MOSFET und Induktivitäten Problem

[Martin.]

Hallo!

Ich hab mir ein Schaltnetzteil mit nem Atmega32 gebaut. Der steuert mittels PWM Signal einen Mosfet (IRFZ44N) an.

So jetzt zu meinem Problem:

Gestern hab ich leider einen Kurzschluss verursacht. Ich hab versehentlich die Metallerne Rückseite des Mosfet an nen Masse Anschluss gebracht. Des gab einen schönen Funken und der Mosfet hat nun eine kleine Sichtbare Delle an der Rückseite. Für mein Netzteil verwende ich eigentlich zwei Mosfets, damit ich zwei verschiedene Spannungen gleichzeitig abgreifen kann. Nur den einen hats beim Kurzschluss sichtbar erwischt.
Ich wollte die Mosfets jetzt auf funktionalität testen und hab 12,5V an Gate angelegt. An drain liegen 31,5 Volt an. Es können maximal 2,5A fließen. Wenn ich jetzt bei Source die Spannung messe, kommen nur 9,5 Volt raus. Also sind irgendwo 20V verloren gegangen. Und das bei beiden Mosfets! Ich weis leider nicht ob der Kurzschluss beide gegrillt hat, so dass sie nicht mehr richtig leiten. Freilaufdioden liegen schon bereit, sind aber noch nicht eingelötet (ich hab bis jetzt auch noch keine Lasten angehängt)

Mein anderes Problem ist die Glättung. Ich hab nen 4700µF Elko dahinter gehängt. Eigentlich wollte ich noch eine Induktivität mit dranhängen, aber ich weis nicht wie ich die Dimensionieren soll. Die PWM Frequenz ebträgt derzeit 16MHz.

Vielen Dank an dieser Stelle fürs durchlesen und viel mehr Dank für die ein oder andere antwort!

[Besserwessi]

Die ca. 9,5 V an Source könnten schon hinkommen für eine heilen MOSFET. Das wären dann die 12,5 V am gate weniger ca. 3 V als Schwellspannung. Zum Testen sollte man eher Source auf Masse legen, und Strom durch Drain Messen. Bei Gatespannun 0V sollte kein Strom fleißen, bei 5-10 V sollte schon recht viel (>1 A) fließen.

Ein Schaltnetzteil ohne Freilaufdioden geht nicht, es sei denn man hat da aktiv gesteuerte Fets. Die Dimensionierung der Induktivität ist einer der Schwierigsten Punkte beim Schaltnetzteil. Man könnte z.B. in datenblätter zu fertigen Schaltreglern mit vergleichbarer Anordnung nachlesen. Da Gleiche gilt für die Kondensatoren. da kommt es auf merh an als nur die Kappatziät. Ein 4700 Elko ist da selten das richtige. Ein Tip zum Lesen wären die Datenblätter und Application Notes zum MC33063.

[Martin.]

Also erstmal vielen Dank! Ich hab mir mal die Datenblätter angeschaut. Das klingt schon mal nicht schlecht. Könntest du mir aber bitte noch sagen wie groß die Elkos im Datenblatt sind. Die haben leider keine Einheiten angegeben. Es steht nur 470 bzw 100 da.

Quelle:
http://www.reichelt.de/?;ACTION=7;LA=6;OPEN=1;INDEX=0;FILENAME=A200%252FM C34063_MC33063%2523MOT.pdf;SID=272CHNoKwQARsAAEnfF wo2d766e865994566f31f864c2b2b1a589

[BlackDevil]

Zum Thema Schaltnetzteil steht auch was in der Aktuellen Elektor :)

[shaun]

