Aufwärtswandler erzeugt Sägezahn

[ikarus_177]

Hallo!

Ich brauche eine stabile 15V-Versorgung für die MOSFET-Treiber (IR2184) meines Quadrocopters. Diese soll aus einem 2s-LiPo erzeugt werden (also im Bereich von ca. 13V bis 10V).
Als Regler habe ich mich für den LMR62014 (Datenblatt gibt's hier (http://www.ti.com/lit/gpn/lmr62014)) entschieden. Die gewünschte Ausgangsspannung wird über ein Widerstandsverhältnis eingestellt, ansonsten sind nur wenig externe Bauteile nötig.
Ein schneller Aufbau der Schaltung (lt. Datenblatt) am Steckbrett war wenig erfolgversprechend: die Ausgangsspannung änderte sich sehr stark mit der Eingangsspannung, eine "Regelung" war also nicht zu spüren.
Da im Datenblatt nachdrücklich auf die Wichtigkeit des richtigen Layouts hingewiesen wird, hab' ich eine kleine Platine geätzt (das Layout orientiert sich an dem empfohlenen Layout lt. Datenblatt):

2312323124

Leider funktioniert auch hier der Regler nur bedingt: bei einer Eingangsspannung von 3V wird die Ausgangsspannung von 15V anstandslos erzeugt, kein Ripple sichtbar:
23125

Bei 5V sieht man schon einen sehr unschönen Sägezahn (links), der bei 7V noch viel ausgeprägter wird (rechts):
2312623127

Ein Lastwiderstand von 430Ohm war bei allen Versuchen angeschlossen.
Was mir noch aufgefallen ist: die Unterkante des Sägezahn entspricht genau den gewünschen 15V. Wird die Schaltung ohne Last betrieben, ist lediglich die Frequenz vergrößert (d.h. der Abfall flacher), die Amplitude bleibt aber gleich groß.

Hat jemand eine Idee woran das liegen könnte? Falsche Kondensatoren? Zu große Spule?

Bin für jegliche Anregungen dankbar!
Schöne Grüße

[5Volt-Junkie]

Für wieviel Volt ist der Ausgangselko ausgelegt? Hatte das gleiche Bild bei einem Step-Down für 5V. Den Wert von dem Elko habe ich nicht mehr im Kopf, war aber für 10V ausgelegt. Nachdem ich ein elko mit der gleichen Kapazität aber mit 35V Spannungsfestigkeit eingesetzt habe, war die Ausgangsspannung deutlich besser. Mit ein paar 100nF/50V Keramikkondensatoren vom Typ X7R war die Ausgangsspannung traumhaft ;).

Viele hersteller schreiben auch diesen Typ der Kondesatoren vor, sprich es steht auch im Datenblatt welche Kondensatoren man einsetzen muss.

Nachtrag: der 22µF-Elko scheint mir auch etwas unterdimensioniert zu sein.

[ikarus_177]

Hallo!

Der Tantal-ELKO hat 20V, die beiden Keramikkondensatoren zusammen 32V (Serienschaltung deswegen, weil ich keine Typen mit höherer Spannungsfestigkeit dahatte)...

Das Datenblatt sagt dazu
A single ceramic capacitor of value 4.7 μF to 10 μF will provide
sufficient output capacitance for most applications. If larger
amounts of capacitance are desired for improved line support
and transient response, tantalum capacitors can be used.

Was mich stutzig macht, ist, dass der "Ripple" erst bei höheren Eingangsspannungen auftritt, darunter ist alles "traumhaft" ;-)
Ich habe noch herausgefunden, dass während des Aufladens der Induktivität die Eingangsspannung etwas einbricht (wird wohl ordentlich Strom gezogen) - ein 1000uF Elko verbesserte die Eingangsspannungsschwankungen, am Ausgang ändert sich aber nichts...

EDIT: ich habe auf deine Anregung hin mal einen großen 6800uF-Elko am Ausgang angebracht. Damit ist die Amplitude des Sägezahns unter Last "nur noch" etwa 500mV. Dennoch: ist das "normal"? (das ist das erste Mal, dass ich einen solchen Aufwärtswandler einsetze)
Außerdem hört man einen leisen "Tick", wenn die Spule aufgeladen wird (unter Last einige Male pro Sekunde).

[Besserwessi]

Wie hoch ist die Rippelfrequenz ?

Wenn die Störungen mit der internen Frequenz gehen (also ca. 1 MHz), dann könnte der Fehler bei so etwas wie dem Layout liegen - Abhilfe könnten dann 1 oder 2 zusätzliche Drosseln bringen. Ein Problem ist da schon mal die gemeinsame Masseleitung für die Zuleitung und den Ausgang.

Wenn die Störungen deutlich langsamer sind (eher so 1 kHz) liegt das Problem in der Stabilität der Regelschleife. Mit der vergleichsweise großen Induktivität ist man schon ziemlich am Rand der üblichen Parameter - da muss dann ggf. C2 angepasst (eher vergrößert ?) werden und der Elko am Ausgang ist ggf. auch schon zu groß.

Der Regler ist vermutlich reichlich überdimensioniert vom Strom, dafür ist die Spannung schon an der oberen Grenze. Bei der Induktivität ist die Frage ob da ggf. schon die Eigenresonanz erreicht wird.

[ikarus_177]

Hallo Besserwessi,

danke für den Tipp mit C2! Die Ripplefrequenz war viel tiefer als die 1MHz, nämlich (eingangsspannungsabhängige) 400-800Hz (hörte man auch schön als Summen).
Ich hab' jetzt eine 100uH-Spule der ursprünglichen parallelgeschaltet (ergibt eine Gesamtinduktivität von ca. 80uH) und außerdem einen 200nF KerKo parallel zu C2 gehängt.
Das hat die Ripplefrequenz stark angehoben (ist jetzt ein unangenehmes Sirren), die Rippleamplitude stark verkleinert und die Ausgangsspannung leicht angehoben.

