Hi,
ich hab ein Problem mit einem Schaltwandler der mein Verständnis
übersteigt.
Es handelt sich um einen TPS62933F von TI, Eingangsspannung 10-24V,
Ausgang 3.3V, <1A last.
Zuerst gesehen habe ich das mit dem Multimeter:
1
VIN -> VOUT
2
10V -> 3,36V
3
12V -> 3,38V
4
14V -> 3,37V
5
16V -> 3,39V
6
18V -> 3,49V
7
20V -> 3,54V
8
22V -> 3,59V
9
24V -> 3,64V
Wie man sieht ist die Ausgangsspannung bei 24V schon 350mV über Soll und
damit über dem absolut maximum rating meiner Bauteile und weit weg von
den 3.3V +-1% die der TPS62933 verspricht.
Ein Problem mit den Werten der Feedback-Widerstände selber kann es nicht
sein, dann wäre der Fehler ja konstant und würde sich nicht mit der
Eingangsspannung ändern.
Beim ersten Prototypen hatte ich zuerst die Spule (L1) im Verdacht.
Nochmal mit dem Datenblatt abgeglichen und festgestellt, dass die
tatsächlich viel zu groß ausgelegt war. In meiner Schaltung hatte ich
8.2uH verbaut, das Datenblatt sagt 4.7uH. Zum Glück gibts eine 4.7uH
Spule aus der gleichen Serie -> Eingebaut und das Problem war erstmal
scheinbar verschwunden.
Dann eine Kleinstserie aufgebaut (4 Stück + den Prototypen) und das
Problem ist wieder da.
Also mal das Oszi drangehalten (schön mit Massefeder für kurze Masse)
und ziemlich unschöne Dinge gesehen.
feedback_1.png und feedback_2.png zeigen das Signal am FB-Pin. Es
schwankt rund um 0.8V (Ref-Spannung), aber wackelt mehr als ich erwartet
hatte. Außerdem sind manche Komponenten extrem hochfrequenz.
Das Ausgangssignal (output_1.png und output_2.png) schwankt mit
AC-Kopplung um 300mV hin- und her.
Da bin ich jetzt mit meinem begrenzen Schaltwandlerwissen am Ende.
Im Anhang der Schaltplan und der Ausschnitt aus dem Layout. Zum Test
habe ich den Rest der Schaltung abgeklemmt (FB2/3/4 ausgelötet) und eine
elektronische Last mit 0.3A drangehangen. So sprengt es mir nicht den
Rest der Schaltung.
Die Schaltung ist super empfindlich gegen Fingerauflegen im Bereich des
Feedback-Netzwerks (R52/R52 und C35). Da springt die Spannung, gerne mal
auch von 3.6V in den korrekten Bereich (3.3V). Klar, C35 hat 47p, da ist
so ein Finger natürlich eine ordentliche Änderung.
Vielen Dank für euren Input
Bauteiltöter
Irgendeine Idee?
> Irgendeine Idee?
Wie du schon gemerkt hat ist FB prinzipiell der empfindlichste
Teil deiner Schaltung. Da finde ich es nicht so klug den
lang und nahe dem heissesten Teil deiner Schaltung zu verlegen.
Vanye
- Hat C35 wirklich 47pF und nicht aus Versehen 47nF? Schmeiß den mal
ganz raus, probehalber.
- Welche Parameter hat die Spule? Sättigungsstrom?
- Sehe keine GND Durchkontaktierung am IC, ist da eine?
- Gibt es ein Pad unter dem IC?
Hallo Torben,
ich habe in der Vergangenheit viele schlechte Erfahrungen mit dem
Rückkopplungskondensator gemacht, das sah bei mir dann ganz ähnlich aus.
Den muss man sehr spezifisch an seine Gegebenheiten anpassen und sollte
ihn nicht blind aus dem Datenblatt übernehmen, mache ich seit dem auch
nicht mehr. Nimm mal den Kondensator raus. Der Rest von deinem
Rückkopplungsnetzwerk schaut gut aus, auch das Layout sollte nicht zu
diesem Ergebnis führen.
