Der Abwärtswandler funktionierte für mehr als 1000 Start-/Stoppzyklen mit Strom aus einer geregelten Gleichstromversorgung, fiel mit einer Li-Ionen-Batterie aus

Ich habe ein Projekt, das einen TI-Abwärtswandler ( LMZ14201 ) verwendet, um eine Eingangsspannung (bis zu 41 V) auf geregelte 5 V herunterzudrücken. Bisher hatte ich erfolgreich ein regelbares (geregeltes) DC-Netzteil zum Testen verwendet. In diesem Setup funktionierte der Abwärtswandler wie ein Zauber.

Heute habe ich mit dem Zusammenbau des kompletten Systems fortgefahren (dh mit einem Lithium-Ionen-Akkupack, 36 V, als Eingang für den Abwärtswandler). Zu Testzwecken habe ich außerdem einen Schalter zwischen den positiven Schienen des Buck-Eingangs und der Batterie angeschlossen.

Da sonst nichts geändert wurde, fiel der Abwärtswandler beim zweiten Anschließen der Batterie aus (erzeugte Funken, die unter dem Gehäuse hervorkamen; Wärme-/GND-Pad?). Was könnte hier das Problem sein?

  • Ich habe mich gewissenhaft an das im Datenblatt des DCDC-Wandlers empfohlene Layout gehalten
  • Ich habe mit dem Netzteil Spannungen bis 41,6V getestet. Der vorgenannte Akku hatte 36V (ca. Nennspannung), das Netzteil ist auf 42V (empfohlen) bzw. 43,5V (abs. max) ausgelegt
  • Die mit dem Tiefsetzsteller verbundene Eingangskapazität beträgt 3 x 4,7 uF. Abgesehen davon gab es keine Eingangsfilterelemente, die den Batteriepack und den Wandler trennten

Könnte ein möglicher Einschaltstrom (verursacht durch Schalt-/Eingangskondensatoren), gepaart mit Streu-/parasitärer Induktivität, hier der Schuldige sein? Wenn ja, wäre eine praktikable Lösung ein Serien-NTC-Strombegrenzer. Welche anderen Ursachen könnte das haben, abgesehen von zufälligem Teileversagen?

UPDATE: Dieses Problem ist reproduzierbar. Das Ändern der Softstartverzögerung auf 10 ms hat auch nicht geholfen. Ich habe es geschafft, den Spannungsübergang am Batterieanschluss zu erfassen. Die Batteriespannung beträgt etwa 37 V, scheint aber auf 50 V anzusteigen, sobald der DCDC an die Batterie angeschlossen wird. Die absolute Maximalleistung von 43,5V wird damit nicht mehr erfüllt.

Erfassung des Batteriespannungsbereichs

Dies scheint nicht nur bei angeschlossenen Eingangsfilterkappen zu passieren, sondern nur, wenn die Eingangsfilterkappen und der DC/DC-Wandler-IC verbunden sind.

Funken unter dem Paket klingen verdächtig. Könnte ein Lötproblem sein. Sie sollten bei diesem Teil keinen NTC benötigen, verwenden Sie einfach den externen Softstart-Kondensator.
Die externe Sanftanlaufkappe wurde angeschlossen. Ich habe es per Reflow gelötet und eine lasergeschnittene Schablone für die Lötpaste - auf jeden Fall schienen (sahen) die Verbindungen perfekt.
Wie hoch ist die Last am Ausgang des Tiefsetzstellers? Wie hoch ist die erwartete Dauerstromaufnahme auf dieser 5-V-Schiene? Wie John in seiner Antwort vorschlug, glaube ich, dass es sich nur um massiven Strom handelte, der von der Lithium-Ionen-Batterie geliefert wurde, die normalerweise nicht aus Laborbedarf bezogen wird/kann.
Ein Teil der Last ist kapazitiv, aber die (maximale) Dauerlast auf der 5-V-Schiene beträgt etwa 100 mA.
Der Hauptunterschied zwischen einem Tischnetzteil und einer Batterie (insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie) besteht darin, dass es keinen Schutz gibt, der Sie daran hindert, Hunderte von A zu liefern, wenn Sie diesen Zustand kurzschließen / verursachen. Kommerziell verkaufte Zellen sollten eine eingebaute Schaltung zum Schutz von OVP/OCP/UVP haben, aber Ihre Rohzellen könnten jetzt.
Wie weit ist der Akkupack vom Umrichter entfernt? Die Spannung, die Sie sehen, könnte auf die Leitungsinduktivität zurückzuführen sein und könnte mit einem Snubber gelöst werden.
@PeterSmith Ungefähr 15 cm - also nicht zu weit
Das sieht für mich wirklich nach induktivem Einschaltstrom aus. Versuchen Sie, einen Einschaltstrombegrenzer hinzuzufügen, wie Sie es vorgeschlagen haben.
Wie viele Zellen hat der Akku? "36 V Nominal" könnte 10 Zellen oder 42 V voll aufgeladen und höher als Ihre Testspannung sein. Das wäre ziemlich marginal.

