Forum: Platinen Schaltregler-Entwurf so ok?


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von Lötnix (Gast)


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Hallo zusammen,

vorweg: Ich habe noch nie einen Schaltregler gebaut. Entweder analog 
oder ein fertiges "LM2596"-Modul mit Stiftleisten huckepack aufgelötet.

Aktuell habe ich einen Fall, in dem ich aus 48V 12V machen möchte. Jetzt 
gibt es zwar auch dafür fertige LM2596HVT-Module. Da es den LM2596HVT 
aber als echtes Bauteil offensichtlich nicht gibt, kann es sich bei 
diesen Modulen nur um Fakes handeln. Außerdem stimmt mich misstrauisch, 
dass die mit 50V angegeben sind. Bei 48V arg knapp :(

Deshalb will ich ein eigenes Modul entwerfen. Der Einfachheit halber mit 
einem Regler, der für mich unkompliziert ausschaut, einem LM2576HVT mit 
fixen 12V. Bei Bedarf kann ich den ja einfach durch einen mit fixen 5V 
tauschen, was anderes brauche ich eh nicht.

Den Schaltplan habe ich aus dem Datenblatt von HTC Korea nachgezeichnet, 
beim Layout habe ich einerseits versucht, die Seite von Lothar Miller zu 
berücksichtigen 
(http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layout-Schaltregler) und 
andererseits darauf geachtet, dass keine hohen Bauteile mit einem 
Kühlkörper kollidieren.

Ich weiß, die Leiterbahnen muss ich noch verstärken und die Beschriftung 
verschieben. Aber so ganz grundsätzlich, kann ich so weitermachen oder 
bin ich mit dem aktuellen Entwurf komplett auf dem Holzweg?
Die Strompfade habe ich wie bei Hrn. Miller eingezeichnet. Als Laie 
finde ich sie nicht besonders lang.
Die Kondensatoren sind eingangsseitig mit 100V bemessen, ausgangsseitig 
mit 25V.

Viele Grüße

von Ingo S. (luziefer)


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Hi,
da bist du billiger wenn du das fertig kaufst.

suche mal danach "DC-DC LM2596HV Buck Converter 5V-60V bis 1,25V-26V 
Step-down-Powermodul 48V 3V  5V  12V Spannungsregler Sunlera"

von Stefan (Gast)


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Willst du die Platine ätzen lassen ?
Wenn nicht dann wirst du schwierigkeiten haben
die Leiterbahnen unter den Bauteilen zu löten um
die Bauteile zu befestigen. Wieso eigentlich auf
2 Lagen ? Das find ich was übertrieben. Geht alles
auf eine Lage.

von MaWin (Gast)


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Lötnix schrieb:
> Da es den LM2596HVT aber als echtes Bauteil offensichtlich nicht gibt

So so

http://hmsemi.com/downfile/LM2596HV.PDF

Der LM2576 ist recht gutmütig weil die Frequenz gering ist, deine 
Platine täte es mit dickeren Leiterbahnen, aber er hat Verluste, willst 
du ihn nicht kühlen ?

Und plus und Masse auf unterschiedliche Stecker zu legen ist suboptimal.

Reicht deine kleine Spule vom Strom her ?

von Lötnix (Gast)


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Ingo S. schrieb:
> Hi,
> da bist du billiger wenn du das fertig kaufst.
> suche mal danach "DC-DC LM2596HV Buck Converter 5V-60V bis 1,25V-26V
> Step-down-Powermodul 48V 3V  5V  12V Spannungsregler Sunlera"

Naja, das sind genau die Module, die ich vermeiden wollte.

Stefan schrieb:
> Willst du die Platine ätzen lassen ?
Ja - da macht einlagig oder zweilagig quasi keinen Unterschied. Da nehme 
ich die zweite Lage gern mit.

MaWin schrieb:
> willst du ihn nicht kühlen ?
> Und plus und Masse auf unterschiedliche Stecker zu legen ist suboptimal.
> Reicht deine kleine Spule vom Strom her ?
Ja, er soll gekühlt werden, deshalb habe ich auch auf der Seite der 
Kühlfahne keine hohen Bauteile platziert, damit ich nachher einen 
Kühlkörper montieren kann.
Die Spule ist mit 5,3A angegeben, das müsste bei 3A Nennstrom des ICs 
eigentlich genügen.
Warum sind Plus und Masse auf unterschiedliche Stecker suboptimal? Das 
wird nachher mit Stiftleisten woanders aufgelötet.

von Ingo S. (luziefer)


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Lötnix schrieb:
> Naja, das sind genau die Module, die ich vermeiden wollte.

