DCDC Buck - Messwiderstand extrem heiß

[Peter (kaputteshirn)]

Hi,

ich habe hust eine alte Kosmos-Kiste ausgepackt und da war ne 
kostenlose Premium KiCad Version dabei, dachte ich mir mal: machste mal 
nen DCDC Buck Converter :D:D. Nach endlosen verschwendeten Stunden 
Hirnschmalz folgendes Ergebnis: (tut mir leid, der Platte Humor musste 
gerade sein -.-)

Alles schön und gut, habe mir mit 60W LED Kopfschmerzen gestrobot - 
schaltung macht soweit was sie soll...NUUUUUR wird der Messwiderstand 
extrem heiß. Bei maximaler Leistung lt. Wärmebildkamera bis zu 125°C mit 
ca. 5-7 cm Messabstand, bei 10-15 cm misst sie so um die 110°C. Bevor 
ich die Wärmebildkamera hatte, dachte ich zuerst, das Regel-IC schwingt 
irgendwie oder das Gate vom MOS-Fet wird nicht richtig angesteuert und 
mit durch rumfingern an der Platine davon ausgegangen, dass der FET so 
eskaliert, heute hat mir die Kamera den Messwiderstand entlarvt.

Die Specs:
 - Vin = 30V
 - Iin = ~2,2A
 - Pin ~ 65W

 - Vout = 24,2V
 - Iout ~ Pin / Vout ~ 2,69 A (entspricht ca. dem Wert, wenn der 
Lastwiderstand direkt am Netzteil hängt bei 24,2V)

Specs. Messwiderstand:
 - Rmes = 0,08 Ohm
 - Größe = 2512 SMD
 - Pmax = 2W

Mit dem Multimeter direkt am Messwiderstand gemessen, bekomme ich auch 
das gleiche Ergebnis, wie mir das Netzteil an Iin anzeigt.
Berechnet fällt somit gemittelt am Messwiderstand eine Leistung ab von:
Pmes = Iin  Iin  Rmes = 2,2A * 2,2A * 0,08 Ohm = 0,3872 W

Schaltfrequenz weiß ich leider nicht, hab aktuell keine Messspitzen fürs 
Oszi da. Kann ich erst in ein paar Tagen sagen. Könnte es grob 
durchrechnen (digital Einstellbares Regler IC), aber wir müssten weit 
über 100kHz liegen.

Nun die Frage aller Fragen: Warum sind 387 mW bei einem 2512 SMD 
Widerstand so heiß? Das kann doch gar nicht sein. Selbst bei einer sehr 
hohen Schaltfrequenz müsste mir das Multimeter den gemittelten Wert 
anzeigen und wir sollten auf keinen Fall bei 5 Watt oder sonst was 
liegen?! Vac zeigt mir auch unter 10mV an.
Das Einzige, was mir einfällt, wäre bei hohen Frequenzen der Skin-Effekt 
beim Messwiderstand?
Ich schaue die Tage mal mit einem vernünftigen Oszi drüber.

Irgendwelche Ideen?

Danke,
VG

EDIT:
zum Schaltplan:
Die Werte im Schaltplan entsprechen nicht dem, was verbaut ist. Zum 
Testen hatte ich unterschiedliche Dimensionen verbaut.
Cin (nur Elko) = 680µF
Cout (nur Elko) = 2 * 100µF
Am Regler IC relativ nah zum Messwiderstand sind 5 * 100nF Kerko-SMD 
(hatte keine größeren für diese Spannung da).

[Kevin M. (arduinolover)]

Die viel wichtigere Frage ist, wie groß deine Induktivität ist, die du 
hier als Ferrit bezeichnet hast. Zudem ist der Peak Strom durch die 
Induktivität mitunter wesentlich höher als dein Ausgangsstrom. Je 
nachdem wird dann dein Messwiderstand auch mehr belastet.

