Hochstrom-Abwärtswandler weist übermäßiges Klingeln und schlechte Regelung auf

Ich entwerfe eine Stromversorgung, um zwei fasergekoppelte Dioden-Arrays für einen Festkörperlaser mit Strom zu versorgen. Die Dioden-Arrays benötigen eine stromgesteuerte Quelle von etwa 50 A und haben einen Spannungsabfall von < 2,2 V. Die Diodenwellenlängen driften mit der Temperatur, daher muss ich in der Lage sein, den Stromausgang von der Dioden-Tasing-Schwelle (~ 12 A) nach oben zu steuern bis maximal 50 A.

Mein Prototyp dafür verwendet einen MAX20096 . Dieses Teil scheint auf den ersten Blick ideal zu sein: zwei synchrone Buck-Treiber mit externer MOSFET-Steuerung und einer SPI-Schnittstelle zur Steuerung von Treiberstrom und -status.

Meine Designparameter sind:

  • VIn: 8 Volt nominal (Bereich 7,3-8,4 V)
  • Vout: 2,2 Volt
  • Strom eingestellt: 50 A
  • Eingangswelligkeit: 1 %
  • Ausgangswelligkeit: 1 %
  • Schaltfrequenz: 500 kHz

Mein Schema dafür ist unten. Meine Berechnungen basierten tatsächlich auf dem Datenblatt von MAX20078 - dies ist eine Einkanalversion desselben Teils und sein Datenblatt war umfassender. Das MAX20096-Datenblatt konzentriert sich hauptsächlich auf die SPI-Schnittstelle. Ich habe eine Prototypplatine gebaut, sodass sich die entscheidenden Teile (Mosfets, Induktoren) auf einer Leiterplatte und nicht auf einem Steckbrett befinden, um das Rauschen zu minimieren und mir angemessene thermische Messungen zu ermöglichen:

Max20096 Schaltplan

Prototyp-Board-Layout

Für eine Last habe ich zwei Hochleistungsdioden in Reihe mit einem 100-mOhm-Widerstand. Ich habe ein einfaches Programm auf einem Arduino gebaut, um mit dem MAX20096 zu kommunizieren, und das scheint gut zu funktionieren.

Mit dem MAX20096 kann ich den Strom in % des Maximums einstellen. Ich habe zum Testen etwa 2 A Strom eingestellt und die Ergebnisse sind nicht das, was ich erwartet habe:

  1. Die ganze Schaltung klingelt wie verrückt. Rauschen taucht überall auf und ist so schlimm, dass es die serielle Verbindung zwischen dem Arduino und meinem Laptop überschwemmt, so dass ich, sobald ich es starte, den Status nicht zuverlässig vom Chip lesen kann.
  2. Die Schaltfrequenz ist weit weg. Ich habe für 500 kHz entworfen, aber ich messe 100 kHz. Und die Frequenz ist nicht stabil genug, um das Oszilloskop darauf einzurasten (vielleicht durch das Klingeln verwirrt?). Ich habe die Werte des R/C-Netzwerks gemessen, das die Frequenzauswahl bildet, und sie liegen innerhalb der Toleranz.
  3. Egal, welchen Prozentsatz des maximalen Stroms ich wähle, ich lese immer einen Ausgang von 3,1 A von einem angeschlossenen Amperemeter ab und der Arbeitszyklus ist derselbe. Die 3,1 A variieren, wenn ich die Last ändere, also regelt das überhaupt nicht.
  4. Wenn ich den Status von der SPI-Schnittstelle lesen kann, gehen die aktuellen Messwerte des MAX20096 zufällig von 0-9 A. Dies ist wahrscheinlich periodisch, aber ich lese nicht schnell genug.

Hier ist ein Beispiel für das Klingeln. Die obere gelbe Kurve ist der Ausgang und zeigt etwa 2 V an. Die untere Kurve ist der Eingang zum Induktor bei etwa 8 V. Die Frequenz beträgt hier etwa 96 kHz (die Oszilloskop-Frequenzwerte werden durch das Klingeln verwirrt):

Oszilloskop klingelt

Eine Nahaufnahme des klingelnden Teils der Wellenform zeigt, dass es bei etwa 4,5 MHz klingelt:

Nahaufnahme des Klingelns

Irgendeine Idee, was das verursacht?