Wenn du dann Probleme mit der Reaktion des Reglers auf Laständerungen
hast, kannst du den Rückkopplungskondensator langsam erhöhen, bis es
passt. Wenn man es übertreibt kann der Regler dadurch aber auch instabil
werden.
Viel Erfolg,
Simon
Hmm einleuchtende Erklärung.
Der Vollständigkeit halber hab ich mal das Beispiellayout aus dem
Datenblatt angehängt - deren Feedback-Leitung geht den selben großen
Bogen rechts herum - aber auf dem anderen Layer und eingebettet in
Masseflächen.
Jetzt muss ich mal schauen wie ich DAS zum Testen geändert bekomme ohne
es noch schlimmer zu machen.
Harald A. schrieb:> - Hat C35 wirklich 47pF und nicht aus Versehen 47nF? Schmeiß den mal> ganz raus, probehalber.
Hat er, hab ihn gerade mal rausgeworfen. Ergebnis: Siehe unten
> - Welche Parameter hat die Spule? Sättigungsstrom?
Die Spule ist eine SRN5040-4R7M. Sättigungsstrom 3.3A, Irms 3.1A,
DC-Widerstand 35mOhm
https://www.mouser.de/datasheet/2/54/bourns_SRN5040-1159409.pdf> - Sehe keine GND Durchkontaktierung am IC, ist da eine?
Nein. Masse für den Regler kommt nur von links, die drei Vias unter C32.
> - Gibt es ein Pad unter dem IC?
Nein, der hat kein Pad.
Simon D. schrieb:> Der Rest von deinem> Rückkopplungsnetzwerk schaut gut aus, auch das Layout sollte nicht zu> diesem Ergebnis führen.
Hmm okay, schön wenn das Layout vielleicht doch nicht das Problem ist,
jetzt fehlt nurnoch die Lösung :D
Ich hab den C35 rausgenommen und es hat tatsächlich eine Änderung des
Verhaltens bewirkt.
Wenn ich mit dem Labornetzteil von Hand zwischen 10V und 24V durchkurbel
(bei 200mA Last) fängt es bei 3.32V an und bleibst Konstant, dann gibt
es bei ~20V Vin einen harten Sprung hoch auf 3.4V und bei 22.6V springt
es zurück auf 3.3V (??)
Siehe Rampup - da sieht man sogar ein paar Sprünge. Gelb: Vin, Blau:
Vout.
Nicht wundern, die Rampe in Vin ist so krumm weil ich einfach per Hand
am Labornetzteil gekurbelt habe.
Die Ausgangsspannung sieht deutlich besser aus, (output_3.png), ich
vermute, dass das von den Ferritperlen-Kondensator-Kombis nach dem
Regler weggefiltert wird (muss aber noch die Brücken wieder reinbauen
und messen).
Am Feedback-Pin siehts immernoch ein bisschen wild aus, aber aktuell
sprengt es zumindest bei keiner Eingangsspannung mehr den Digitalteil
weg.
Du verletzt die absolute Maximum Werte des Enable Pins ab 11V am
Eingang, das würde ich mal ändern. Nicht, dass da irgendwo Strom
hinfliesst und die interne Referenz hochgezogen wird bis die OVP
anspricht.
Ansonsten, wie sieht die Switch Node und der Eingang aus?
Simon D. schrieb:> Mich verwirrt aktuell noch das Signal, das du am Ausgang gemessen> hast.> Ist das mit oder ohne Last gemessen?
Das ist mit Last, ich hab nochmal gemessen.
Bei Vin 21V schaltet es hart zwischen irgendwelchen Modi hin- und her,
mit 200mA last von der Elast.
Siehe output_200mA_19V.png <-> output_200mA_21V. Zwischen den beiden
Signalformen ist ein wirklich hartes Umschalten zu sehen.
Außerdem hab ich noch eins mit 800mA Ausgangsstrom gemacht, da bleibt
die SIgnalform konstant, nur die Frequenz ändert sich ein wenig wenn ich
die Eingangsspannung ändere.