Soll ich den Tantal-Elko am Ausgang auch mal testweise entfernen?

Wofür ist eigentlich der Zweig R2/C2 gut? Ich hab die Erklärung im Datenblatt nicht so ganz verstanden...

Danke dir!

[ePyx]

Wofür ist eigentlich der Zweig R2/C2 gut? Ich hab die Erklärung im Datenblatt nicht so ganz verstanden...


Für die Feedback-Loop als Kompensation.

[Besserwessi]

ZU den Werten von R2/C2 habe ich beim Überfliegen nicht viel im Datenblatt gefunden. Da sollte schon etwa der Richtige Wert rein, mit 200 nF ist der Kondensator dann vermutlich schon zu groß. Ggf. mal noch Appl. Notes suchen, wo die passenden Werte erklärt sind, oder es ggf. mit einer Simulation (TINA ?) versuchen. So ganz einfach ist die richtige Wahl da nicht - der passende Wert hängt vom Elko am Ausgang, den Spannungen und der Induktivität und ggf. von der Last ab.

Wenn es nicht zu viel Aufwand macht könnte man es auch mal ohne den Elko probieren. Im Prinzip sollte es aber auch mit dem Elko gehen.

[ikarus_177]

Hmmm, nachdem ich den Tantal am Ausgang entfernt und die Spule durch eine mit 100uH ausgetauscht hatte, ging's fast - soll heißen, der Regler war stabil, bis ein Lastwechsel auftrat.
Außerdem habe ich versucht, andere Kerkos (Größenordnung pF) parallel zum bestückten 150pF-Kondensator zu schließen - führte (zumindest subjektiv) auf eine höhere Schwingneigung. Also habe ich den 150pF komplett durch einen 22pF ersetzt - ohne Erfolg (vielmehr ist irgendein Bauteil abgeraucht)...

Wie schwer kann es eigentlich sein, so einen Step-up zum Laufen zu bringen? ;-)

Nachtrag: Appnotes gibts nicht wirklich zu dem Typ, nur eines über ein Eval-Boad auf dem der Baustein verbaut ist.

[Besserwessi]

Der eigentlich schwierige Teil bei einem Spannungsregler ist es die Regelschleife Stabil zu bekommen. Der gewählte LMR62014 hat den größten Teil der Kompensation intern - da kann man also nicht so viel anpassen. Entsprechend problematisch kann es werden, wenn man den Regler mit deutlich anderen Werten für die Induktivität einsetzt. Das Datenblatt geht da mehr von 10 µH aus (für 5 V) . Da sind also auch die 100µH noch recht viel.
Ein kleine Hilfe wäre vielleicht die Appl. Note für einen ähnlichen Regler wo die Kompensation extern ist: http://www.tim/lit/an/slva319c/slva31.co9c.pdf

[ikarus_177]

Hallo!

Ich habe hier (http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?baseLiteratureNumber=SLVA274&fileType=pdf) noch etwas theoretisches über die Regelung gefunden.

Danke an alle für die hilfreichen Tipps! Ich werde mich noch mit der Materie beschäftigen und wieder melden, falls es etwas zu berichten gibt!

Schöne Grüße

[ikarus_177]

Hallo!

Aus Interessegründen ("Wie funktioniert so ein Aufwärtswandler denn nun wirklich?") und weil mir schlicht die Motivation fehlte, noch mit diesem IC herumzufuhrwerken, hab' ich einen kleinen Boost-Converter diskret aufgebaut:
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23166
Die Schaltung besteht im Wesentlichen aus dem "tatsächlichen" Boostconverter aus Spule, FET, Schottkydiode und Kondensatoren. Der MOSFET (Wald-und-Wiesen BUZ11) wird über einen "missbrauchten" NE555 als Treiber zum raschen Schalten gebracht. Die PWM für den FET erzeugt ein ATTiny85 im DIP8-Gehäuse. Dieser bekommt über einen Spannungsteiler auch Informationen über die Ausgangsspannung und regelt so die Spannung immer auf 15V ein. Eine LED als "Regelanzeige" gibt Auskunft über die Funktionsweise.

Für meine Zwecke ist die Schaltung - wie ich meine - sehr brauchbar (in etwa lastunabhängige 100mV Ripple sollten einem MOSFET-Treiber vom Schlage IR2184 nicht viel ausmachen, oder?), weswegen sie wohl auch am Quadrocopter Verwendung finden wird.

Mit diesem "Teilprojekt" bin ich zwar meilenweit vom eigentlichen Projektziel abgekommen (gewissermaßen vom Hundersten ins Tausendste) - dafür ist nun aber alles selbstgemacht ;)

Schöne Grüße!

[Besserwessi]

Mit einem passenden MOSFET könnte man sich den NE555 als Gate Treiber für den alten und reichlich großen BUZ11 sparen. So etwas wie IRF7103 oder IRLZ14 kann der Tiny85 auch noch direkt (mit einem kleinen Widerstand von z.B. 50 Ohm) treiben. Für die Versorgung des MOSFET-Treibers reicht wohl auch schon was ganz kleines wie BS170.

Richtig ausgelegt wäre auch der alte MC34063 eine Möglichkeit - zu dem IC sollten sich genügend Informationen finden, auch wenn man wegen der niedrigeren Frequenz eine etwas größere Spule brauchen wird. Bei einem Strom von vermutlich ein paar mA ist das aber nicht so ein Problem. Moderner und klein wäre so etwas wie LT1615.

Dem Treiber wird die Rippelspannung nicht viel ausmachen.