step down überschwingen beim einschalten

[Lorenz (lorenz_gr)]

Hallo Forum,
ich verwende folgende Schaltung (LT1776) als Step Down Converter von 25V 
auf 7,5V für die Versorgung eines Digitalteils (MCU).
Beim einschalten schwingt die ausgegebene Spannung bis ca. 21V hoch um 
dann abzufallen und länger etwas zu hoch ausgegeben zu werden bevor 
diese stabil einregelt.
Zuerst habe ich mittels TVS Diode D5 (SMAJ7.5 bzw. SMAJ12) versucht die 
Überspannung zu begrenzen, jedoch hat die Diode geclampt und dürfte 
dauerhaft leitend gewesen sein, da diese nach mehrmaligem einschalten 
thermisch zerstört wird. Die Schaltung funktioniert ohne Diode D5 
reproduzierbar und ohne Probleme.
Der Strombedarf sekundärseitig beträgt ca. 30mA zum Einschaltzeitpunkt.
Der relevante Schaltungsteil ist im Anhang (NT.png) wobei die Diode D5 
bereits entfernt ist. C8 ist ein Tantalkondensator 10µ (TPSB106K020R), 
der Rest ist als KerKo ausgeführt.
Der Verlauf der Spannung (gemessen an C10) zum Einschaltzeitpunkt sieht 
wie in (volt1.png) angezeigt aus.
F: Wie kann ich das Einschalt/Anschwingverhalten dieses Bausteins 
beeinflussen? (Aus der Beschreibung des Kompensationspins Vc des LT1776 
bin ich leider nicht ganz schlau geworden).
Für Hinweise zur Fehlersuche bin ich im Voraus dankbar, auch wenn der 
Vatertag naht.
LG
Lorenz

[H. H. (hhinz)]

Normal macht man über die Beschaltung an VC, aber du kannst auch mal 
einen Kondensator parallel zu R10 versuchen.

[Lorenz (lorenz_gr)]

Ich nehm mal an so im Bereich 100...470nF sollte ein passabler Wert für 
tau ca. 0,5 bis 1ms sein. Werde es mal versuchen.

[Lorenz (lorenz_gr)]

Korrekt,
Die Einschaltvorgänge sehen nun besser aus, siehe Anhänge (ich habe 
einen 68nF KerKo parallel zu R10 verwendet).
Danke
Wie ich passende Werte für R7 u. R5 finde habe ich noch nicht ganz 
verstanden. Gibt es hier geeignete Verfahren?
LG

[Torsten B. (butterbrotstern)]

In LTspice gibt es ein Modell und ein Test Fixture für den LT1776.
Dort ist nach der Spule ein 100µF drin und es gibt keine Überspannung.
Probier es mal aus!

[D. T. (tuxiuser)]

Lorenz schrieb:
> Die Einschaltvorgänge sehen nun besser aus, siehe Anhänge (ich habe
> einen 68nF KerKo parallel zu R10 verwendet).

Moin,
finde ich nicht!
Die 68nF sind in der Regelschleife viel zuviel.
Das kann zu Phase Probleme kommen und alles schwingt.

Schau Dir "PIN 8 VC" an und wie das zusammenhängt.
Sorge an dem PIN den Sanftanlauf.

Gruß
D. T.

Ergänzung:
Löte parallel zu R6 einen Kondensator 10nF - 100nF.
Beim Einschalten füllt sich die Spannung am SHDN-Pin (Pin 1) nicht 
abrupt, sondern steigt als flache Kurve (RC-Zeitkonstante aus R5 und 
C_shdn).

[Luca E. (derlucae98)]

Du kannst eine externe Soft-Start-Schaltung ergänzen.
Figure 7-12 aus dem folgenden Datenblatt. COMP=Vc,Vref=Vcc

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/uc3842.pdf

[Rainer W. (rawi)]

D. T. schrieb:
> Die 68nF sind in der Regelschleife viel zuviel.
> Das kann zu Phase Probleme kommen und alles schwingt.

Das wäre der erste Integrator, der schwingt.

[Mark S. (voltwide)]

Ein Blick in das Datenblatt zeigt einen Ausgangsfilter von 100uH/100uF 
für 5V anstelle der gezeigten 68uH/10uF für 7,5V Ausgang. Der um den 
Faktor 10 verkleinerte Kondensator wäre durchaus eine Erklärung für eine 
instabile Regelschleife dieses current-mode Wandlers. Mit korrekter 
Kompensation müßte er dagegen auch ohne zusätzlichen softstart 
störungsfrei laufen.