Ich arbeite schon seit einigen Jahren mit diesen Teilen. Kein Ausfall 
der Module habe.

Lötnix schrieb:
> Warum sind Plus und Masse auf unterschiedliche Stecker suboptimal? Das
> wird nachher mit Stiftleisten woanders aufgelötet.

Stiftleiste? Du bist Mutig. Du weißt schon wenn da gut Strom Fließt was 
mit der Stiftleiste passieren kann. Schraubklemmen an dieser Steller 
sind immer Optimaler.

Lötnix schrieb:
>> Willst du die Platine ätzen lassen ?
> Ja - da macht einlagig oder zweilagig quasi keinen Unterschied. Da nehme
> ich die zweite Lage gern mit.

hmm kosten der Platine ca 3 euro Versand 6 Euro dann noch die Bauteile. 
Teuer als wie Fertig. Und dann Funktioniert es nicht so wie du dir 
Vorstellst.

Aber man lernt immer dazu. Vorallem Bauteil unter Bauteil Platzieren

von Lötnix (Gast)


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Ich sehe das Problem nicht... ich löte die Stiftleisten oben und unten 
an beiden Platinen fest.

Und die Bauteile stehen sich nicht im Weg, weil der THT-Kondensator oben 
ist und die SMD-Kondensatoren unten.

Übersehe ich was?

von MaWin (Gast)


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Lötnix schrieb:
> Übersehe ich was?

Man kann das zwar so machen, aber mit moderneren Bauteilen wäre es 
kleiner und effektiver.

Bevor du die Platine in Auftrag gibst, wurde ich aber noch mal alle 
Bauteile kontrollieren, Ripplestrom, ESR, Verluste.

von Ingo S. (luziefer)


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Lötnix schrieb:
> Übersehe ich was?

"glaube ja." Botton "Blau" ist unten und Top "rot" ist oben. 
Seitenverkehrt, außer du hast dein Layout Programm geändert.
Also liegen deine THT Kondensatoren und der Rest unten und die SMD oben.
Oder willste die Platine unter eine andere Verbauen?

von Harald A. (embedded)


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Nimm Dir die Layout-Vorschläge aus dem Datenblatt zu Herzen. Arbeite mit 
Flächen. Verstehe den Stromfluss. Wenn Du es schon selber machst willst 
Du ja auch etwas lernen denke ich mal.

: Bearbeitet durch User
von Lötnix (Gast)



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Hi, ich habe mich nochmal mit dem Thema beschäftigt und möchte einen 
moderneren Regler benutzen (TPS563201).
Um den Start zu vereinfachen, habe ich mir mit WeBench Power Designer 
einen Vorschlag erstellen lassen.
Das Layout ist grundsätzlich genauso geroutet, nur auf verkleinerter 
Fläche.

Bei den Bauteilen habe ich dieselben oder bessere Werte verwendet, aber 
teilweise größere Gehäuse genommen.
Da ich bei JLCPCB bestücken lassen möchte, würde ich gerne mit Bauteilen 
aus deren SMD-Portfolio auskommen.

Unten stehen die WeBench-Vorschläge, daneben die JLCPCB-Ersatztypen. Das 
IC ist natürlich original.

Der WeBench-Vorschlag ist vermutlich nur wegen der nötigen Kühlfläche so 
groß. Die bräuchte ich gar nicht mal, weil das ganze Modul mit einer 
Wärmeleitfolie auf ein Alu-Profil montiert wird.

Cbst
Kemet C0603C104Z3VACTU | JLCPCB: C24497
https://jlcpcb.com/parts/componentSearch?isSearch=true&searchTxt=CL31B104KBCNNNC
Cap: 100nF | 100nF
Total Derated Cap: 100nF | ???
VDC: 25V | 50V
ESR: 1mΩ | ???
Package: 0603 | 1206
Dielektrikum: Y5V | X7R (besser?)
Frage: WeBench fordert offenbar ESR < 1mΩ.
Laut dem Datasheet bei Mouser, S. 110
https://www2.mouser.com/ProductDetail/Samsung-Electro-Mechanics/CL31B104KBCNNNC?qs=349EhDEZ59oHABbyGq1iKA%3D%3D
liegt der ESR bei 600 khZ ca. bei 20mΩ. Ist das hinnehmbar? Im 
Datenblatt vom Kemet-Original steht allerdings überhaupt nichts.

