Was würde dazu führen, dass ein Buck-Boost-Regler laut brummt und bei bestimmten Eingangsspannungen eine hohe Spannungswelligkeit erzeugt?

Ich habe ein Buck-Boost-Netzteildesign basierend auf dem LM5118 von TI. Ein Schema des Geräts ist unten dargestellt:

SMPS-Schema

( Link zur TI Workbench)

BEARBEITEN Viele der Kommentare erwähnen das Layout, daher habe ich hier einen Screenshot der Ober- und Unterseite des Boards eingefügt. Ich habe auch den Schaltplan beigefügt, damit die Komponentenreferenzen übereinstimmen.

Oberseite:Oberseite PCB

Unterseite:Platine Unterseite

Schema:Schema 01

Schema 02

HINWEIS: Der Schaltplan verwendet etwas andere Teile als die TI Workbench vorschlägt. Diese wurden berechnet, indem der Prozess im Datenblatt befolgt und der Excel-basierte Taschenrechner verwendet wurde, den TI im Datenblatt erwähnt. Als dieses ursprüngliche Setup nicht funktionierte, wurden die Komponenten ersetzt, um den von der Workbench vorgeschlagenen zu entsprechen, aber das hat das Problem immer noch nicht gelöst.

Was ich festgestellt habe, ist, dass das Gerät bei einer Last von 0,5 A zwischen 10 und 16 V Eingang ein lautes Jammern abgibt, das anscheinend von der Induktivität kommt. Gleichzeitig hat die Ausgangsspannung eine Welligkeit von 1,5 V Spitze-Spitze bei etwa 5 kHz. Sobald die Spannung über etwa 16 V angehoben wird, hört das Rauschen auf und die Stromversorgung scheint ordnungsgemäß zu funktionieren, mit einem sauberen 13,5-V-Ausgang.

Ich habe die Gate-Signale für die Transistoren untersucht und festgestellt, dass die Signale zum Gate diskontinuierlich zu sein scheinen, wenn die Stromversorgung dieses Rauschen erzeugt. Der Controller treibt das Gate für eine gewisse Zeit mit der Schaltfrequenz (ca. 300 kHz) an, dann gibt es eine Lücke, in der das Gate nur für eine gewisse Zeit ausgeschaltet wird, dann wird das Schalten wieder aufgenommen. Ich habe die Frequenz dieses Gesamtverhaltens nicht gemessen - ich wette, es wird nicht zu weit von den 5 kHz entfernt sein.

Ich hatte ein anderes Netzteil, das mit demselben Chip entworfen wurde, der ursprünglich für 28 V-Ausgang ausgelegt war und einwandfrei funktionierte. Die Rückkopplungswiderstände wurden dann modifiziert, um einen 13,5-V-Ausgang bereitzustellen, und es funktionierte weiterhin über den gesamten Spannungsbereich. Der einzige Unterschied zwischen diesem Design und diesem waren die Transistoren ( SQM120N10-3M8-GE3 ) und die Dioden ( MBRS3201T3G ).

Irgendwelche Ideen, wonach ich suchen könnte, um dies zu beheben?