Wenn Du Drain auf Masse gelegt hast, wobei am Drain Deine Speisespannung lag, sollte ausser deren Kurzschluss eigentlich nichts weiter passiert sein. Was mich daran aber stört: Du betreibst die MOSFETs als Sourcefolger, das ist die Betriebsart für einen Linearregler und für Schaltnetzteile völlig ungeeignet.
Die Spannungswerte, die Du gemessen hast, stimmen wie Besserwessi schon schrieb - Du misst so ungefähr Ug minus Ugs_th.
Erstmal musst Du die MOSFETs nun entweder mit einer höheren Gatespannung fahren (10-15V über Sourcespannung, aber da die sich ständig ändert, brauchst Du einen geeigneten Treiber) oder P-Kanal-Typen verwenden.
Dann noch eine geeignete Treiberstufe basteln und schon kann es an Drossel und Freilaufdiode gehen - das A und O eines Schaltnetzteils, so hast Du nur eine Ripplestromquelle gebaut ;)

[avion23]

Hallo Martin,

Mein anderes Problem ist die Glättung. Ich hab nen 4700µF Elko dahinter gehängt. Eigentlich wollte ich noch eine Induktivität mit dranhängen, aber ich weis nicht wie ich die Dimensionieren soll. Die PWM Frequenz ebträgt derzeit 16MHz.
Poste doch mal einen richtigen Schaltplan. Das was du beschrieben hast ist kein Schaltnetzteil.

[Martin.]

Also hier ist mein Schaltplan. Ich hoffe es passt alles soweit. Über die Potis messe ich die Spannung und über die Differenezverstärker den Strom. Das mit dem Sourcefolger wird noch ausgebessert. Wenn ichs richtig verstanden habe, ist es besser den Verbraucher zwischen der Versorgungsspannung und dem Drainanschluss zu legen. Die Induktivitäten dimensionier ich jetzt einfach nach dem Datenblatt von besserwissi!

Vielen Dank für eure Hilfe!

Wenn euch noch was auffällt könnt ihrs mir ja bitte noch sagen!

Martin

[avion23]

1. lowside meßen
2. kleinerer widerstans, es sollten ungefähr 100mV max abfallen
3. opamps kannst du evtl. sparen, wenn du den differential adc des atmega nutzt
4. entscheide dich für eine topologie! ich schlage step-down vor.
5. mosfets brauchen leider einen treiber bei höheren frequenzen. Ich habe mal einen diskreten treiber mit emitterfolger gepostet. Ich weiß nicht, was der L293 macht
6. vorwiderstände für mosfets: ungefähr 10Ω
7. potis brauchst du garnicht, fehler in software auslgeichen. Potis sind umständlich
8. benutz doch noch einen Spannungsteiler um die Ausgangsspannung zu meßen
9. Mosfets blocken mit kleinen Elkos, besser noch keramik kondensatoren.
10. pfad von mosfet-source <--> shunt <--> gnd so kurz und induktionsarm wie möglich
11. Ganz allgemein zum Thema:
http://www.sprut.de/electronic/switch/schalt.html
http://www.sprut.de/electronic/switch/parts.html#spule
Berechnen mit: http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/smps_e.html (f_max ~32kHz vom atmega32)


Nicht sauer sein. Vielleicht hilft dir das. Und das ist die Art wie ich es machen würde, meine Art ist nicht unbedingt die richtige.

[Rage_Empire]

ich möchte nur anmerken, daß die PWM-Frequenz nicht 16MHz sein kann. Denn, die PWM wird durch eine art Teilung erzeugt. Und auch Prescaller spielen hier noch ne Rolle. Die Schaltung arbeitet eher im KHz-Bereich, welcher unter 100KHz liegt (mein Vorreder hats kurz angesprochen).

Große Elkos sind bei solch Frequenzen mit hoher Kapazität eher ungeeignet, zwecks des ESR. Lieber mehrere kleinere parallel, ist immer besser bei hohen Frequenzen.

[Martin.]

Wegen der PWM Frequenz:

Prescaler ist auf 1. Ich dachte, dass dann die ganzen 16Mhz vom externen Takt für die Hardware PWM verwendet werden, aber 32kHz klingen doch realistischer.

Der Schaltplan war noch ein bisschen alt. Anstatt den L293D hab ich einen ICL 7667 hergenommen.

Um die restlichen Punkte muss ich mich mal heute kümmern.