Cout
TDK C1608X5R1A226M080AC | JLCPCB: C12891
https://jlcpcb.com/parts/componentSearch?isSearch=true&searchTxt=CL31A226KAHNNNE
Cap: 22µF | 22µF
Total Derated Cap: 9.1µF | ???
VDC: 10V | 25V
ESR: 3.71mΩ | ???
Package: 0603 | 1206
Dielektrikum: X5R | X5R
Frage: WeBench fordert offenbar ESR < 3.71mΩ. Der Ersatztyp hat wie der 
vorherige ca. 20mΩ. Ist das hinnehmbar? Im Datenblatt vom TDK-Original 
steht keine Angabe außer "low ESR".

Cin
MuRata GRM31CR61E106KA12L | JLCPCB: C89632
https://jlcpcb.com/parts/componentSearch?isSearch=true&searchTxt=CL31B106KBHNNNE
Cap: 10µF | 10µF
Total Derated Cap: 6.7µF | ???
VDC: 25V | 50V
ESR: 4.51mΩ | ???
Package: 1206 | 1206
Dielektrikum: X7R | X7R
Frage: WeBench fordert offenbar ESR < 4.51mΩ. Der Ersatztyp hat wie der 
vorherige ca. 20mΩ. Ist das hinnehmbar? Im Datenblatt vom 
Murata-Original steht keine Angabe.

Rfbb
Yageo RC0201FR-0710KL | JLCPCB: C17414
https://jlcpcb.com/parts/componentSearch?isSearch=true&searchTxt=0805W8F1002T5E
Resistance: 10kΩ | 10kΩ
Tolerance: 1.0% | 1.0%
Power: 50mW | 125mW
Package: 0603 | 0805
Voltage: 25V | 150V
Temperaturkoeffizient: 200ppm | 100 ppm
Sollte in allen Belangen gleich oder besser sein?

Rfbt
Yageo RC0201FR-0756K2L | JLCPCB: C17751
https://jlcpcb.com/parts/componentSearch?isSearch=true&searchTxt=0805W8F5622T5E
Resistance: 56.2kΩ | 56.2kΩ
Tolerance: 1.0% | 1.0%
Power: 50 mW | 125mW
Package: 0603 | 0805
Voltage: 25V | 150V
Temperaturkoeffizient: 200 ppm | 100 ppm
Sollte in allen Belangen gleich oder besser sein?

L1
Coilcraft XAL4030-332MEB | JLCPCB: C155152
https://jlcpcb.com/parts/componentSearch?isSearch=true&searchTxt=TMPA1004S-3R3MN-D
L: 3.3µH | 3.3µH
DCR: 26mΩ | 10.5 26mΩ
IDC: 5.5A | 10A
Tolerance: 20% | 20%
Resonanzfrequenz: 43MHz | "Capable of corresponding high frequency 
(5MHz)."
Als Faustregel habe ich gelesen, dass die Resonanzfrequenz zehnmal höher 
als die Arbeitsfrequenz des Reglers sein sollte (oder besser).
Bei JLCPCB finde ich aber keine Spule, die das zusammen mit den anderen 
Parametern erfüllt. Ist in dem Fall die achtfache Arbeitsfrequenz auch 
ausreichend?
Oder bedeutet der Satz im Datenblatt, dass die eigentliche 
Resonanzfrequenz noch höher liegt und die Spule für eine Arbeitsfrequenz 
bis 5Mhz geeignet ist?

von Wühlhase (Gast)


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Ich würde dem Teil noch einen LC-Filter am Eingang spendieren...am 
besten als π-Filter aufgebaut. Die Grenzfrequenz sollte mindestens das 
zehnfache der Schaltfreqzenz betragen.

Hast du die Spule eigentlich vernünftig ausgelegt oder nur irgendeinen 
Wert genommen der dir passend erschien?

Lötnix schrieb:
> Die Spule ist mit 5,3A angegeben, das müsste bei 3A Nennstrom des ICs
> eigentlich genügen.

Du mußt bei Induktivitäten, die in Schaltreglern werkeln, zwischen 
Sättigungsstrom und Effektivstrom unterscheiden.