Omega G. schrieb:> Du verletzt die absolute Maximum Werte des Enable Pins ab 11V am> Eingang, das würde ich mal ändern.
Oh, das habe ich schon :/ das hat mich den ersten Regler gekostet und
vergessen es vor dem Upload im Schaltplan zu ändern.
Das (und die Spule) sind aber die einzigen beiden Abweichungen zwischen
Schaltplan und Realität.
Ich habe R54 gegen 20k getauscht, damit komme ich auf 4.5V bei 24V Vin.
Omega G. schrieb:> Ansonsten, wie sieht die Switch Node und der Eingang aus?
Siehe Screenshots. Switch gemessen (2x AC-Gekoppelt, 1x DC) an C30.
Input gemessen über C34, natürlich alles mit Massefeder.
Irgendwie kann ich keinen rechten Zusammenhang zwischen den Masseflächen
der Speicherkapazitäten und dem Feedback-Netzwerk herleiten. Ist das
alles über die Buchse links zusammengeführt? Das könnte es schon
erklären.
Aus dem Datenblatt "Pin 7 SS/PG: A minimum 6.8 nF ceramic capacitor must
be connected ... Do not float." (Du hast ja den TPS62933F) Vergleiche
mit deinem Schaltplan...
Harald A. schrieb:> Ist das alles über die Buchse links zusammengeführt?
Hmm ja - das ist wirklich die einzige Verbindung. Ich wollte Laststrom
und Signal ordentlich trennen, aber fürs Feedback-Netzwerk ergibt das
natürlich keinen Sinn.
Ich hab jetzt mal unten eine dicke Brücke drübergelötet (genau zwischen
den beiden von dir markieren Punkten).
Jetzt bleibt die Spannung zwischen 3.2V und 3.35V, die Restwelligkeit
ist immernoch nicht gut und der Sprung zwischen 20V und 24V ist
immernoch da (siehe Screenshots), alles bei 500mA Last @ 3.3V.
Also optimistisch die Brücke zum Digitalteil rausgemacht,
eingeschaltet... 3.5V. AARG!
Mal vorsichtig durchgekurbelt, das ganze ist die Meiste zeit bei 3.3V,
aber hat komische Sprünge. Bei 10->20V ist alles okay, dann springt es
über 20V aufeinmal von 3.3V auf 3.5V, dann bei 23V ist alles wieder ok
(3.3V).
Jetzt frag ich mich: Mach ich ein neues Layout mit dem Input aus dem
Forum, hole mir nochmal Feedback und bestelle es nochmal? Oder ist da
noch was anderes Krumm?
Andreas M. schrieb:> Aus dem Datenblatt "Pin 7 SS/PG: A minimum 6.8 nF ceramic capacitor must> be connected ... Do not float." (Du hast ja den TPS62933F) Vergleiche> mit deinem Schaltplan...
Oh, lesen sollte man können - ich dachte, ich hab einen PG Pin. Ich hab
10nF gegen Ground reingebaut, hat leider am Verhalten nichts geändert.
So,
ich habe mal den Schaltplan und das Layout geändert.
Im Schaltplan:
- Widerstand R54 für Enable auf 20k geändert
- Spule auf 4.7uH geändert
- Kondensator am Pin 7 (SS/PG) hinzugefügt
Im Layout:
- Durchgehende Massefläche aufm Bottom-Layer
- Masseflächen auf Top mit Vias
- Feedback-Leitung zwischen Masseflächen gelegt
Ich wäre sehr dankbar wenn sich jemand mit mehr Schaltwandlererfahrung
das Layout nochmal ansehen könnte bevor ich Versuch Nummer zwei fertigen
lasse.
Viele Grüße
Torben
Torben H. schrieb:> Ich wäre sehr dankbar wenn sich jemand mit mehr Schaltwandlererfahrung> das Layout nochmal ansehen könnte bevor ich Versuch Nummer zwei fertigen> lasse.