Vielen Dank, auch für die Links, die haben schonmal sehr weiter geholfen!

Aber jetzt nochmal zum Sourcefolger. Avion meinte ja dass der nicht so gut ist. Aber wenn ich mir alle Schaltungen anschau (die Step down converter) dann haben die ja alle die Last nach dem Schalter angeschlossen. Wenn ich euch richtig verstanden hab, müsste die vor dem schalte kommen oder?

[Rage_Empire]

Prescaler 1 sind Voller Systemtakt. Dann aber bei einer 8-Bit PWM mußt du den Takt durch die 8 Bit teilen, bei einer 10-Bit PWM sogar durch die 10 Bit.

[Martin.]

OK dann ist es klar. Es sollten dann 15,6kHz rauskommen.

Danke!

[Besserwessi]

Als ein ganz wesentliches Teil fehlen da Dioden, die den Strom übernehmen, wenn die Fets ausgeschatet sind. Ohne die Dioden müssen die Fets die energie die mühsam in den Spulen gespeichert wurde als Avalanche energy un Wärme umwandeln. So wird das nicht effizient und die Fets gehen bei mehr Strom auch noch kaput.

[Martin.]

Ja das mit den freilaufdioden (wie oben beschrieben) ist schon klar. Die liegen auch neber dem Lötkolben, nur wollte ich jetzt wissen ob man die Last vor dem Mosfet oder danach anschließt. Ich hab schon ein paar schaltungen hier gefunden, die eine hat jemand grebaucht um ne heizung zu regeln und da hieß es, dass die Last, in dem Fall der Heizdraht vor dem Mosfet sitzen sollte.

[shaun]

"vor" und "nach" ist egal, die technische Stromrichtung interessiert nicht, wichtig ist, dass der MOSFET voll durchgesteuert werden muss, im Einschaltzustand also zwischen G und S deutlich mehr als Ugs_th anliegen müssen. Dass dies bei einem N-Kanal mit Source an Masse am einfachsten ist, führt zu den Anwendungen mit "low side"-Schaltern. Ein P-Kanal in der "Plusleitung" ist auch noch recht einfach, aber wenn man einen N-Kanal aufgrund seines niedrigen Rds_on verwenden will/muss und den wegen gemeinsamer Masse o.ä. in der positiven Versorgungsleitung hat (so wie Du bisher), dann muss ein Treiber her, der zB mit Bootstrap-Schaltung oder Ladungspumpe dafür sorgt, dass die Gatespannung immer 10-15V über der Sourcespannung liegt.

[Martin.]

Also vielen Dank für eure Hilfe!

Ich bin jetzt bei meinem digitalen Schaltnetzteil ein ganzes Stück weitergekommen. Schön ist die Kurve zwar noch nicht geglättet, aber für meine Zwecke langts mir. Wenn ich fertig bin stell ich mal mehr informationen rein.

Achja mein Mosfet Problem wollte ich erst durch eine Zweiphasen Ladungspumpe lösen, nur die hat nie funktioniert. Jetzt hab ich halt Source auf Masse gelegt und die Last hängt zwischen Vcc und Drain da langen auch 12,5V Gatespannung um den Mosfet fast komplett durchzuschalten.

Also nochmal vielen Dank!!!!

[minimum]

Hallo Martin,
wie geht es deinem Projekt ?
Per Zufall plane ich seit ein paar Wochen genau das gleich Ding,
allerdings war ich nicht so raffiniert wie du (Differenzverstaerker fuer
die Stromueberwachung z.B. oder die Potis zum Spannungsteiler einstellen).
Ebenso hatte ich keinen ICL 7667 verwendet, ich wollte mit Npn Transistoren an die IRFZ gehen.
Ich bin sehr ein deinem Projekt interssiert, bitte poste doch mal einen neuen Schaltplan.

Noch ein Tipp von mir (eventuell daemlich, weil so vieles ist viel besser durchdacht als bei mir): Deine Kondensatoren werden sich in durch die PWM
aufladen, d.h. eine hoehere Spannung haben als du gern haettest.
Gruss,
Max

[Martin.]