Der Effektivstrom entspricht einem konstantem Gleichstrom – den gibt es 
im Schaltregler natürlich nicht, taugt aber als Maßstab dafür, wieviel 
Dauerlast sie abkann.

Während des Schaltens entstehen aber Stromspitzen, die deutlich über der 
Dauerstrombelastung liegen – bei diesen Stromspitzen darf die Spule noch 
nicht in Sättigung gehen, sonst wird sie rasch sehr heiß.

von Lötnix (Gast)


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Danke für den Vorschlag mit dem Filter, schaue ich mir an.

Wühlhase schrieb:
> Hast du die Spule eigentlich vernünftig ausgelegt oder nur irgendeinen
> Wert genommen der dir passend erschien?

Naja, zum Teil. Ich habe mir die Spule angeschauen, die WeBench 
vorgeschlagen hat. Die hat 5,6A Sättigungsstrom und 28,6 mOhm.
Die von mir ausgesuchte hat 14A Sättigungsstrom und 10,5 mOhm und ist 
als "extended part" für die SMD-Linie bei JLC verfügbar. Und bei 
"No-Name" schadet etwas Reserve vermutlich nicht.

von Andreas M. (amesser)


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Die Vias bei VBoost/Pin6 sind meiner Meinung nach unnötig. (?)

Die Feedback-Leitung ist ungünstig gelegen, die schneidet deine 
Grundplane in zwei Hälften. Besser wäre die im Uhrzeigersinn am rechten 
Rand der Platine entlang zu legen. Vermutlich ist es sogar besser, wenn 
du die FB Spannung direkt an der Spule abnimmst und nicht erst bei den 
Kondensatoren. Lt. Datenblatt legt der TPS intern sowieso künstlichen 
Ripple für seinen Regler auf die FB Spannung.

Ich würde die Spule im Top-Layer direkt verbinden und den Pin 1 besser 
per VIA direkt nach unten auf die Groundplane. Die Verbindung 
Spule-Schaltregler ist eine der kritischsten, da kommen die meisten 
Störungen her und wenn die dein Schaltregler-GND links und rechts 
flankiert..... Auch sollte diese Verbindung Flächenmäßig besser klein 
gehalten werden, also nicht unnötig breit unter der Spule wie hier. 
Thermisch bringt Dir das nicht viel, dafür kann die Kapazität der Fläche 
eher Probleme bereiten, wie eine kleine Antenne.

von Wühlhase (Gast)


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So schlecht sind Flächen nicht immer, ganz im Gegenteil. Gerade dort, wo 
du sowieso Kapazitäten brauchst (z.B. die Glättungskapazität am Ausgang, 
Eingangsfilter) wird da einiges besser: Zwar nur geringe Kapazität, aber 
dafür auch eine sehr geringe Induktivität die du weder mit 
Keramikgeraffel noch sonstwas anderem erreichst.

Und sieh zu daß du eine durchgängige Masselage bekommst. Die 
Leiterbahnen sollten da auf jeden Fall raus, zumindest die lange 
Nord-Süd-Verbindung muß da weg.

von Wühlhase (Gast)


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Ach ja, und schau dir nochmal das Verhalten der Kapazität unter Spannung 
an...das sorgt auch gerne für unanagenehme Überraschungen.

von Lötnix (Gast)


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Andreas M. schrieb:
> Die Vias bei VBoost/Pin6 sind meiner Meinung nach unnötig. (?)

Ich dachte zuerst, dass die evtl. zu Kühlzwecken dienen. Aber 
wahrscheinlich ist die Kühlung gut genug, wenn die ganze Platine auf 
einem Aluprofil befestigt ist.

Andreas M. schrieb:
> Vermutlich ist es sogar besser, wenn
> du die FB Spannung direkt an der Spule abnimmst und nicht erst bei den
> Kondensatoren.

Erledigt. Ich habe den Spannungsteiler ein bisschen umsortiert, damit 
die Feedback-Leitung weniger lang wird und günstiger angeschlossen 
werden kann.
Nebenbei hat auf derselben Grundfläche so noch ein 100-nF-Kerko Platz 
gefunden.

Andreas M. schrieb:
> Ich würde die Spule im Top-Layer direkt verbinden und den Pin 1 besser
> per VIA direkt nach unten auf die Groundplane.

Auch das ist erledigt, klingt beides sinnvoll. Allerdings habe ich mir 
erlaubt, ein paar Vias mehr zu verwenden, um das GND vom IC zur 
Groundplane zu bringen. Im Endeffekt wird darüber ja das IC an den 
Kühlkörper "angeschlossen", da finde ich ein einzelnes Via sehr wenig.

