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.
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.
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.
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.
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?
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.
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.
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...
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?
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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...
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.
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.
Was ist mit dem LDO, der da parallel geschaltet ist?
Hm was soll mit dem sein? Der macht 5V bei ein paar mA für einen Ausgangstreiber. Da wird er trotz 19V Verlust kaum warm.
@Björn G und @Felix A
VIelen Dank ihr beiden, ich hab den Switchnode noch etwas kleiner gemacht. Das ganze geht jetzt so zu JLCPCB, ich melde mich sobald ich es bestückt und getestet habe.
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feedback_2.png
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output_2.png
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