Außerdem habe ich einige spezifische Fragen zum MAX20096, falls jemand Erfahrung damit hat:

  1. Der Chip verwendet unabhängige Oszillatoren für jeden Kanal, und ich befürchte, dies könnte eine Schwebungsfrequenz an der Eingangsversorgung festlegen, die einen größeren Eingangsfilter erfordern könnte. Wäre es besser, einen Chip mit einem einzigen Oszillator zu verwenden, der die Kanäle phasenverschoben betreibt? Ich erwäge, den MAX17559ACJ+ zu verwenden und ihn für die Stromregelung neu zu konfigurieren. Dies würde mehr Teile erfordern, um mit einem Mikrocontroller zu kommunizieren.
  2. Diese Synchronwandler verlassen sich auf die Body-Diode für eine gewisse Leitung im unteren MOSFET, um ein Durchschießen zu verhindern. Wäre es bei hohen Strömen besser, zusätzlich zum MOSFET eine große externe Diode zu verwenden?
  3. Warum liegt die Schaltfrequenz so weit daneben?
  4. Warum ist das aktuelle Rücklesen von der SPI-Schnittstelle so weit entfernt? (Ich frage mich, ob das übermäßige Klingeln Rauschen an den Stromerfassungseingängen verursacht. Ich verwende keine Kelvin-Verbindung zu den Stromerfassungswiderständen und könnte hier Müll aufheben).
  5. Das Zurücklesen der Spannung von der SPI-Schnittstelle ist ebenfalls weit entfernt. Ich lese sogar zufällige Werte von Kanälen, wenn sie ausgeschaltet sind. Kann auch hier am Lärm liegen.

Wie auch immer, alle Ideen, die mich in die richtige Richtung schubsen könnten, wären sehr dankbar. Dies ist mein erster Abwärtswandler, also bin ich mir sicher, dass ich eine ganze Reihe von Anfängerfehlern gemacht habe.

Wie kommt es, dass Sie nur eine Übergangszeitsteuerung für Ihre Low-Side-Transistoren haben? Ich würde denken, das würde das Timing Ihres Synchrongleichrichters durcheinander bringen.
Auf der High-Seite gibt es auch eine Slew-Steuerung – sie versteckt sich als 4,7-Ohm-Widerstand vor den BST-Pins – diese werden mit der High-Side-Gate-Steuerung verbunden, um den Boost bereitzustellen. Ich habe den 4,7-Ohm-Wert für diese Mosfets jedoch nicht berechnet - ich habe ihn aus einem Referenzdesign gestohlen.
Ach ich verstehe......
Ich muss @DKNguyen zustimmen, Ihr Layout ist schrecklich und höchstwahrscheinlich die Ursache Ihrer Probleme.
(Maxim-Anwendungsingenieur hier:) Bitte sehen Sie sich das Evaluierungskit-Layout an, das Maxim bereitstellt (Registerkarte „Design-Ressourcen“). Wir tun dies, weil SMPS sehr empfindlich auf das richtige PCB-Layout reagieren und wir viel Zeit und Geld in die Entwicklung guter Layouts investieren, damit Sie sich nicht all diese Mühen machen müssen. datasheets.maximintegrated.com/en/ds/… Ich bin SMPS seit einigen Jahren nicht mehr zugewiesen worden, habe aber an einigen SMPS der früheren Generation gearbeitet. Kupferinseln auf der Oberseite, 2 Unzen Kupfer, viele Durchkontaktierungen, alle machen einen signifikanten Unterschied.
Endlich! Eine aktuelle Ingenieursfrage im HNQ!

Antworten (3)

Es ist Ihr Layout. Sie müssen Ihr Layout wiederholen und es teurer machen. Alle Ihre anderen Bedenken sind nicht ohne Gültigkeit, aber dies ist die Wurzel der Dinge. Keines der anderen Dinge würde ein so schlechtes Klingeln verursachen.

Lassen Sie es von einer anderen Person überprüfen, bevor Sie es das nächste Mal einsenden.

