Die Ausgangsspannung des LTC3355 Backup-DC/DC-Reglers sackt unter Last im Boost-Modus ab

Hintergrund

Für ein Hobbyprojekt habe ich ein Board mit dem DC/DC-Regler LTC3355 als Netzteil entworfen. Ich bin von Beruf Softwareentwickler und daher völlig unzureichend ausgestattet, um diese Schaltung richtig zu entwerfen und Fehler zu beheben. Dies ist eines meiner ersten Boards, und es wird bestimmt fast alle Anfängerfehler enthalten, die Sie sich vorstellen können. Ich habe wahrscheinlich eine viel zu komplizierte Schaltung für meinen Kenntnisstand gewählt, aber so ist das Leben :).

Ich kann Oszilloskopansichten von jedem Knoten meiner Schaltung bereitstellen, wenn jemand empfehlen kann, was ich messen muss.

Dieser IC hat drei Hauptfunktionen:

  1. Buck-Regler, solange Eingangsleistung verfügbar ist
  2. Ladegerät für Superkondensatoren
  3. Boost-Regler, während die Eingangsleistung nicht verfügbar ist (Stromversorgung vom Superkondensator).

Datenblatt

Das Datenblatt ist hier verfügbar: http://www.linear.com/docs/44566 .

Probleme

Ich habe zwei (möglicherweise verwandte) Probleme mit den Funktionen 2 (Laden) und 3 (Boost). Die Buck-Funktionalität funktioniert wie vorgesehen und ich erhalte eine zufriedenstellende Effizienz und Ausgangsstabilität.

Diese Frage soll sich auf die problematische Boost-Funktion konzentrieren, aber wenn gleichzeitig das Laden gelöst wird, umso besser.

Wenn ich die Eingangsleistung trenne und am Ausgang eine geringe oder keine Last anliegt, wird der Ausgang gut geregelt (wenn auch etwas lauter als während des Buck-Betriebs) und die Superkondensatorladung wird verwendet, um die Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten.

Wenn die Last jedoch nur geringfügig auf etwa 50 mA erhöht wird, fällt die Ausgangsspannung auf etwa 4 V ab, und V_out und V_scap erscheinen beide sehr verrauscht. V_scap erhält Schwingungen von etwa 2 V Spitze-zu-Spitze bei einer durchschnittlichen Spannung von 2 V. Der maximale Nennstrom beträgt 1A, also sollte das überhaupt kein Problem sein.

Zweitens, wenn ich den EN_CHG-Pin an +5 V anschließe (und Eingangsleistung verfügbar ist), wird der Superkondensator überhaupt nicht geladen. Auch dem Eingang wird kein Strom entnommen.

Aufstellen

  • Eingangsspannung: 7-20V
  • Ausgangsspannung: 5V
  • Superkondensator: 100 F, 2,7 V
  • Kein Eingangsstrombegrenzungswiderstand eingestellt.
  • Widerstände und Kondensatoren haben die Größe 0805, um das Löten von Hand zu vereinfachen und das Routing zwischen Pads zu ermöglichen, wobei die Platine einseitig bleibt.
  • Beide Induktoren sind abgeschirmt und für den Einsatz in Schaltnetzteilen weit über 1 MHz, wie sie von dieser Schaltung verwendet werden, ausgelegt und haben eine hohe Strombelastbarkeit.

Ich habe den IC sehr nah an dem im Datenblatt angegebenen Referenzdesign konfiguriert, mit einigen geringfügigen Unterschieden. Die Spannungsteiler wurden leicht verändert, um einen 5-V-Ausgang (innerhalb der Spezifikationen) und eine maximale Superkondensatorspannung von 2,7 V zu liefern.

Meine Induktivitäten haben die gleiche Induktivität wie das Referenzdesign und sind weit über der Frequenz des Reglers ausgelegt.