Wühlhase schrieb:
> Und sieh zu daß du eine durchgängige Masselage bekommst. Die
> Leiterbahnen sollten da auf jeden Fall raus, zumindest die lange
> Nord-Süd-Verbindung muß da weg.

Masselage ist jetzt durchgängig. Das macht nebenbei auch die Montage auf 
einem Kühlkörper viel stressfreier.

Wühlhase schrieb:
> Ach ja, und schau dir nochmal das Verhalten der Kapazität unter
> Spannung
> an...das sorgt auch gerne für unanagenehme Überraschungen.

Den Effekt kenne ich schon - deshalb habe ich für die Kerkos auch höhere 
Spannungswerte und X7R ausgesucht, um den Kapazitätsverlust bei gleicher 
Spannung zu verringern. Ich denke, dass ein Kerko für 25V bei 12V 
weniger Kapazität hat als einer für 50V, oder?

Danke für die Tipps.

Beim LC-Filter bin ich noch etwas unsicher, wie ich den auslegen soll.
Grundsätzlich scheint ein LC-Filter ein frequenzabhängiger 
Spannungsteiler zu sein. Bei der Spule geht der Widerstand mit der 
Frequenz rauf, und der Kondensator wird mehr und mehr zum Kurzschluss.
So habe ich das jedenfalls hier verstanden:
https://electronicbase.net/de/tiefpass-berechnen/#lc-tiefpass-funktionsweise
Für ca. 6 MHz Trennfrequenz kommen hier bei einem LC-Filter (2. Ordnung) 
330 nH und 1,8 nF raus.
Kann das hinkommen? Ich hätte dafür diese beiden Teile benutzt:
https://jlcpcb.com/parts/componentSearch?isSearch=true&searchTxt=TMPC0402HP-R33MG-Z02
(330 nH, 9A, 7.8mΩ  → 9A ist wahrscheinlich overkill, dafür hat die 
schöne große Kontaktflächen zur Lötbefestigung, bei den anderen sind das 
anscheinend nur so fiddelige Drähte.)
https://jlcpcb.com/parts/componentSearch?isSearch=true&searchTxt=C0603N182J050T
(1,8 nF NP0 50V in 0805)

Theoretisch müssten die Werte stimmen...?

von Wühlhase (Gast)


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Lötnix schrieb:
> Beim LC-Filter bin ich noch etwas unsicher, wie ich den auslegen soll.

Als Tiefpass, und wie bereits gesagt: Die Grenzfrequenz sollte 
mindestens das zehnfache der Schaltfrequenz betragen. Mehr ist auch in 
Ordnung.


Lötnix schrieb:
> Grundsätzlich scheint ein LC-Filter ein frequenzabhängiger
> Spannungsteiler zu sein. Bei der Spule geht der Widerstand mit der
> Frequenz rauf, und der Kondensator wird mehr und mehr zum Kurzschluss.

Ja...auch. In diesem Fall dürfte dir die Betrachtung als Stromteiler 
aber besser weiterhelfen. Du willst, daß hochfrequente Ströme nahe bei 
deiner Schaltung bleiben und NICHT über die Leitung zu deiner Speisung 
fließen. Mit dem Kondensator bietest du für hochfrequente Anteile einen 
niederimpedanten Weg zurück zu ihrer Entstehung - nämlich zu deinem 
Schaltregler.
Dito die Induktivität, nur anders herum.

von Lötnix (Gast)


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Also, damit das Thema nicht einfach so stirbt: Anbei das Ergebnis, läuft 
seit ungefähr einer halben Stunde im Test. Eingangsspannung 12V, 
Lastwiderstand 4,4 Ohm. Ausgangsspannung ist von 5,138 V (Leerlauf) auf 
5,089 V gesunken, also quasi nichts.

Die Widerstände sind gut warm, aber kurzzeitig anfassbar (jeweils 2,2 
Ohm mit 20W). An der ganzen Platine wird maximal die Spule vom Regler 
ein bisschen warm, sonst nichts.

Ich bin echt beeindruckt, was so ein winziger Schaltregler-Baustein 
kann.

Danke für eure Hilfe!

von Wühlhase (Gast)


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Schön daß es so gut funktioniert. :)

Und danke für die Rückmeldung.

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