunden habe, haben allerdings eine durchgehende
> Massefläche.

Viel wichtiger ist eigentlich, das nicht gerade die Messleitung vom 
Spannungsteiler unter der Spule durchläuft - womöglich noch einem 
Ringkern :-)
Ich würde die Anbindung von C6 und C62 auf voller Padbreite in die 
Fläche integrieren. Da verschenkst du u.U. wertvolle Millivolt. Der 
Platz gibt es ja her. Aus dem selben Grund würde ich den KerKo noch die 
knappe Breite ans IC ranrücken.
Aber ich bin Anfänger ;-)

[Dieter R. (drei)]

Uli schrieb:

> Kann man bei abgeschirmten Spulen auf die Aussparung in der Massefläche
> verzichten?

Mir ist das Problem gar nicht bewusst, ich habe aber auch nicht Miller 
gelesen.

Ich habe einen 500kHz-Wandler, bei dem sich die Frage gar nicht stellt, 
weil die Induktivität senkrecht sitzt und die Pads sowieso dicht 
beieinander liegen, siehe Screenshot.

Gibt es denn ein Referenz-Layout bzw. Development Board von TI?

Nächste Frage: wieso 1000uF am Ausgang? Oder lese ich da falsch? Kommt 
mir auf den ersten Blick reichlich obskur vor. Verträgt das der Wandler 
überhaupt?

[HildeK (Gast)]

Uli schrieb:
> Einzige Ausnahme ist Cout - der war angegeben mit 2 x 10uF MLCC X7R.

Einen MLCC durch einen Alu-Elko zu ersetzten ist zumindest suboptimal. 
Da gehört auf jeden Fall ein keramisches C rein.

Außerdem sollten
- der Anschluss an SW zu L1 kurz sein
- Eingangs- und Ausgangs-Cs sehr kurz und niederimpedant mit dem GND des 
Reglers verbunden sein
- sinnvollerweise auch R6.
- wie schon gesagt, FB von der Spule und von SW fernhalten.

[Teo D. (teoderix)]

Uli schrieb:
> nur etwas enger zusammen und ohne
> die Riesenflächen zu Vin und Vout...

Wie nah gehst du an dessen Leistungsgrenzen? Diese scheinbar sinnlosen 
Flächen, braucht's evtl. zur Kühlung.

3 Dablas, 3 Layouts. KA, wo der Unterschied der ICs ist! So genau hab 
ich nich gegugt.

https://www.mouser.jp/datasheet/2/405/snvu620-1487749.pdf

[Uli (Gast)]

Dieter R. schrieb:
> Gibt es denn ein Referenz-Layout bzw. Development Board von TI?

Ja - das sieht auch ziemlich genauso aus, wie das Beispiel-Layout von TI 
aus webench...

webench:
Beitrag "Re: Schaltregler - Layoutcheck / Ripple"

eval-board:
http://www.ti.com/tool/LM5164-Q1EVM

Dieter R. schrieb:
> Nächste Frage: wieso 1000uF am Ausgang? Oder lese ich da falsch? Kommt
> mir auf den ersten Blick reichlich obskur vor. Verträgt das der Wandler
> überhaupt?

Ein Angst-C...
Auf meiner Platine befinden sich ja ein LCD Display mit 
Hintergrundbeleuchtung, ein paar LED Balken, ein Mikrocontroller und ein 
Relais. Der Stromverbrauch liegt im Durchschnitt bei ca. 350mA, kann 
aber  peakweise auch mal 650mA werden.
Die Idee war eigentlich, den Elko in solchen Fällen arbeiten zu lassen - 
nicht den Schaltregler. Daher die 1000uF.
Zu groß?

Teo D. schrieb:
> Wie nah gehst du an dessen Leistungsgrenzen? Diese scheinbar sinnlosen
> Flächen, braucht's evtl. zur Kühlung.

Das habe ich heutemorgen mal gemessen. Bei 500mA Last erwärmt sich der 
Chip um ca. 17 Grad... also von 21° Grad im Raum auf 38 Grad. Dauert 
aber ein bisschen, bis er diese Temperatur erreicht hat. Im 
Normalbetrieb war keine Erwärmung feststellbar...


Wie verhält sich denn eigentlich ein Schaltregler, wenn die Spannung aus 
der anderen Richtung kommt?

Zum Beispiel, wenn die Schaltung noch nicht an den Akku des eBikes 
angeschlossen ist und stattdessen auf meinem Schreibtisch liegt und über 
den ICSP programmiert wird?

Im Datenblatt finde ich zu dem Thema gar nichts...
Sollte man hinter dem Ausgang noch eine Diode platzieren?