Referenzdesign
(Quelle: linear.com )

Mögliche Ursachen

Hier sind einige mir bekannte mögliche Probleme, bei denen ich vom Referenzdesign oder den Datenblattempfehlungen abweiche, was die Leistung meiner Schaltung beeinträchtigen könnte:

  1. Entgegen den Datenblattempfehlungen, guten Designpraktiken und besserem Urteilsvermögen habe ich die Schaltung auf einer einseitigen Leiterplatte ausgelegt, da mir Werkzeuge zum Bohren und Herstellen von mehrschichtigen Leiterplatten fehlen. Ich bin jedoch nicht auf thermische Probleme gestoßen, auf die das Datenblatt hinweist, aber auch andere Designaspekte werden durch diese Wahl beeinträchtigt:
  2. Schlechte Erdung (von Punkt 1 herrührend), die möglicherweise alle Arten von Interferenzproblemen verursacht. Ich vermute, dass dies der wahrscheinlichste Übeltäter ist.
  3. Der Feedback-Pin des ICs befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite dessen, was er misst, also musste ich ein Antennenkabel verwenden, um zu vermeiden, dass es um die gesamte Platine herumgeführt wird. Das ist suboptimal... Beim Demoboard des Herstellers kommt dafür ein anderer Layer zum Einsatz.
  4. Das Datenblatt-Referenzbild erwähnt einen Superkondensator zwischen 1 und 50 F. Ich habe nur einen 100F-Superkondensator zur Hand, dachte aber nicht, dass dies Probleme verursachen würde.
  5. Schlechte Lötkenntnisse. Der IC und die Induktoren wurden mit Heißluft gelötet (keine freiliegenden Leitungen, und ich habe sie möglicherweise durch übermäßige Hitze beschädigt. Ich denke, alle Pads haben Kontakt und haben geprüft, dass es keine Kurzschlüsse gibt. Die Funktionalität, die tatsächlich funktioniert, deutet darauf hin, dass sie es tun Die PFOB-, RSTB- und CPGOOD-Pins reagieren auf einen Stromausfall, einen Ausgang, der nicht mehr geregelt ist, und einen Kondensator, der an Spannung verliert.
  6. Einige meiner Kondensatoren haben im Allgemeinen ein größeres Gehäuse (alle 0805) als die Referenzschaltungen, was (wie ich gelernt habe) die Ersatzschaltung ändert und den Frequenzgang meines Systems ändern kann.

Was ich versucht habe

Ich habe versucht, zusätzliche Keramikkondensatoren zwischen Superkondensator und Masse hinzuzufügen, wie hier auf dem Linear-Demoboard zu sehen (C10 und C11). Diese Kondensatoren sind in der Beispielschaltung des Datenblatts nicht vorhanden: (Quelle: linear.com )Demoplatinenschaltung

Dies machte keinen signifikanten Unterschied darin, den Boost-Regler in der Regulierung zu halten.

Das Demoboard listet auch mehrere OPT-Kondensatoren (optional?) auf, die nicht im Referenzdesign des Datenblatts enthalten sind. Ich habe nicht versucht, etwas an diesen Stellen zu platzieren.

Schaltplan und Platinenlayout

Ich habe Probleme, DipTrace dazu zu bringen, mein Platinenlayout besser lesbar darzustellen, indem beispielsweise die Komponenten besser dargestellt werden. Aus diesem Grund stelle ich auch ein 3D-Rendering zur Verfügung, das eine ergänzende Ansicht bietet.

Schema:

Schema

Siehe, das Grauen. Leiterplatte und ihre 3D-Ansicht:

Leiterplatte 3D-Ansicht

Ich habe versucht, Strompfade so fett wie möglich und relevante empfindliche Knoten so klein wie möglich zu halten, aber das einseitige Layout ist begrenzt ... Die Knoten mit blauen Linien sind durch kurze Luftdrähte verbunden. Pad 14 und 13 haben Pulldown-Widerstände gegen Masse, um standardmäßig auf den PWM-Modus und keine Aufladung zu gehen (in den Bildern nicht sichtbar). Die roten Linien in L1 stammen von einer "ungegossenen" Kupferfüllung und sind kein echtes Kupfer auf der echten Platine.