Also ein paar informationen kann ich jetzt schon geben, alles andere erfolgt in den nächsten Tagen:

a) die Methode Vcc -> Last -> n Kanal Mosfet -> Masse
funktionierte ganz gut. Die Spannung die an der Last abfiel konnte ziemlich genau eingestellt werden. Nur will ich zum Beispiel mit dem Netzteil ein Potential von 5V erzeugen und das geht hier nicht, sondern nur Potentialdifferenzen.

b) die methode Vcc-> n-Kanal Mosfet -> Last -> Masse funktioniert nicht, weil ich keine Spannung über Vcc erzeugen möchte, die notwendig wäre um den Mosfet durchzuschalten.

c) als nächstes (muss noch bestellt werden) probier ich anstatt den IRFZ44N (n-kanal) einen IR4905 (p-Kanal) aus. Ich denke dann sollte das Prinzip Vcc->Mosfet->Last->masse mit 12,5 Volt Gatespannung am Mosfet funktionieren.

Schaltpläne reiche ich morgen nach. Für die Induktivitäten habe ich glaub ich eine passende beim Conrad gefunden. Die hat 1,3mH und 4A. (1,3mH bei 16khz, meiner PWM frequenz) Als kondensator wird vielleicht ein 470µF hergenommen. Das bestimm ich aber praktisch.

Also weitere infos gibts in den nächsten Tagen!

[minimum]

Danke fuer deine Antwort.
Das ist so lustig weil mein Konzept deinem so aehnlich ist.
Ich hab ebenfalls n-Kanal IRFZ (allerdings die 34er) gekauft
weil ich dachte es funktioniert so wie in deiner Schaltung.
Falls du Windows-Benutzer bist guck mal das an,
ist ganz gut um genau so Zeug zu simulieren:
http://www.linear.com/designtools/software/switchercad.jsp
Die P-Dinger sind naemlich auch nicht ganz easy mit ihrer
negativen Gate-Spannung.

Ist dein Display von Reichelt (weil meines davon ist) ?
Gruss,
Max

[Martin.]

Ja meins ist von Reichelt. 4*20 im DIP gehäuse.
Wegen der negativen Spannung mach ich mir keine sorgen (im Moment).
http://www.sprut.de/electronic/switch/pkanal/pkanal.html
das ganze schaut jetzt nicht so kompliziert aus. Wenn ich die teile alle zusammenhab, dann bau ichs mal auf dem steckbrett auf.

Ist auf jedenfall besser wie die n-Kanal-Mosfets. Ich hab schon versucht, eine Ladungspumpe zu bauen (mit 74HC14) hat aber nicht funktioniert. Zudem bräuchte ich zwei Ladungspumpen wegen zwei mosfets. Da ist mir ein p-Kanal Mosfet schon lieber.

Viel Glück!

Martin

[Martin.]

(Des mit dem Doppelpost tut mir leid)

Hat jemand von euch erfahrung mit dem BTS432? Ich hab schon einige Laudatios über ihn gelesen. Ich denke, dass er sich für meinen Zweck gut eignen wird. Ich hab ihn mal in einen Schaltplan eingezeichnet. Nur weis ich noch nicht, was ich mit dem Statuspin machen soll. Gibt der mir bei nem Defekt "high" aus? Im Datenblatt statt über den fast nichts drinnen, nur dass er 5mA bei 5V liefert. Vielen Dank für eure Infos!

Strommessung hab ich mal weggelassen, die folgt später einmal über den differential ADC anstatt Differenzverstärker!

[minimum]

Soweit ich weis gibts im Datasheet eine Tabelle, in der findest du genau bei welchem Fehler er was ausgibt.
Leider gibt er wohl nicht aus wie viel Ampere er gerade speist,
da koennte man sich sonst den bloeden Shunt sparen.
Ich werde dann wohl den BTS432 nehmen (ich moechte bis 51V
stabil bleiben).
Gruss,
Max