  1. Ihre Ströme sind bereits sehr groß, daher sind alle parasitären Induktivitäten wichtiger.
  2. Dies ist eine 2-Lagen-Platine ohne Masseebene (es sei denn, ich sehe etwas falsch), sodass die Rückstromschleifen von Natur aus groß sind. aber Sie nutzen nicht einmal beide Seiten, um die Schleifenfläche zu minimieren. Ihr Routing enthält riesige Schleifen.
  3. Ihre Gate-Dämpfungswiderstände befinden sich nicht so nah wie möglich an den MOSFET-Gates, was ein Bündel von Klingeln zwischen dem Gate und dem Widerstand ermöglicht.
  4. Ihr Gate-Treiber ist zunächst zu weit von Ihren MOSFETs entfernt und das Routing ist für den Stromschleifenbereich suboptimal.
  5. Alle Ihre Kappen sind zu weit von der Stelle entfernt, an der sie sein müssen (so nah wie möglich an den IC- und MOSFET-Halbbrücken). Wie ist C1 68uF überhaupt? Es hat die gleiche Größe wie all Ihre anderen viel kleineren Kappen.
Tolles Feedback, danke. Ich bin sehr gespannt, wie sich ein neues Board-Design schlagen wird. Ich werde auch den Rat von MarkU beherzigen und mir das Evaluierungsboard genau ansehen. Ich habe mir die Schaltungs- und Komponentenauswahl des Evaluierungsboards angesehen, aber dem Board-Layout nicht allzu viel Aufmerksamkeit geschenkt.
@BrianPepin Das Layout ist das Wichtigste und am schwierigsten für einen Switcher zu reparieren.

Überprüfen Sie die Klingelfrequenz: Ich wette, sie entspricht der LC-Zeitkonstante, wobei L L1 und L2 ist und C der parasitären Kapazität der jeweiligen FETs entspricht.

Wenn dies der Fall ist, hilft keine Layoutänderung, da die Leiterbahnkapazität und -induktivität durch die oben genannten Parameter in den Schatten gestellt werden. Klingeln ist eine intrinsische Eigenschaft von Schaltungen, die induktive Lasten schalten.

Ein solches Klingeln kann reduziert werden, indem den MOSFETs (sowohl High- als auch Low-Side) Snubber hinzugefügt werden, die den LC-Kreis in einen RLC umwandeln:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Ich werde das im Hinterkopf behalten, aber die Zahlen hier funktionieren nicht. Ich berechne die Resonanzfrequenz des L / C hier mit 1,1 bis 1,8 MHz, abhängig vom Bereich der Eingangskapazität des MOSFET. Das stimmt nicht mit den 4,4 MHz überein, die ich für den Primärring sehe. Es sieht dem sekundären Klingeln, das ich später sehe, ziemlich ähnlich, also werde ich das im Hinterkopf behalten.

  1. Die Möglichkeit, den Laststrom mit einer an ein Oszilloskop angeschlossenen Stromsonde zu messen, ist für die Bewertung von Konstantstrom-Treiberschaltungen unerlässlich. Ich füge normalerweise 2 20-Mil-Loch-Visa auf der Ausgangsstromspur hinzu. Schneiden Sie die Spur zwischen den 2 Visa ab und fügen Sie eine Schleife aus 22 AWG-Draht hinzu, die gerade lang genug ist, um mit Ihrer Oszilloskop-Stromsonde zu greifen. Ein guter Tastkopf und ein Oszilloskop sollten eine Bandbreite haben, die mindestens das 10-fache Ihrer erwarteten Schaltfrequenz beträgt. Der Tektronix TCP202A 50-MHz-Tastkopf ist eine gute Wahl. Sollte in der Lage sein, einen vernünftig zu leihen oder zu mieten.

  2. Auf Ihrer Leiterplatte muss sich eine Masseebene befinden.

  3. Ihre Spannungsteiler-Messwiderstände R11,12,13,14 sind viel zu weit vom IC entfernt!

Oh Mann, sie sind wirklich weit weg.
Hochstrom-Abwärtswandler weist übermäßiges Klingeln und schlechte Regelung auf
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