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

Wenn er TO dem noch systematisch auf den Grund gehen will, würden sich 
folgende Messungen anbieten:

Es wäre auch sinnvoll beim Einschalten den Spannungsverlauf über C2 zu 
messen.

Als weiteres Experiment wäre noch zu nenen, zuerst die Spannung 
anzulegen und über den SHDN-Pin erst nach wenigen Sekunden manuell den 
Wandler zu starten.

Das Filter vom Datenblatt sollte vom TO auch versucht werden.

Mit dem Oszi kann er sich auch den Verlauf am Vc-Pin anschauen.

[Vanye R. (vanye_rijan)]

> F: Wie kann ich das Einschalt/Anschwingverhalten dieses Bausteins
> beeinflussen?

Etwas Grundlagen in Regelungstechnik koennten helfen. .-)

Der Regler ueberschwingt weil du zu wenig Phasenreserve hast. Die 
Kompensation am VC-Eingang passt nicht zu deiner Schaltung. Vermutlich, 
wuerde ich auch so machen, hast du die einfach aus dem Datenblatt 
abgemalt. Allerdings denke ich das du was anderes an deiner Schaltung 
verbastelt hast und da springt mir zunaechst mal das zusaetzliche 
Ausgangsfilter ins Auge. Das duerfte der eigentlich Grund sein. Ich 
weiss man will so ein Filter gerne haben, aber ist halt dann Teil der 
Regelung.

Also simulier das ganze in LT-Spice und schau dir an wieviel 
Phasenreserve du hast. Dann kannst du das an VC verbessern.
Hier ein paar Grundlagen:
https://4867466.fs1.hubspotusercontent-na2.net/hubfs/4867466/White%20Papers/Documents%20/Specific%20Gain%20and%20Phase%20Margins.pdf

Hier mal etwas zum Filterdesign:
https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/designing-second-stage-output-filters-for-switching-power-supplies.html

Das ist der wichtigste Satz den du dringenst befolgen solltest:

    The feedback is taken before or after the filter
    inductor. The thing that is most surprising to
    people is how much the open-loop Bode plot changes
    even when the filter is not “in” the feedback loop.
    Since the control loop is affected with or without
    the filter in the feedback loop, one might as well
    compensate for it appropriately. In general this
    will mean scaling back the target crossover frequency
    to a maximum of a fifth to a tenth of the filter
    resonant frequency (FRES).

Vanye

[Udo K. (udok)]

Lorenz schrieb:
> ich verwende folgende Schaltung (LT1776) als Step Down Converter von 25V
> auf 7,5V für die Versorgung eines Digitalteils (MCU).

Besser was moderneres verwenden, etwa 
https://www.ti.com/product/TPSM365R3
Die kann man auch verwenden wenn man keine Ahnung von der Materie hat.

[Vanye R. (vanye_rijan)]

> Die kann man auch verwenden wenn man keine Ahnung von der Materie hat.

Koennte sich bei einem extra Ausgangsfilter auch so verhalten und dann 
kann man keinen Einfluss auf die Regelung nehmen wenn alles in einem 
Modul vergossen ist.

Vanye

[Lorenz (lorenz_gr)]

Vanye R. schrieb:
>> F: Wie kann ich das Einschalt/Anschwingverhalten dieses Bausteins
>> beeinflussen?
>
> Etwas Grundlagen in Regelungstechnik koennten helfen. .-)
>
Ja genau, das denke ich auch.

Ich möchte den Frequenzgang des Reglers aufzeichnen, dazu möchte ich in 
den FB Zweig einen Wandler mit einem Frequency Response Analyzer 
einschalten. Ich habe einen Würth Elektronik 750313445  (1:2) Wandler 
(9µH) zu Verfügung. Der Frequenzgang des Übertragers sieht wie im Anhang 
aus. Ist dieser Wandler aus Signal Injektor geeignet?
lg
Lorenz

[Gerd E. (robberknight)]

Das wird vermutlich nicht der Grund für den Überschwinger beim 
Einschalten sein, aber schau Dir auch mal den Eingangsfilter an.

Die 10µF hinter der 3.3µH-Spule erscheinen mir zu knapp. Wenn der Regler 
schaltet, kann deswegen seine Eingangsspannung stark schwanken. Das wird 
den Regeleigenschaften nicht gut tun.

[Udo K. (udok)]

Vanye R. schrieb:
> Koennte sich bei einem extra Ausgangsfilter auch so verhalten und dann
> kann man keinen Einfluss auf die Regelung nehmen wenn alles in einem
> Modul vergossen ist.