[Peter (kaputteshirn)]

Ja klar hast du einen Ripplestrom. Den konnte ich leider noch nicht 
Messen.
Nur gehe ich davon aus, dass hier für die Erwärmung des Widerstandes mit 
dem Durchschnittswert, welches letztlich das Multimeter anzeigt, 
gerechnet werden kann, oder nicht? Ich meine, wir sollten hier ja 
immernoch nicht mehrere Watt daneben liegen.

Die Spule hat 82µ und sollte definitiv nicht in Sättigung laufen. Die 
kann 7A und Schaltfrequenzen >500kHz kann die auch handeln.

[Florian L. (muut)]

Der Effektivstrom erzeugt Wärme, nicht der Mittelwert des Stroms. Sonst 
wäre ein Heitwiderstand an Wechselspannung sinnlos.
Wahrscheinlich hast du einen sehr großen Peakstrom. Aber ohne Oszi ist 
das nur geraten.

[Kevin M. (arduinolover)]

Peter schrieb:
> Nur gehe ich davon aus, dass hier für die Erwärmung des Widerstandes mit
> dem Durchschnittswert, welches letztlich das Multimeter anzeigt,

Das kommt vermutlich stark darauf an, welche Bandbreite dein Multimeter 
hat, ich rate aber mal, dass die weit von der des Stromrippels weg 
liegt.

Peter schrieb:
> Die Spule hat 82µ und sollte definitiv nicht in Sättigung laufen. Die
> kann 7A und Schaltfrequenzen >500kHz kann die auch handeln.

Das klingt in der Theorie ja alles ganz nett, aber die Induktivität ist 
nicht konstant und nimmt mit steigendem Strom ab. Wie stark, kommt auf 
das Modell an.

[Michael B. (laberkopp)]

Peter schrieb:
> soll...NUUUUUR wird der Messwiderstand extrem heiß. Bei maximaler
> Leistung lt. Wärmebildkamera bis zu 125°C

Wie ist er denn montiert ?

Freifliegend kann die Temperatur sein.

Und wenn die 2.2A zu 50% als 4.4A fliessen, sind es schon 0.77W.

[Alfred B. (alfred_b979)]

Florian L. schrieb:
> Der Effektivstrom erzeugt Wärme, nicht der Mittelwert des Stroms.

Bis hierhin ja (siehe Definition RMS = Root Mean Square).

Der Effektivstrom (= I_RMS) ist thermisch relevant, nicht
der Mittelwert.

Aber:

> Sonst wäre ein Heizwiderstand an Wechselspannung sinnlos.

Warum gleich "sinnlos"?

@Peter:
Bitte vollständig typisierte Bauteile, und überhaupt einen
ebensolchen Schaltplan (samt Controller/dessen Beschaltung).

Und falls PCB-Layout, bitte auch dieses, falls anderweitig,
bitte Fotos vom konkreten Aufbau.

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Peter schrieb:
> Irgendwelche Ideen?

Niemand weiß genau, wie der SMD-Widerstand montiert ist und ob er über 
Leiterbahnen und Platine seine Wärme effizient abführen kann. 
Möglicherweise ist seine MAximalleistung bei irgenwo 200 C spezifiziert.

mfg

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Peter schrieb:
> aber wir müssten weit über 100kHz liegen.
Für mich ist ein Hauptmerkaml eines Schaltregler die Schaltfrequenz. 
Daraufhin werden die Komponenten ausgewählt und es ist das erste, was 
ich bei der Inbetriebnahme kontrolliere.

> Nun die Frage aller Fragen: Warum sind 387 mW bei einem 2512 SMD
> Widerstand so heiß?
Es sind vermutlich mehr als 387mW, weil der Schaltregler wegen Überstrom 
eingreift.

Peter schrieb:
> Die Spule hat 82µ und sollte definitiv nicht in Sättigung laufen. Die
> kann 7A und Schaltfrequenzen >500kHz kann die auch handeln.
Schreib doch einfach, was das für eine Spule ist, dann kann jeder selber 
schauen.