Man sollte sich am Anfang eher einen pflegeleichten Step-Down-Regler
aussuchen, d.h. am besten nicht einen Synchron-Regler. Das Layout ist
bestimmt noch verbesserungswürdig, aber die Ursachen (ja, es sind leider
gleich mehrere) für Dein Scheitern, was am Verhalten des Reglers für
mich sofort erkennbar ist, liegen woanders – man könnte die Schaltung
auch von Hand auf einer zweiseitigen Lochrasterplatine aufbauen, was ich
am Anfang mit einigen auch getan habe, und wenn man es richtig macht,
wird die Schaltung auf dem Lochraster einigermaßen brauchbar
funktionieren. Als einen vernünftigen und adäquaten Einstieg empfehle
ich z.B. LM2596 oder XL1509 – das sind keine Synchronregler und die
Endstufe läuft hier mit einem Bipolartransistor (Sziklai-Paar), die
Schaltfrequenz liegt bei 150kHz und geht nicht – wie hier – in den
exorbitanten MHz-Bereich. Der Wikrungsgrad ist bei so einem
pflegeleichten Regler etwas schlechter, aber wenn man am Anfang steht,
sollte das erstmal egal sein.
Wenn Du erfahren möchtest, wie eine Step-Down-Schaltung auf eine
Leiterplatte übertragen werden kann (designmäßig), kann ich Dir eine
Platine für den XL1509 privat für ein paar Euro zuschicken – auch den
Schaltplan würdest Du dann von mir bekommen, denn die von den
Herstellern verschönerten Schaltpläne, die in den Datenblättern immer
präsentiert werden, müssen in der Regler angepasst und verbessert
werden, was ich immer auch mache – das gilt insbesondere für alle
Synchronregler, ansonsten können sie – abgesehen von so einem Verhalten
wie in Deinen Fall – auch sehr schnell kaputtgehen. Bei Interesse bitte
eine private Nachricht mit der Angabe einer eMailadresse für einen
adäquaten Informationsaustausch schicken, ansonsten wünsche ich noch
viel Erfolg, Spaß oder was auch immer einen noch in so einem Fall
erwartet.
Gregor J. schrieb:> für Dein Scheitern, was am Verhalten des Reglers für> mich sofort erkennbar ist,
Kannst du die Probleme dieses Wandlers bitte benennen wenn sie so
offensichtlich sind?
Vor allem die Probleme, die hier noch nicht angesprochen wurden und die,
die im neuen Layout vorhanden sind?
Ich würde viel lieber etwas lernen als den Wandlertyp zu wechseln.
Gregor J. schrieb:> exorbitanten MHz-Bereich.
Das ist ein 500kHz-Wandler.
Gregor J. schrieb:> Wenn Du erfahren möchtest, wie eine Step-Down-Schaltung auf eine> Leiterplatte übertragen werden kann (designmäßig), kann ich Dir eine> Platine für den XL1509 privat für ein paar Euro zuschicken
Vielen Dank, kein Interesse. Dann kann ich mir auch ein 0815
Schaltwandlermodul kaufen und auflöten.
Setze doch einfach das Layout aus dem Datenblatt um, dann wird das schon
funktionieren. Das ist jedenfalls immer ein sehr guter Anhaltspunkt. Das
Argument, dass synchrone Wandler schwerer umzusetzen seien, mag ich
überhaupt nicht teilen. Und Du hast recht, 500kHz sind eigentlich nicht
problematisch.
Torben H. schrieb:> Das ist ein 500kHz-Wandler.
Das ist ein 200kHz bis 2,2MHz Wandler, den Du mit Deiner Einstellung
momentan mit ca. 500kHz betreibst bzw. zu betreiben versuchst, denn
richtig funktionieren tut es nicht.
Gregor J. schrieb:> Torben H. schrieb:>> Das ist ein 500kHz-Wandler.>> Das ist ein 200kHz bis 2,2MHz Wandler, den Du mit Deiner Einstellung> momentan mit ca. 500kHz betreibst bzw. zu betreiben versuchst, denn> richtig funktionieren tut es nicht.
Stimmt.
Dein "du kannst nix, mach was anderes oder kauf ein Board von mir" ist
nicht im Sinne des Forums und hilft leider nicht weiter.