Der extra Ausgangsfilter bringt doch nichts.  Die HF pfeift da einfach 
durch wenn er so niederfrequent ist dass der Regler was davon bemerkt.
Das verlinkte Modul hat aber von Haus aus sehr wenig Ripple, keine 
Ahnung wie die das machen.

[Stefan K. (stk)]

Lorenz, zeig doch bitte mal ein Foto vom realen Aufbau.

[Lorenz (lorenz_gr)]

Hallo Gerd,
ja es ist ein Rauschen am Eingang C2 (diese sind aktuell 2x10µF) mit der 
Schaltfrequenz erkennbar, siehe Anhang. (Messung mit AC Kopplung)
Ich vermute mal das dieses Frequenzen den Regler neg. beeinflussen 
können.
LG

[Lorenz (lorenz_gr)]

Hallo Gerd,
der aufbau sieht so aus, das Komp Netzwerk befindet sich auf der 
Unterseite. Die Platine ist 4 Lagig, jedoch nicht optimalst gelayoutet.
LG
Lorenz

[Lorenz (lorenz_gr)]

Vanye R. schrieb:
> Also simulier das ganze in LT-Spice und schau dir an wieviel
> Phasenreserve du hast. Dann kannst du das an VC verbessern.
> Hier ein paar Grundlagen:
> 
https://4867466.fs1.hubspotusercontent-na2.net/hubfs/4867466/White%20Papers/Documents%20/Specific%20Gain%20and%20Phase%20Margins.pdf

Hallo Vanje,
ich hab mal den Aufbau in LTSpice Simuliert, leider kann ich mit dem 
LT1776 Modell keine .AC Analysis durchführen (LT Spice meldet das Model 
ist nur für Time Domain geeignet).
Hier sieht der Verlauf der Ausgangsspannung gut aus, macht hier ein 
testen des Vc Netzwerkes sinn?
lg
Lorenz

[Udo K. (udok)]

Lorenz schrieb:
> ja es ist ein Rauschen am Eingang C2

Natürlich ist da ein "Rauschen".  Mit deinen 6 Mhz Abtastrate wirst du 
auch nicht alles davon sehen...

Warum baust du den Regler nicht so auf wie im Datenblatt auf Seite 1 
gezeigt?
Ich habe dir das Bild als Referenz angehängt.

[Arno R. (arnor)]

Die Schaltung ist nicht instabil. Die würde ja sonst auch nach dem 
Einstellen der korrekten Ausgangsspannung z.B. bei Lastsprüngen 
oszillieren.

Die Überspannung beim Einschalten liegt an der zu kleinen Kapazität am 
Ausgang. Beim Einschalten läuft die Ausgangsspannung mit etwa 10V/ms 
hoch und erreicht nach weniger als 1ms den Nominalwert. In dem Moment 
schaltet der Regler den Ausgang ab, aber die Energie in der Drossel lädt 
die Ausgangskapazitäten weiter auf. Der Regler sieht die zu hohe 
Spannung und bleibt abgeschaltet bis die Spannung auf den Nominalwert 
abgesunken ist.

[Lorenz (lorenz_gr)]

Hallo Udo,
ich habe nun C2 duch einen 22µF ElKo ersetzt, das einschwingverhalten 
entspricht nun dem erwarteten Wert.
Ich habe den Schaltungsteil von einer anderen Schaltung übernommen, ohne 
den Überprüfung der Vorgaben des Datenblattes.
Das Einschaltverhalten entspricht nun auch dem simulieren Verhalten.
Danke für den Hinweis.
Was ist die Quintesenz dieses Maßnahme (tausch KerKo gegen Elko, anderer 
ESR?) und wie wird der Regler beeinflusst?
lg
Lorenz

[Lorenz (lorenz_gr)]

Hallo Udo,
das Spektrum ist nun ebenfalls rauschärmer.
LG

[Udo K. (udok)]

Lorenz schrieb:
> Was ist die Quintesenz dieses Maßnahme (tausch KerKo gegen Elko, anderer
> ESR?) und wie wird der Regler beeinflusst?

Die Quintesenz ist das die Regelschleife von der Quellimpedanz abhängt 
und das Simulationen nicht die ganz Wahrheit sagen.
Die Quellimpedanz hat eine Resonanz mit einer ordentlichen Überhöhung 
(3.3µ + 10µF Kerko).  Das ist gut gemeint aber ein Rezept für Probleme.
Arno hat aber auch noch einen Punkt.