Peter schrieb:
> Specs. Messwiderstand:
> Rmes = 0,08 Ohm
Das passt nicht so richtig zum Schaltplan. Was passt sonst nicht?

> Größe = 2512 SMD
Der 2512 Widerstand hier hat 3W bei ta=70°C und er erreicht damit eine 
Körpertemperatur von 170°C:
- https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/B400/DS_CRA_BOURNS.pdf

> Pmax = 2W
Mit je 1 Quadratzoll Kupfer links und rechts.

Eine gängige Faustformel für den thermischen Widerstand eines 1 
Quadratzoll großen Kupferbereichs (bei 35µ Dicke) auf einer 
FR4-Leiterplatte liegt etwa bei 70°C/W bis 100°C/W. Wie groß ist deine 
Kupferfläche für den Widerstand?

[Andrew T. (marsufant)]

Peter schrieb:
> Specs. Messwiderstand:
>  - Rmes = 0,08 Ohm
>  - Größe = 2512 SMD
>  - Pmax = 2W

Da braucht es auch größere Kupferflächen zusätzlich zu  den Lötpads,
um diese Wärme wegzubringen.
Also je Seite  mind. 2 cm2  bei 35u Cu.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Habs wieder gefunden:
- https://www.ti.com/lit/an/slpa015/slpa015.pdf

1 Unze Kuper (pro Quadratfuß) sind die üblichen 35µ Kupferdicke.

[Bana A. (bananen_bieger)]

80mOhm fuer einen 3A Shunt sind auch etwas ueppig. Ich empfehle eher 
10mOhm.

[Peter (kaputteshirn)]

Hi,

danke erstmal für die konstruktiven Antworten! :)

Ich meld mich auf jedenfall zurück die Tage, erstmal messen.


VG

[Peter (kaputteshirn)]

Hallo erstmal, nach gefühlt einer Ewigkeit wieder zurück.
Man hat dann doch meist weniger Zeit, als einem lieb ist, erstrecht, 
wenn man älter wird (heul). Naja dafür wächst die Weißheit....hoffe 
ich ;D

Bana A. schrieb:
> 80mOhm fuer einen 3A Shunt sind auch etwas ueppig. Ich empfehle eher
> 10mOhm.
Leider bin ich durch das IC an diese Größe gebunden.

Die extreme Wärme liegt an unterschiedlichen Stellen:
Was den Schalt-FET angeht: das IC ist ein Constant-OFF-Time Regler. Je 
nach Einstellung mischt das IC den normalen PWM mit kurzen 
hochfrequenten Pulsen um den Strom zu erreichen. Das führt dann 
natürlich zu hohen Schaltverlusten am FET.

Was den Messwiderstand angeht bin ich noch nicht so weit gekommen. 
Allerdings ist auffällig, dass beim Einschalten des FETs ein extrem 
hoher Spitzenstrom von ca. 37 Ampere! für ca. 10ns fließt - das würde 
das extreme Heißwerden erklären. Die rosa Kurve ist gemessen direkt an 
der Freilaufdiode.
Jetzt ist nur die Frage: woher kommt der Spitzenstrom?
Ich vermute es liegt an der Erholzeit der Diode.
https://www.diodes.com/assets/Datasheets/SDT15H100P5.pdf
Das ist die verbaute Diode, ich finde leider keine Daten zur Erholzeit.
Allerdings - wenn eine für weniger Strom nehme, ist der Spitzenstrom 
auch halb so groß:
https://www.diodes.com/assets/Datasheets/SDT5H100P5.pdf

Das nächste mal kommt mir kein asyncroner Regler mehr auf die Platine...

[Peter (kaputteshirn)]

Peter schrieb:
> Ich vermute es liegt an der Erholzeit der Diode.