Torben H. schrieb:> Dein "du kannst nix, mach was anderes oder kauf ein Board von mir" ist> nicht im Sinne des Forums und hilft leider nicht weiter.
Das habe ich nicht gesagt – ich habe gesagt, dass man am Anfang lieber
mit einem einfacheren Regler anfangen sollte. Wenn man das schafft und
gut beherrscht, kann man sich einem komplexeren nähern. Ist so ähnlich
wie der Einstieg in die STM32-Welt mit einem STM32F7 oder gar H7,
verboten ist es aber nicht und dass Du meine indirekte Hilfe in Deiner
Überheblichkeit und Fehleinschätzung eigener Fähigkeiten überhaupt nicht
siehst, ist auch ersichtlich.
Also das Layout ist nicht das beste, aber ich hab schon sehr viel
schlimmeres gesehen. Diese kleinen Schaltregler sind eigentlich recht
harmlos wenn man paar Kleinigkeiten beachtet, ob synchron oder nicht
macht da eigentlich keinen Unterschied.
Folgendes würde ich für die nächste Layoutrevision empfehlen:
- Der bootstrap Cap sollte näher an den IC, die Leitung ist viel zu lang
- Der Schaltknoten kann ruhig kleiner werden, das reduziert
Störeinkopplungen in was auch immer drunter liegt
- Das Feedback würde ich direkt am Ausgangskondensator abgreifen, nicht
dicht an der Spule. Die Leitung weit vom Schaltknoten entfernt layouten.
So wie es in der neuen Variante gemacht ist, sollte es ok sein.
- Der Teil vom Feedback Netzwerk, der an den Pin geht (also der Abgriff
zwischen den Widerständen) sollte so klein wie möglich und so dicht wie
möglich am IC sein
- Die Masse vom Feedback netzwerk sollte dicht am GND Pin vom IC
angeschlossen sein, also den Widerstand dicht da hin schieben. In deinem
überarbeiteten Layout gehst du schön nach oben unter dem IC druch -
genau dort oberhalb vom IC würde ich den Widerstand hin legen (R52 um
180° drehen und dichter an den IC schieben). Hier empfiehlt es sich, die
Massefläche dort dann auch enden zu lassen, damit keine sonstigen Ströme
hier durch fließen. Bei diversen ICs gibt es aus diesen Gründen extra
eine Analog-Masse, aber das sind meißt deutlich größere Kaliber als der
kleine Käfer.
- Das gleiche was für das Feedback gilt, empfiehlt sich auch beim
Spannungsteiler für die UVLO. R55 und C4 um 180° drehen und an den
ruhigen Massefortsatz anschließen wie schon beim Feedback beschrieben.
Abgesehen vom Layout fält mir auf die Schnelle nichts gravierendes auf
(der SS cap wurde ja bereits angesprochen). Die Spannungsfestigkeit der
Keramikkondensatoren nehme ich mal als ausreichend an (50V am eingang,
6,3 oder mehr am Ausgang?).
Eins noch: Ich würde noch einen Elko am Eingang empfehlen, 100µ sollten
langen. Vor allem wenn man längere Anschlusskabel hat ist das eine gute
Praxis.
EDIT: Die Spule ist nicht voll geschirmt, da empfiehlt es sich extra
viel Abstand zum Feedback zu halten. Die Leitung zwischen Ausgangs-Cap
und Widerstand darf auch auf dem anderen Layer verlegt werden...
Vielen Dank für den ganzen Input Björn.
> Bootstrap näher
Done
> Schaltknoten kleiner
Done
> Feedback am Kondensator abgreifen
Done
>Die Leitung zwischen Ausgangs-Cap und Widerstand darf auch auf dem anderen Layer
verlegt werden...
Hmm das hab ich jetzt auch gemacht, ist etwas doof weil da eigentlich
eine dicke stromführende Leiterbahn für den rechten Schaltungsteil im
Weg war - aber die konnte ich verlegen.
> R52 um 180° drehen und dichter an den IC schieben
Done.
> Hier empfiehlt es sich, die Massefläche dort dann auch enden zu lassen
Im Bild tps_via_frage.png habe ich ein paar Vias markiert - die sollten
daher wahrscheinlich lieber weggelassen werden, oder?