Ansonsten allen vielen Dank für die Kommentare und Anmerkungen zur 
Bauteilplatzierung und Routing. Ich mache mich mal an die Feinarbeit. :)

LG, Ulrich

[Dieter R. (drei)]

Uli schrieb:

> Ein Angst-C...

> Zu groß?

Nicht jeder Regler mag eine beliebig große kapazitive Last. Das kann z. 
B. das Anlaufverhalten verschlechtern. Manchmal steht dazu etwas im 
Datenblatt oder in Applikationsunterlagen, manchmal auch nicht. Ich 
würde den Kondensator jedenfalls nicht so groß wählen. Wenn überhaupt, 
100uF sollten mehr als genug sein. Der Schaltregler kommt schließlich 
mit 300 kHz nach, wenn er sonst richtig ausgelegt ist.

[Gerald B. (gerald_b)]

1000µ ist aus der "Eisenschwein Ära", als Netzteile mit 100 Hz und 
Liearreglern rumkrebsten. Ist bei mir aucher auch noch irgendwie "drin" 
;-)
Wenn ich das richtig sehe, es gibt keine Schottky Diode hinter dem 
Regler. Dann ist es wohl ein Synchronregler.
Theoretisch sollten die beiden FETs sperren. Wie das intern parasitär 
aussieht, weiß nur der Hersteller. Wenn es kein 10€ IC ist, würde ich es 
einfach auf die harte Tour probieren. Labornetzteil mit Strombegrenzung 
rein und gucken, was passiert. Nur dann kannst du dir 100 pro sicher 
sein, was "in the wild" dann passiert. Ne Diode in Reihe und den Regler 
um die Flusspannung der Diode dann etwas mehr einstellen, ginge.
Bei einem normalen StepUp, wie dem MT3608 passiert da nichts, da die 
Schottky dann sperrt... wenn man über den Ausgang nicht gerade ne 
verpolte Spannung reinschickt :-P

[Teo D. (teoderix)]

Gerald B. schrieb:
> 1000µ ist aus der "Eisenschwein Ära", als Netzteile mit 100 Hz und
> Liearreglern rumkrebsten.

Nana, das ist doch viel zu pauschal. Viel SNTs sind damit regelrecht 
zugepflastert!

[Gerald B. (gerald_b)]

Teo D. schrieb:
> Viel SNTs sind damit regelrecht
> zugepflastert!

ist vermutlich auch eine Frage des Preises. Elkos sind billiger, als 
hochkapazitive KerKos. Und wenn man nur genug davon parallelschaltet, 
dann bekommt man den Innenwiderstand auch runter.
Außerdem ist ein Elko immer noch das unzuverlässigste Bauteil in einem 
Schaltnetzteil. Man will ja bei Zeiten mal wieder was verkaufen ;-)

[Teo D. (teoderix)]

Gerald B. schrieb:
> ist vermutlich auch eine Frage des Preises.

Wohl eher des SNTs. Spontan, PC-SNT 5V >30A.
Einfach Wandwartzen haben auch gern mal 1000µF am Ausgang.... Aber 
Haarspalterei ist hier denke ich fehl am Platz.

Gerald B. schrieb:
> 1000µ ist aus der "Eisenschwein Ära", als Netzteile mit 100 Hz und
> Liearreglern rumkrebsten.

Das war mir einfach nur vieeel zu Pauschal (ist das Haarspalterei? I do 
not know!)

[Pan Tau (Gast)]

Teo D. schrieb:
> Viel SNTs sind damit regelrecht zugepflastert!

Viel zu pauschal (genau wie das, was der Grund dafür war...).

Je nach Dimensionierung und Auswahl müssen Elkos nicht das
geplanteobsoleszenzdurchsetzende Bauteil sein... ob das bei
einem Switcher so ist, merkt man am einfachsten an der Temp.

Bei 300kHz kann man heutzutage aber völlig darauf verzichten.
(MLCCs gibt es schon recht hochkapazitiv.)


An einen solchen Regler (Ausgang) einen riesigen Elko? Würde
ich sicher nicht machen. Ist normalerweise auch unnötig.

[Gerald B. (gerald_b)]

Wobei, wenn ich mich an den Wiederbelebungsthread der Fritzboxen 
erinnere, da war der Übeltäter ein MLCC und kein Elko. Die können also 
auch ausfallen.

[my2ct (Gast)]

Uli schrieb:
> Desweiteren sitzt vor dem Eingang noch ein Panasonic FK Aluminium Elko
> mit 33uF und hinter dem Ausgang noch ein weiterer Panasonic FK 1000uF
> Aluminium Elko.