Also mit der "kleineren" Diode ist die Temperatur des Messwiderstandes 
ca. 7-10°C kühler.

[Peter G. (metalfranke)]

Hallo,

sieh dir mal die Kapazität deiner Dioden an: ca. 350pF vs. 150pF 
(jeweils bei 30V)...

Gruß Peter

[Armin X. (werweiswas)]

Ich habe jetzt nicht alles bis zum Anfang zurückgeschaut.

Jedoch sollte bei einem Buck-Regler der Strom durch die Drossel niemals 
so schnell ansteigen.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Bau mal mit Widerstand, Schottky-Diode und Kondensator einen 
Spitzenwertgleichrichter, der parallel zu dem Messwiderstand haengt. 
Daran haeng mal ein Multimeter.

10k, BAT xxx, 100nF;


Fuer den Mittelwert brauchst Du noch mal 10k parallel zum Kondensator.

[Rainer W. (rawi)]

Peter schrieb:
> Also mit der "kleineren" Diode ist die Temperatur des Messwiderstandes
> ca. 7-10°C kühler.

Ich hoffe, dass es der Messewiderstand ist, der sich dann weniger 
aufheizt und nicht dessen Temperatur ;-)

Peter schrieb:
> Allerdings ist auffällig, dass beim Einschalten des FETs ein extrem
> hoher Spitzenstrom von ca. 37 Ampere! für ca. 10ns fließt - das würde
> das extreme Heißwerden erklären.

37 A an 80 mOhm über 10 ns bei 100 kHz würde in einer Heizleistung von 
100 mW resultieren. Davon alleine  sollte nichts extrem heiß werden, 
falls der Widerstand nicht gerade kleiner als 0805 ist.

Ist die Schaltfrequenz deines Wandlers inzwischen klar und welche 
Leistung verträgt der Widerstand?

[Mi. W. (mikuwi)]

Armin X. schrieb:
> Ich habe jetzt nicht alles bis zum Anfang zurückgeschaut.
>
> Jedoch sollte bei einem Buck-Regler der Strom durch die Drossel niemals
> so schnell ansteigen.

Kleine Anmerkung am Rande:

Der Spannungsanstieg für 10ns am Shunt ist auch nicht der Stromanstieg 
durch die Drossel (wie sollte das auch gehen) sondern eine mangels 
Bilder vom Aufbau, Messmethode, Messgerät (Highside-Strommessung mit 
vielleicht Masseklips vom Tastkopf?), Skinneffekt, Info von Ls vom Shunt 
und sonstigen parasitären Effekten nur als Messfehler zu bezeichnende 
Kurve.

Wenn das wirklich ein USB-Oszi ist mit dem gemessen wurde schupft es die 
PC-Masse durch die Gegend damit sich der Strompfad während der 
Schaltflanke über: Oszi.GND->USB->Computer->irgendwas mit PE(oder die 
Y-Cs)->Labornetzteil->Prüfling schließen kann.

iaw: die Aussage der 10ns am Shunt ist keiner weiteren Betrachtung wert 
solange der TO nicht sagt was er wie und woran gemessen hat.

Allerdings sieht die Messung gut aus und ist eine wunderbare Finte um 
eine falsche Fährte zu legen....

[Peter (kaputteshirn)]

Erstmal danke für die Beteiligung :)

Mi. W. schrieb:
> Der Spannungsanstieg für 10ns am Shunt ist auch nicht der Stromanstieg
> durch die Drossel (wie sollte das auch gehen) sondern eine mangels
> Bilder vom Aufbau, Messmethode, Messgerät (Highside-Strommessung mit
> vielleicht Masseklips vom Tastkopf?), Skinneffekt, Info von Ls vom Shunt
> und sonstigen parasitären Effekten nur als Messfehler zu bezeichnende
> Kurve.