> R55 und C4 um 180° drehen
Done
> 50V am eingang, 6,3 oder mehr am Ausgang?
Hm es sind leider nur 35V-Typen am Eingang, in 1210 gibts nicht mehr.
Soll ich da lieber 50V nehmen? Wäre dann in Baugröße 2220, aber mit
4,50€ pro Stück das teuerste Teil auf der BOM.
Oder lieber einen dritten 22u/35V Typen gegen das Derating?
> 100uF Elko am Eingang
Hmm das ist ein Problem, da muss ich nachher nochmal schauen ob ich da
irgendwo genug Platz dafür generieren kann.
Allerdings ist bei meiner Anwendung auch nur eine kurze Kabelstrecke bis
zu einem Meanwell-Netzteil vorgesehen.
Viele Grüße
Torben
Das sieht schon besser aus, ich würde aber noch die Massefläche auf Top
um die Spule weglassen, da am besten gar kein Kupfer oder mit mehr
Abstand zum Schaltausgang. Genauso bei der Spule, die Kupferflächen
nicht unnötig groß und näher beieinander als die Pads der Spule. Man
muss sich immer vor Augen halten, das alle Kupferflächen Kapazitäten
zueinander bilden, um so größer je enger die beieinander sind. Gerade
beim Schaltausgang will man das aber nicht, denn die werden dann nicht
nur ständig umgeladen sondern koppeln natürlich auch die Schaltfrequenz
überall ein. Eigentlich versucht man die Fläche vom Schaltausgang so
klein wie möglich zu halten, bei den kurzen Strecken ist der Widerstand
nicht wirklich relevant. C35 am besten auch erst mal nicht bestücken, da
steht auch im Datenblatt, dass man den nur bei großen
Spannungsteilerwiderständen braucht.
Gott behüte, LM-Schaltregler mit 1999 im Datenblatt. Schauder...
Ich finde, deinen letzter Stand schaut sehr gut aus. Den Switch Node
freistellen finde ich einerseits sinnvoll, aber ich nehme an du hast die
Groundfläche so hingemacht, damit sie dir die Feedbackleitung ein
bisschen abschirmt. Ich weiss nicht, was da mehr Vorteile bringt.
Zum Verständnis von C35. Damit kannst du das Verhalten deines Reglers
tunen. Der FB-Pin hat ja auch eine Eingangskapazität. Wenn du bei V_out
eine schnelle Änderung hast, entsteht ein Tiefpassfilter mit R =
R_fb,upper || R_fb,lower und C = C_in. Ein hochohmiger Spannungsteiler
sorgt dafür, dass es länger dauert, bis der Regler eine Änderung am
FB-Pin sieht. Deshalb stellst du mit C35 einen "schnellen" Bypass für
höhere Frequenzen zur Verfügung, welcher das Umladen von C_FB,in
beschleunigt.
Da gibt es verschiedene Kompensationsschemen:
https://www.ti.com/lit/an/slva662/slva662.pdf
Gewisse Regler haben dafür auch den COMP-Pin herausgeführt, z.B. der
TPS54231.
Das schaut doch sehr gut aus!
Ja, die eingekringelten Vias kannst du weg lassen. Die drei Bauteile
über dem IC können dann noch etwas näher an den IC geschoben werden.
Die Masse bei der Spule ist sone Sache... Grundsätzlich hat mein
Vorredner da nicht unrecht.
Ich denke, solange du keine EMV Prüfung bestehen möchtest, ist es in
diesem Fall egal.
35V keramik mit 24V beaufschlagen kann je nach Kondensator etwas knapp
werden. Hier empfiehlt es sich, die derating Kurven genauer anzusehen -
Oder einfach noch einen vorsehen. Oder, da du ja wohl kurze Leitungen
und nicht all zu viel Leistung hast, einen 22µF Elko irgendwo in die
Nähe quetschen, das dürfte in diesem Fall langen.
Announcement: there is an English version of this forum on 
Thread beobachten
Seitenaufteilung abschalten