Was soll so ein riesen Kondensator bei über 340kHz?
Bist du sicher, dass der bei der vor lauter Eigeninduktivität und ESR 
dort überhaupt noch eine Wirkung hat?

Bei niedrigen Frequenzen ist es Aufgabe des Reglers, irgendwelche 
Schwankungen auszuregeln. Du baust doch kein Netzteil mit Ladeelko für 
100Hz. Dafür müsste der Elko am Eingang vor dem Regler sitzen.

[ChiLee (Gast)]

Den großen Elko am Ausgang kannst Du meiner Meinung ebenfalls 
rauslassen.
Das, was Du oben beschrieben hast, gleicht der Schaltregler genauso gut 
aus.

Den großen, zusätzlichen Elko am Eingang kannst Du meiner Meinung nach 
allerdings ebenfalls weglassen. Als den 33uF meine ich. Die 2.2uF (C1) 
braucht der Schalter, aber was versprichst Du Dir von den zusätzlichen 
33uF?
Insbesondere schreibst Du ja auch, dass es sich um eine 
batteriebetriebene Schaltung handelt...

Meine Meinung: Lass beide weg  - spart 2 EUR. Dafür kriegst Du ein Eis 
und hast mehr davon...

[Michael K. (Gast)]

Uli schrieb:
> der war angegeben mit 2 x 10uF MLCC X7R.
> Stattdessen habe ich einen 33uF Panasonic SP-Cap eingesetzt:

Das hat den ESR nach oben getrieben.
Natürlich steigt dann der Ripple.

Den Kerko mit einem winzigen Via an die GND Plane anzuschliessen ist 
auch nicht sehr effektiv.

[Uli (Gast)]

Moin Moin uC.net,

ich wollte mich hier nochmal für eure Hilfe bedanken.
Nachdem ich den Ausgangskondensator (Elko) gegen zwei parallel 
geschaltete 10uF Kerkos getauscht habe, hat sich die Welligkeit von 
vormals ~100mV auf immerhin 12mV reduziert.

Den 1000uF Elko am Ausgang habe ich aus der Schaltung entfernt und auf 
die 33uF vorm Eingang des Wandlers kann man scheinbar ebenfalls 
verzichten.


Michael K. schrieb:
>
> Den Kerko mit einem winzigen Via an die GND Plane anzuschliessen ist
> auch nicht sehr effektiv.

Du meinst den Ausgangs-C? Ja - das habe ich nun auch korrigiert. Die 
Leiterbahn ist nun etwas breiter und das 0.3mm Via habe ich gegen ein 
0.6mm Via ersetzt.

Danke vielmals an alle.

Ulrich

[Uli (Gast)]

Moin Moin zusammen,

neue Platine, neues Glück.
Dank eurer Hilfe konnte ich den Ripple von vormals ca. 110mV auf 
immerhin 12mV Peak-To-Peak absenken.
Das gefällt mir schon wesentlich besser.
Den Hauptanteil haben die beiden parallel geschalteten MLCC am Ausgang 
ausgemacht. Aber auch das neue Layout hat einen wesentlichen Beitrag 
geleistet. Vielen Dank nochmal an alle.


:)

[Dieter R. (drei)]

Na, Glückwunsch!

Postest du mal dein neues Layout? Und vielleicht ein Foto dazu?

[GunterW. (Gast)]

Lothar Millers Seite ist mit gewisser Vorsicht zu genießen.

[Gerald B. (gerald_b)]

GunterW. schrieb:
> Lothar Millers Seite ist mit gewisser Vorsicht zu genießen.

Magst du das begründen?

[fol de pi (Gast)]

GunterW. schrieb:
> Lothar Millers Seite ist mit gewisser Vorsicht zu genießen.

Und wieso wirst Du dann nicht (speziell im Interesse der dort
nach Hilfe suchenden Anfänger, welche wenig Chancen haben, das
selbst zu entdecken oder nach Deiner Warnung zu verifizieren)
einfach konkret? Leg doch besser die Karten ganz offen auf den
Tisch, ich bitte herzlich darum.

[Uli (Gast)]

Dieter R. schrieb:
> Postest du mal dein neues Layout? Und vielleicht ein Foto dazu?

Gerne doch - siehe Anhang.
Bei den wesentlichen Bauteilen habe ich Produkt-ID und relevante Werte 
mal in das Value-Feld geschrieben. Nicht besonders übersichtlich im 
Schaltplan, aber dann habt ihr die Werte wenigstens...

Der Spannungsregler kann V(in) 6V bis 100V, ist hier aber für einen 
Bereich von 24V - 75V konfiguriert mit Under-Voltage-Lockout bei < 24V.

Foto kann ich morgen machen.