Das freiliegende untere Pad des IC wird für die Masse verwendet, und ich habe es an den Ecken herausgeführt.

Die Eingangsleistung wird mit dem Polygon unter der Bezeichnung C6 und der Erdfüllung verbunden. Der Superkondensator ist mit dem Polygon bei Label L2 und der Bodenfüllung verbunden

Abschließende Gedanken

Ich frage mich, ob es völlig zum Scheitern verurteilt ist, diese Schaltung auf einer einseitigen Platine zu haben, während die Demoplatine des Herstellers 4 Schichten verwendet, oder ob mein Versuch irgendwie gerettet werden kann. Das Datenblatt erwähnt, dass das Kompensationsnetzwerk bei Bedarf an Pin V_cbst angepasst wird, aber ich habe keine Ahnung, wie ich das machen soll, außer zufällig andere Komponentenwerte auszuprobieren. Mir fehlt eine große Auswahl an Kondensatorwerten und ich werde mehr bestellen, wenn ich plausible Empfehlungen bekomme.

Aktualisieren

Nachdem ich die Krokodildrähte entfernt hatte, wie von Michael Karcher empfohlen, und einen der Überbrückungsdrähte aufräumte, bekam ich einige Verbesserungen. Früher konnte ich nur eine maximale Last von ~130mA erreichen, während ich jetzt ungefähr 350mA erreichen kann. Das ist noch weit von der Nennleistung des Aufwärtswandlers von 5 A entfernt. Mein Ziel ist jedoch ~ 1 A, was auf dem gleichen Niveau wie der Abwärtsregler liegt, der verwendet wird, wenn Eingangsleistung verfügbar ist.

Der Superkondensator wird nun auf die Platine gelötet, wobei etwa 1 cm Draht zu jeder Leitung des Kondensators verwendet wird.

Die gelbe Spur ist Vout und die blaue Spur ist Vcap.

Bei etwa 0-5 mA Last sieht die Wellenform so aus, wobei die Schaltfrequenz von 1 MHz sichtbar ist. Boost-Modus, 5mA Last:

Boost-Modus, 5mA Last

Bei etwa 55-60 mA ändert sich das Aussehen der Wellenform jedoch abrupt mit einer Frequenz näher an 100 kHz. Hier wird die Ausgangsspannung noch auf ca. 5V geregelt. Boost-Modus, 60mA Last:

Boost-Modus, 60 mA Last

Beim maximalen Laststrom, den ich erreichen kann, bei ~350mA, ist die Ausgangsspannung deutlich auf 4,5V gefallen. Boost-Modus, 350-mA-Last:

Boost-Modus, 350 mA Last

Wie schließt man die Supercap an? Die Spannung der Supercaps an Ihrer Platine sollte nicht schwingen, da diese modernen Supercaps einen sehr geringen Innenwiderstand haben. Eine oszillierende Spannung zwischen SCAP+ und SCAP- sieht aus wie eine zu hohe Impedanz in der Verbindung zum Supercap. Wenn SCAP+ zu SCAP- stabil ist, aber SCAP- zu Masse oszilliert, ist die Verbindung zwischen SCAP- und Masse unzureichend. Beachten Sie, dass die Impedanz der Anschlüsse bei der Schaltfrequenz zu berücksichtigen ist, sodass die Induktivität nicht vernachlässigt werden darf. Fügen Sie in der Nähe des Chips Kappen mit niedrigem ESR hinzu, um dies zu kompensieren, wenn die Induktivität nicht vermieden werden kann.
Guter Punkt, das ist ein wahrscheinliches Problem, das ich nicht berücksichtigt habe. Da die Kappe im Verhältnis zur Platine recht groß ist, habe ich sie mit etwa 60cm langen Krokodildrähten verbunden, was in diesem Zusammenhang sehr lang ist. Ich werde versuchen zu sehen, was passiert, wenn ich es so nah wie möglich an die Spuren anschließe. Ich habe versucht, einen 47-uF-Keramikkondensator auf der Platine zwischen SCAP + und Masse hinzuzufügen, ohne große Wirkung, außer dass einige Schwingungen mit niedrigerer Frequenz und niedrigerer Amplitude von ~ 100 kHz reduziert wurden. Kann das Rauschen an diesem Knoten jedoch nicht auch durch das Schaltrauschen verursacht werden, das die Rückkopplungsschleife durcheinander bringt?
Die Länge der Drähte ist schon schrecklich, aber was die Sache noch schlimmer macht, ist der Kontaktwiderstand der Krokodilklemmen, insbesondere bei diesen 10 Kabeln für 3-Dollar-Packungen. Sie sind einfach unbrauchbar für alles, was eine niedrige Impedanz erfordert (wie der Eingang eines Schaltreglers). Löten Sie an die Kappe und verwenden Sie zumindest einen anständigen Stecker für die Platine. 47uF klingt nicht viel, aber es könnte das Problem bereits bei niedrigen Ausgangsströmen lösen. Schaltrauschen wird bei SW2 erzeugt, aber durch die Induktivität von L2 gedämpft. Bei 100 kHz sollte die Impedanz von L2 die Quellenimpedanz deutlich übersteigen.
... Wenn die Rückkopplungsschleife durch Ihre schreckliche Quelle gestört wird, können Sie wirklich schlechte Effekte und Oszillationen bekommen, Sie haben völlig Recht. Die Rückkopplung wirkt sich jedoch darauf aus, wie lang die einzelnen Impulse sind, sodass eine instabile Schleife instabile Impulslängen erzeugt, aber nicht primär Rauschen bei der Schaltfrequenz erzeugt.

Antworten (2)

Eine sehr schön präsentierte 1. Frage (oder 100. oder ...).
Es gibt viele Details zu verarbeiten, aber alles scheint relevant und nützlich zu sein, wenn eine gute Antwort gefunden werden soll. Ich kann jetzt nicht die nötige Zeit dafür aufwenden, werde aber ein paar Kommentare einwerfen und sehen, was andere später gesagt haben.

Ich verbrachte ungefähr 15 Minuten damit, die Schaltungen und Layouts hin und her zu gehen und einige grundlegende Überprüfungen durchzuführen. Ich bin sicher, Ihre Regelüberprüfung hätte grundlegende Fehler beseitigt.

Ich habe NICHT versucht herauszufinden, was genau Ihr Fehler verursacht hat - und vermute, dass es sich eher um einen schwerwiegenden Fehler oder einen Denkfehler als um die unten angesprochenen Designbereiche handelt. ABER eines der folgenden kann sich beziehen.

Haben Sie versucht, die gesamte Leiterplatte auf einer Leiterplatten-Masseebene zu platzieren? Kann haufenweise mit einseitig helfen. Nicht dürfen.

Die beiden gezeigten ungerouteten Netze haben vermutlich von Hand hinzugefügte Drahtverbindungen. (Wenn nicht, wäre das eine einfache Lösung :-))

Ein Single-Side-Board KÖNNTE machbar sein, aber bei einem so komplexen Biest mit zwei Umschaltern und der Fähigkeit zur Rückkopplung zwischen ihnen müssten Sie wirklich vorsichtig sein, ein an Ihre rechte Hand geklebtes Zielfernrohr und etwas Glück. Sogar ein doppelseitiges Board (das von vielen Boardhouses ungefähr so ​​billig und schnell ist) kostet ungefähr dasselbe.