[Arno R. (arnor)]

Udo K. schrieb:
> Arno hat aber auch noch einen Punkt.

Im Anhang mal eine ganz einfache StepDown-Schaltung, bei der man das gut 
sehen kann. Grün ist die Ausgangsspannung, rot der Drosselstrom, jeweils 
für 10µ und 100µ Ausgangskapazität.

Der Cursor steht an der Stelle, an der die nominale Ausgangsspannung 
(5V) mit 10µ erreicht ist. Der Regler schaltet ab, aber die Drossel lädt 
den Ausgangskondensator weiter auf.

[Lorenz (lorenz_gr)]

Hallo Arno,
vielen Dank für die Illustration,
Ich habe das Verhalten selbst nachsimulieren können, vielen Dank.
Ein zu kleiner Ausgangskondensator führt also auch zu überschwingen da 
dieser die in der Drossel gespeicherte Energie nicht aufnehmen kann 
folglich die spannungs ansteigt. Dieser Anstieg stört den Regler (Impuls 
in den Regelkreis).
Danke für die Antworten.
LG
Lorenz

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

Oder von einer anderen Seite betrachtet:

Energiebilanz:
0,5 x L x I² = 0,5 x C x U²
U² / I² = L / C

D.h. wenn C klein gegenüber L sein sollte, wird die Spannung am Ausgang 
zunehmend überhöht werden.

[Stefan K. (stk)]

Lorenz schrieb:
> Ich habe das Verhalten selbst nachsimulieren können, vielen Dank.
> Ein zu kleiner Ausgangskondensator führt also auch zu überschwingen da
> dieser die in der Drossel gespeicherte Energie nicht aufnehmen kann
> folglich die spannungs ansteigt. Dieser Anstieg stört den Regler (Impuls
> in den Regelkreis).

Schau dir in LTspice auch mal den Strom aus und die Spannung am SW 
Anschluss des LT1776 an und vergleich die Spannung mit mit der, die du 
mit dem Oszilloskop dort siehst. In der Simulation kannst du auch noch 
die Ströme durch die Drossel und die Diode anzeigen lassen. Die ersten 
Millisekunden nach dem Einschalten reichen. Und dann zoom zu den ersten 
Pulsen.

[Rainer W. (rawi)]

Dieter D. schrieb:
> D.h. wenn C klein gegenüber L sein sollte, wird die Spannung am Ausgang
> zunehmend überhöht werden.

Du vergleichst Äpfel mit Birnen. Einen Umrechnungsfaktor zwischen Farad 
und Henry wirst du schon benötigen, um die Größen von L und C zu 
vergleichen ;-)

Die geometrische Größe wirst du ja nicht meinen.

[Lorenz (lorenz_gr)]

Hallo Stefan,
in Spice sieht es gut aus, in etwa so wie am Regler,
Was ist eigentlich die Ursache für das Schwingen nach dem Einschalten? 
Ich nehme an dies ist der Zeitpunkt an dem kein Stromfluss durch die 
Drossel D2 mehr stattfindet. Durch diesen Stromabriss wird ein Stoß in 
das LC Filter (L2/C7) verursacht welcher diese Schwingkreis anregt. 
Liege ich hier richtig? LG Lorenz

[Jobst M. (jobstens-de)]

Lorenz schrieb:
> Was ist eigentlich die Ursache für das Schwingen nach dem Einschalten?

Nicht C7, sondern die Kapazität vor allem der Diode und des Layouts.

Gruß
Jobst

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

Lorenz schrieb:
> nicht optimalst gelayoutet.
Echt so. Wozu die Thermals?

> Die Platine ist 4 Lagig
Ich hoffe, wenigstens unter dem Switchnode ist auf keiner Lage Kupfer.

Lorenz schrieb:
> Ein zu kleiner Ausgangskondensator
In sämtlichen Beispielen im Datenblatt und in der Appnote hat der 
mindestens 100 µF. Wie hast du die 10 µF ermittelt?

Lorenz schrieb:
> C8 ist ein Tantalkondensator 10µ (TPSB106K020R)
Mach da doch auch einen Kerko rein (grade da ist ein geringer ESR 
wichtig). Nimm einen mit mindestens 100µ/25V.

Rainer W. schrieb:
> Die geometrische Größe wirst du ja nicht meinen.
Aus Erfahrung funktioniert genau dieser Ansatz gar nicht mal schlecht: 
wenn die Kondensatoren ungewöhnlich viel kleiner als die Spule sind, 
dann ist was faul.