Betrachten Sie die heiße Seite des Induktors. Möglicherweise fangen Sie bei einer bestimmten Spannung Gaußsche Reflexionen in der Induktivität ein
Überprüfen Sie diese ähnliche Frage hier electronic.stackexchange.com/questions/77645/… das Rauschen könnte auf den Betrieb des Reglers im Burst-Modus zurückzuführen sein, dies würde jedoch nur bei geringeren Lasten auftreten. Weitere Informationen finden Sie im lm5118-Datenblatt über seine verschiedenen Betriebsarten.
@user7994 Danke. Es scheint jedoch, dass der Burst-Modus für einige Regler als "normaler Betrieb" angesehen wird. In meinem Fall ist die Welligkeit der Ausgangsspannung in diesem seltsamen Modus enorm, was mir anzeigt, dass etwas nicht stimmt.
Versuchen Sie, mit der Schleifenkompensation herumzuspielen, dem Typ-2-RC-Netzwerk, das mit dem COMP-Pin verbunden ist. Etwas einfache Mathematik sollte Ihnen helfen, die richtigen Werte für das RC-Kompensationsnetzwerk zu berechnen. Abschnitt 10.2.2.17 im Datenblatt für den LM5118 enthält weitere Informationen, die RC-Feedback-Komponenten sind im [Schema] markiert ( imgur.com/XiNsRwL )
Es könnte ein Problem mit der Verstärkung/Phasenreserve sein, wie oben vorgeschlagen, aber es könnte auch ein Rauschproblem aufgrund des PCB-Layouts sein. Ich habe Layoutprobleme gesehen, die wie beschrieben nur in bestimmten Bereichen auftreten. Wenn der Konverter stabil ist, können Sie ein Verstärkungs- / Phasendiagramm erstellen, wenn Sie über die Ausrüstung verfügen, um Ihre Verstärkungs- und Phasenreserve zu sehen. Wenn nicht, können Sie sich ein Bild davon machen, indem Sie sich das Einschwingverhalten der Last ansehen.
Ich wette, es liegt am Schaltungslayout oder an einer zu geringen Last ...
Also stabil im Buck-Modus und instabil im Buck-Boost. Rechte Halbebene Null vielleicht? Rauschstörungen beim Ansteuern des Boost-FET? Und warum so ein hupender FET mit 125 nC Gate-Ladung bei 300 kHz nahe an 300 mW Gate-Ansteuerleistung liegen muss. Möglicherweise unzureichende Gate-Dämpfung.
Ihr Problem tritt beim Übergang vom Boost- in den Buck-Modus auf, und dies deutet stark auf eine Schleifenkompensation (einschließlich Layout) oder möglicherweise auf eine Kopplung von Ausgang zu Eingang über Leiterplattenspuren hin. Ich werde anmerken, dass das Klingeln bei hohen Arbeitszyklen auftritt (zumindest im Buck-Modus) und es eine Modusabhängigkeit vom Arbeitszyklus gibt (Datenblatt, Abbildung 10), was meinen Verdacht eher verstärkt.
Im Übergangsbereich von Buck zu Buck-Boost – Abbildung 16 zeigt den Übergang beginnend bei etwa 2,5 V über V(out), was zu Ihrem beobachteten 16-V-Reinbetrieb passen würde.
@PeterSmith Danke für deine Kommentare. Da das Layout anscheinend mehrmals in Frage gestellt wurde, habe ich die Frage aktualisiert, um das PCB-Layout einzubeziehen, falls dies offensichtliche Probleme aufwirft.
Es könnte sich lohnen, sich das Referenz-PCB-Design von TI für diesen Teil anzusehen und zu vergleichen, wie sie es gemacht haben: ti.com/lit/ug/snva334b/snva334b.pdf
Meine Herren, das Layout ist bei weitem nicht perfekt, aber es ist nicht der Grund für akustische Geräusche.
Nachdem ich gesehen habe, dass scheinbar harmlose Layouts die seltsamsten Probleme in SMPS-Schaltungen verursachen - sagen wir einfach, ich bin diesen versteckten Schaltplanelementen gegenüber immer misstrauisch. Es gibt zwei interessante Dinge im Layout: 1. Es scheint eine solide Masseebene zu geben - wenn diese zwischen Pin 1 und Pin 20 solide ist, könnten Sie leicht eine Rauschkopplung des Ausgangsschalterknotens direkt zurück in den Eingang haben, was den leicht destabilisieren kann Schaltkreis. 2. Es gibt eine Spur unter L1, wo Sie starkes Rauschen erwarten können (abgeschirmte Induktivitäten sind nicht so abgeschirmt). Sehen Sie sich den Vin-Stift auf einem Zielfernrohr an.

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Sieht so aus, als ob jeder, der sagte, es sei die Schleifenkompensation, Recht hatte! Aber ich habe alle auf eine wilde Verfolgungsjagd geführt - das Problem war ein Fehler im Schaltplan, der aufgetreten sein muss, als er von einer Iteration zur nächsten geändert wurde: R6 soll sich mit COMP verbinden, ist aber verbunden zu FB! Es war also tatsächlich die Schleifenkompensation, die nicht richtig funktionierte!

Ich schlage vor, hier nachzusehen: http://www.smpstech.com/problems.htm , der Typ scheint ziemlich sachkundig zu sein, und die Seite ist voller interessanter SMPS-bezogener Lektüre.

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Entschuldigung, ich bin zu faul, alle Kommentare zu lesen.