Antworten (2)

Ich verstehe, warum Sie den anfänglichen schnellen Abfall sehen, weil die Elektroden in der Batterie elektrisch ziemlich komplex sind:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Beim Aufbringen der Last bildet sich an den Elektroden ein EDLC und die Kapazität kann enorm sein – 60 μF bis 100 μF sind nicht ungewöhnlich (die effektiven Platten sind buchstäblich Angström voneinander entfernt) mit einem ESR von unter einem Milliohm, und das gibt Ihnen anfangs ein sehr effektives Unterscheidungsmerkmal vorübergehendes Laden der Batterie in eine schwere Last.

Sobald sich der EDLC gebildet hat, hört er auf zu leiten und der einzige Widerstand ist der ESR der Batterieelektroden selbst. Da die Klemmen wieder nur durch die Last und den internen ESR begrenzt sind, kann es zu einem induktiven Effekt kommen (schließlich gibt es überall dort, wo Strom fließt, mehr oder weniger Selbstinduktivität).

Ihre Wellenform sieht aus wie eine gedämpfte Resonanz, sodass ein geeigneter Dämpfer funktionieren kann.

In diesem Artikel können Sie sehen, wie sich EDLCs an Batterieelektroden bilden .

Ich habe diesen Effekt ein paar Mal gesehen und es war ziemlich verwirrend, als er zum ersten Mal auftrat (in einem mit Meerwasser aktivierten Kreislauf).

Dieses Modell der Elektroden in Kombination mit parasitärer Induktivität scheint das Phänomen, das ich sehe, tatsächlich perfekt zu beschreiben.

Die Batterien können Ströme liefern, die um eine Größenordnung höher sind als Ihre Laborversorgung. Möglicherweise hat Ihnen Ihre Bankversorgung durch Strombegrenzung während des Starts einen "sanften Start" ermöglicht. Hast du den Sanftanlauf implementiert? Dies ist besonders wichtig, wenn die Stromversorgung beim Start unter Last steht.

Das dachte ich im ersten Moment auch. Ich habe für meinen Abwärtswandler keinerlei benutzerdefinierten Sanftanlaufmechanismus oder Strombegrenzung implementiert, daher die Frage, ob dies der Fall ist. Das Netzteil hingegen kann CV und CC, also nehme ich an, dass es diese Funktion hat.
Ich würde aus Abschnitt 8.2.2.1.3 im Datenblatt anmerken: Die Verwendung von 0,022 μF führt zu einem Sanftanlaufintervall von 2,2 ms, das als Mindestwert empfohlen wird . Ich setze immer einen Sanftanlauf ein, auch wenn ich denke, dass es nicht notwendig ist.
Wenn Ihre Last kapazitiv ist, versucht Ihr Wandler, während des Starts einen hohen Strom zu liefern. Wenn Sie Ihre Ladekapazität überprüfen, können Sie den erforderlichen Ladestrom ermitteln. Die Ausgangsspannung an Ihren Kondensatoren steigt langsamer an, wenn Sie sanft starten. Stellen Sie sie also so ein, dass der Einschaltstrom plus Laststrom während des Ladens der Kondensatoren innerhalb des Bereichs Ihrer Induktivität liegt. Sobald sie aufgeladen sind, sind Sie in Ordnung.
Oh es tut mir leid. Ich habe über einen benutzerdefinierten Sanftanlaufmechanismus in Reihe mit dem Abwärtswandler nachgedacht. Ich habe sicher die SS-Kappe für den internen Sanftanlauf angeschlossen.
@PeterSmith Vielen Dank für den Hinweis auf den empfohlenen Mindestwert. Ich habe gerade mein Setup überprüft und festgestellt, dass ich einen 4,7-nF-Kondensator verwendet hatte (dies basierte jedoch auf einem Design von der TI-Website, könnte ihnen einen Hinweis geben). Ich kann nicht glauben, dass ich das verpasst habe. Ich werde versuchen, die SS-Kapazität zu erhöhen.
Es fühlt sich nicht wie ein Grund an, Funken zu erzeugen. Spannung erzeugt Funken, Strom kann etwas verbrennen, tut es aber normalerweise nicht, selbst mit Hunderten von Ampere in kurzer Zeit brennt es nicht. Was ist die Lastkapazität?
@GregoryKornblum Ungefähr 110uF
Der Abwärtswandler funktionierte für mehr als 1000 Start-/Stoppzyklen mit Strom aus einer geregelten Gleichstromversorgung, fiel mit einer Li-Ionen-Batterie aus
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