Ein Problem ist (was möglicherweise zu einem Problem geführt hat, das Sie erhalten haben), dass der IC Pinbelegungen zu haben scheint, die davon ausgehen, dass Sie problemlos über den IC führen können, sodass kritische Stromschleifen wenig Fläche haben. Da Sie sich auf einer Ebene befinden, ist dies nicht der Fall, und Sie haben mehrere solcher Schleifen, die sich mehr oder weniger überlappen und eine Katastrophe einzuladen scheinen.

Die offensichtlichen, die zu Beginn minimiert werden müssen, sind die beiden Induktorschleifen p7-L1-p15 und p16&p17-L2-p14. Die L1-Schleife beinhaltet einen zusätzlichen Jumper, und wie Sie diesen leiten, kann sich auswirken.

Rauschen, das in die Rückkopplungsteiler gelangt, kann in der Tat eine schlechte Nachricht sein. Wie ich sehe, haben Sie c5 über R4 gemäß ihrer Schaltung verwendet, aber keine Obergrenze über R8 - auf einer ihrer Schaltungen als Copt und nicht auf einer anderen angezeigt. Vereinfacht gesagt leitet dies schnelle Lasttransienten oder Rauschen, das die Ausgabe beeinflusst, mit einer höheren Rate und einem höheren Pegel an den Feedback-Pin weiter, als Sie vom Teiler erhalten. Anwesenheit oder Abwesenheit in EINIGEN Designs ist Leben oder Tod.

Zeichnen Sie auf Ausdrucken des Layouts mit verschiedenfarbigen Markierungen Linien, wo die Schleifen zu sein scheinen, die von verschiedenen Prozessen verwendet werden (Induktorströme, Rückkopplungsteiler, ...). (Zeichnen Sie auf einem Bildschirm, wenn das für Sie funktioniert - ich finde Papier und Marker leistungsfähiger). Sie können dann wahrscheinliche Wechselwirkungen und alle Schleifen sehen, die große offene Vordertüren haben, durch die Rauschen / Kreuzkopplung ein- und ausströmen können.

Später vielleicht mehr.

Vielen Dank für den informativen Kommentar. Ich möchte nur anmerken, dass ich die nicht gerouteten Netze durch Drähte so kurz wie möglich verbunden habe. Ich werde die Idee der Grundebene ausprobieren und sehen, ob es einen Unterschied macht. Beachten Sie auch, dass die beiden Umschalter nicht gleichzeitig aktiviert sind und beide die gleiche Rückkopplungsschaltung verwenden. Der Boost-Teil sollte also isoliert betrachtet werden können.
Ich habe eine Vollkupferplatine flach gegen die Rückseite der Platine gelötet und mehrere Verbindungen rundherum gelötet. Das hatte überhaupt keine große Wirkung. Ich habe jedoch experimentiert, indem ich einen kleinen (1uF) Keramikkondensator zwischen Vout und Masse an der Diode des Aufwärtswandlers platziert habe. Was das Ausgangsrauschen ziemlich stark zu reduzieren schien, aber die abfallende Spannung nicht beeinflusste. Das Demoboard des Herstellers hat zwei Ausgangskondensatoren, einen an jedem Wandlerausgang. Mein nächster PCB-Layout-Versuch wird dort einen Kondensator einbauen, aber mit größerer Kapazität als im Demo-Board.

Wenn alles andere fehlschlägt, sollten Sie stattdessen den einfacheren bidirektionalen Buck-Boost-Supercap-Lade-IC LT3110 mit max. 2 A verwenden. Es kann weiterhin Strom von den Kappen bis hinunter zu 1 Volt verbrauchen. Es ist in einem 24-Pin-TSSOP-Gehäuse erhältlich, das auf einem kleinen 24-Pin-DIP-Breakout-Adapter montiert werden kann, der bei eBay erhältlich ist. Das Layout kann viel einfacher sein, da der Breakout-PC eine Masseebene unter dem IC hat

Die Ausgangsspannung des LTC3355 Backup-DC/DC-Reglers sackt unter Last im Boost-Modus ab
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