Ja, das habe ich dann letztlich auch gedacht - normalerweise achte, bzw. 
denke ich an sowas, allerdings diesmal irgendwie nicht so sehr. Ich habe 
einen anderen Tastkopf geholt, wo ich vorne eine Feder-Masse-Spitze 
aufstecken kann, sodass ich direkt am Widerstand messen konnte. Das hat 
die Messung einiges sauberer gemacht. 50-Ohm-Terminierung hat nichts 
geändert, also sind mehrmalige Reflexionen durch die Messleitung eher 
auszuschließen.
Die Platine ist aktuell so designed, dass ich unterschiedliche Drosseln 
auflöten kann, es kann gut sein, dass die merkwürdige Kupferfläche das 
produziert.
Hinzukommt die Schaltung: der Messwiderstand ist VOR dem FET, wenn der 
FET dann durchschaltet, entsteht am Widerstand ein Engpass. Je nach 
anwendung macht man ja auch Damping-Widerstände, um Anstiegsflanken 
flacher zu machen, allerdings haben wir hier ja auch mehr an Fläche 
(verglichen zu einer Datenleitung, "extrem" groß), sodass hier auch 
Schwingungen entstehen können, letztlich muss ist alles eine Sache von 
Impedanz.
Das Non-Plus-Ultra wäre natürlich ein Simulationstool, in das ich mein 
Design reinschieben kann und mir die Layout-Impedanzen anschauen kann. 
Dann wäre es denke ich ziehmlich schnell klar, wo es hackt. :D Habe so 
ein Tool leider nicht und keine Erfahrung damit.
Erkennen kann man Messfehler u.A. auch dadurch, dass, wenn man die 
Messleitung anfasst, das Bild auf dem Oszi sich viel verändert. Nach dem 
Ändern auf Masse-Feder war diese Art von Einfluss (CM) viel reduziert.
Weg ist die Spitze trotzdem nicht, aber durch ändern der Diode und 
sauberer Messaufbau hat sie sich halbiert. Ich gehe jedoch eher davon 
aus, dass der Großteil der Spitze vom Layout kommt. Wenn ich alle 
Bauteile final ausgesucht habe, wirds Version 2 zeigen.

MESSWIDERSTAND:
Den Messwiderstand habe ich doch noch kleiner gemacht. Ich hätte gerne 
einen möglichst kleinen Ripple über der Drossel gehabt, allerdings war 
es dann doch so eng, dass die Schaltung nicht wirklich gut damit zurecht 
kommt. Auf einen bestimmten Regelbereich kann man das machen, für 0-100% 
allerdings ist der Ripple zu klein.
Habe gewechselt auf 68 mOhm. Der Widerstand wird jetzt selbst bei 3A 
nicht mehr bedenklich warm und der Regelbereich hat sich extrem 
verbessert.

Ich war bei diesem Projekt tatsächlich auch sehr lese- und rechenfaul - 
das habe ich jetzt von der Schaltung zurückbekommen :D
Das IC arbeitet mit CC - allerdings CC durch die Drossel und nicht CC, 
der tatsächlich am Ausgang fließt. Zusätzlich arbeitet das IC mit 
constant-off-time, sodass, wenn man einen anderen LED-Strang dran hängt, 
durch Bauteiltoleranzen etc. nur vermuten kann, welcher Strom 
tatsächlich fließt. Ja, man kann das berechnen und es trifft auch zu, 
aber eben nur grob.
Für feste Anwendungen, wo man immer weiß, welche Last genau 
angeschlossen wird, ist das IC allerdings ne tolle Sache. Integrierte 
Temperatur-Sensor (wenn auch mit mind. +/-5°K Messtoleranz :D) und zwei 
ADCs, die man an die Ausgänge anschließen kann sind ein ziehmlich cooles 
Feature. Für Fein-dimming kann man PWM benutzten, welches je nach 
Frequenz am Ausgang auch nicht als hartes Ein- und Ausschalten erscheint 
und über das T-Off register kann man man auch Shunt-Dimming machen.

Grüße