Trotzdem habe ich einige Gedanken zu dem Thema. DC/DC haben oft eine bemerkenswerte Frequenzwelligkeit wie 0,1 oder 0,01 der Schaltfrequenz. Das bedeutet, dass der Regelkreis nicht sehr gut funktioniert. Als erstes könnten Sie versuchen, mit all diesen Obergrenzen des Vergütungsnetzwerks zu spielen. Auch das Hinzufügen einer kleinen Kappe parallel zum oberen Rückkopplungswiderstand kann sehr hilfreich sein.

Jetzt kann ich in Ihrem Layout die MOSFETs nicht sehen. Entweder vermisse ich sie nur auf meinem Handydisplay oder sie sind weit vom Fahrer entfernt. In diesem Fall treten Probleme mit EMI auf, die durch hohe Gate- und Drain-Ströme verursacht werden. Seien Sie auch damit vorsichtig.

Danke. Die Transistoren sind da: Blick links und rechts von L1
Sie sind also q1,q3, nicht m1,m2?
Ja, das sind sie.
Schauen Sie sich nur an, wie der Gate-Strom zu q1 fließen muss. Es ist wahrscheinlich wie 2A mit einer Anstiegszeit von vielleicht 20 ns. Ziemlich furchtbar.
Nein nein, es ist Q2 und Q3.
Ja, Entschuldigung, ich meine Q2. :) Sehen Sie sich diese Spur an ... Wie auch immer, es ist nicht das, was eine Welligkeit am Ausgang verursacht. Wann können Sie den kleinen Kondensator bei Rückkopplung ausprobieren? Ich wette, es wird funktionieren. Versuchen Sie es mit 47 pF, vielleicht 1000 pF.
Übrigens ist dieser Kondensator eine "Feed Forward" -Funktion, was für Laien bedeutet, dass Sie nicht darauf warten möchten, dass Ihr Steuerkreis die Arbeit erledigt, sondern die Änderung selbst in die Rückkopplung einspeisen, damit das Ganze funktioniert ein bisschen schneller.
Q3 Gate Trace sieht nicht viel besser aus. Wenn Sie das EMI-Labor leiten müssen, stellen Sie eine neue Platine her. Als ich das letzte Mal so etwas riskierte (ich war jünger und mutiger als jetzt), hat sich das Board selbst eingemischt.
Was sind die Strompfade für die Gate-Signale für Q2-3? Welche anderen Probleme sehen Sie mit dem Layout?
Der Strompfad verläuft vom DC/DC-Controller bis zum MOSFET-Gate. Die Schlüsselidee des Schaltnetzteils ist, dass der Schalter nur EIN oder AUS ist, kein Zustand in der Mitte. Um dem so nahe wie möglich zu kommen, wird die Zeit, die zum Ein- oder Ausschalten des MOSFET benötigt wird, durch einen hohen Ladestrom minimiert. Nun schau, wo es fließt. Es beginnt am internen DC / DC-Gate-Treiber, geht zum MOSFET-Gate, zur MOSFET-Source, zur Masse und zum Entkopplungskondensator in der Nähe des DC / DC. Dann wird das Netz geschlossen. Wenn dieses Netz groß und breit ist, ist es nur eine Antenne, die ziemlich hohe Energie in eine unbekannte Richtung überträgt.
Wenn Sie also eine DC/DC-Platzierung vornehmen, sollten Sie sich alle Strompfade ansehen, die Sie haben. Zu MOSFETs, zum Induktor, zum Fangen von Dioden und um zwei Dinge sicherzustellen. 1: Alle Wege sind so kurz wie möglich. 2: Wenn sich aufgrund des Schaltens die Schleifenfläche ändert, ist die Änderung minimal, sodass der magnetische Fluss konstant bleibt.
Insbesondere in Ihrem Layout würde ich q2 niedriger nehmen, wo sich kleinere Kondensatoren befinden, Dioden wären 9 auf der Unterseite direkt unter q2, U1 würde dann um 90 Grad gedreht und parallel zur Induktivität platziert, q3 wäre direkt unter den Ausgangskondensatoren.
Was würde dazu führen, dass ein Buck-Boost-Regler laut brummt und bei bestimmten Eingangsspannungen eine hohe Spannungswelligkeit erzeugt?
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