[Lorenz (lorenz_gr)]

Lothar M. schrieb:
>> Die Platine ist 4 Lagig
> Ich hoffe, wenigstens unter dem Switchnode ist auf keiner Lage Kupfer.

Ja, unter der Spule ist kein Kupfer,

>> Ein zu kleiner Ausgangskondensator
>In sämtlichen Beispielen im Datenblatt und in der Appnote hat der
>mindestens 100 µF. Wie hast du die 10 µF ermittelt?

Hab ich leider aus einer anderen Platine übernommen, ja ein 
Schnellschuß, leider jetzt zu büßen.

> Nimm einen mit mindestens 100µ/25V.
Ja gerne, hier wird die Luft an Auswahl ja schon dünn

Danke für die Hinweise
LG
Lorenz

[Lorenz (lorenz_gr)]

Jobst M. schrieb:
> Nicht C7, sondern die Kapazität vor allem der Diode und des Layouts.

Ah klar, diese Schwinger sind dann ja auch die größten Verursacher von 
EMV Problemen nehm ich mal an. Diese sind idealerweise mit optimalem 
Layout zu bekämpfen nehm ich an.
lg
Lorenz

[Frank O. (frank_o)]

Lorenz schrieb:
> dazu möchte ich in
> den FB Zweig einen Wandler mit einem Frequency Response Analyzer
> einschalten.

Ob das so gut ist?

[Frank O. (frank_o)]

Lothar M. schrieb:
> Lorenz schrieb:
>> C8 ist ein Tantalkondensator 10µ (TPSB106K020R)
> Mach da doch auch einen Kerko rein (grade da ist ein geringer ESR
> wichtig). Nimm einen mit mindestens 100µ/25V.

1+

Ich weiß auch gar nicht wie man da auf Tantalkondensator kommen kann.

[Stefan K. (stk)]

Jobst M. schrieb:
> Lorenz schrieb:
>> Was ist eigentlich die Ursache für das Schwingen nach dem Einschalten?
>
> Nicht C7, sondern die Kapazität vor allem der Diode und des Layouts.

Und zum Teil zu "ideale" Bauelemente in der Simulation. Bei Drosseln und 
Kondensatoren nehme ich da gerne die Modelle von Würth.

Frank O. schrieb:
> Ich weiß auch gar nicht wie man da auf Tantalkondensator kommen kann.

Das IC ist schon alt, als das Datenblatt erstellt wurde waren MLCCs mit 
passenden Kapazitäten noch nicht verbreitet verfügbar.

[Frank O. (frank_o)]

Stefan K. schrieb:
> Das IC ist schon alt, als das Datenblatt erstellt wurde waren MLCCs mit
> passenden Kapazitäten noch nicht verbreitet verfügbar.

Ok.

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

Lorenz schrieb:
> Ja, unter der Spule ist kein Kupfer,
Die Spule ist lediglich ein Teil des Switchnodes.

> Ja gerne, hier wird die Luft an Auswahl ja schon dünn
Dann nimm einen 10µ Kerko und einen Elko parallel. Tantalkondensatoren 
nimmt man heutzutage grade bei Schaltreglern nicht mehr so gern:
- https://www.google.com/search?q=tantalkondensator+schaltregler

Lorenz schrieb:
> Ah klar, diese Schwinger sind dann ja auch die größten Verursacher von
> EMV Problemen nehm ich mal an.
Die Schaltflanken haben die höchsten Frequenzen. Und wenn man "Schalten" 
auf Englisch übersetzt kommt man wieder auf diesen Switchnode. Dort 
spielt EMV-technisch die Musik.

BTE: mein Lieblingsbaustein ist derzeit der LMR51430. Der erlaubt ein 
superkompaktes Layout und hat eine aktive Freilaufdiode.

[Vanye R. (vanye_rijan)]

> BTE: mein Lieblingsbaustein ist derzeit der LMR51430. Der erlaubt ein
> superkompaktes Layout und hat eine aktive Freilaufdiode.

Ich verliebe mich gerade in diverses von Richtek. Zum Beispiel das Teil 
das auf jedem Pico drauf ist. .-)

Vanye

[Lorenz (lorenz_gr)]

Lothar M. schrieb:

> BTE: mein Lieblingsbaustein ist derzeit der LMR51430. Der erlaubt ein
> superkompaktes Layout und hat eine aktive Freilaufdiode.

Interessantes Bauteil, vor allem auch aus Preislicher sicht, der LT1776 
kostet ja ca. 10EUR / Stk, schon heftig.
LG
Lorenz