DCDC Wandler und Eigenresonanz Spule

[Christof K. (ckris)]

Hallo,

zum Glätten der Ausgangsspannung eines DCDC-Wandlers (XP POWER 
JTC0424D03) suche ich nach einer geeigneten Induktivität.

Der Wandler arbeitet mit 266kHz. Die Ausgangsspannng hat einen 60mV pp 
Ripple bei 20MHz Bandbreite.

Angedacht ist eine LC Ausgangsfilterung mit 39uH und 100uF.

Die Eigenresonanzfrequenz einer ausgesuchten Spule ist min 6,9MHz.

Kann ich diese überhaupt verwenden? Könnte es Probleme geben? Worauf 
habe ich bei der Eigenresonanzfrequenz zu achten?

Grüße
Christof

[Achim S. (Gast)]

Christof K. schrieb:
> Worauf
> habe ich bei der Eigenresonanzfrequenz zu achten?

dass sie wesentlich höher liegt, als die Frequenzen, bei denen du 
arbeitest (also 266kHz sowie einigen Vielfachen davon für die 
Oberwellen). Denn nur dann wirkt die Spule auch so, wie du es von ihr 
erwartest. Bei höheren Frequenzen als der Eigenresonanz wirkt die Spule 
nicht mehr induktiv sondern kapazitiv.

Eine Schaltfrequenz von 266kHz und eine Eigenresonanz von 6,9MHz passen 
also ganz gut zusammen.

[Christof K. (ckris)]

Danke für die Antwort.

Was mir jetzt noch Kopfzerbrechen bereitet, ist die Angabe der 
Bandbreite beim Ripple der Ausgangsspannung von 20MHz. Ist das nicht 
eine Größe, die bei der Auswahl der Induktivität mit einbezogen werden 
sollte?

[Achim S. (Gast)]

Christof K. schrieb:
> Was mir jetzt noch Kopfzerbrechen bereitet, ist die Angabe der
> Bandbreite beim Ripple der Ausgangsspannung von 20MHz. Ist das nicht
> eine Größe, die bei der Auswahl der Induktivität mit einbezogen werden
> sollte?

Nein. Der Hersteller des DCDC hat bei der Messung des Ripple die 
Bandbreite seines Oszis auf 20MHz eingeschränkt. Er hätte den Ripple 
auch mit einem 100MHz-Oszi oder mit einem 1GHz-Oszi messen können, dann 
würden eben diese Bandbreiten da stehen (und da würdest du dich mit der 
Suche nach der Spule schwer tun).

Für dich entscheidend ist nicht, mit welcher Bandbreite der Hersteller 
die 60mV Ripple gemessen hat, sondern bei welchen Frequenzen du wirklich 
die Filterwirkung des LC-Filters haben willst. Bei dir liegt die 
Eigenresonanz mehr als 20fach über der Schaltfrequenz - das ist locker 
ausreichend.

[Christof K. (ckris)]

> Nein. Der Hersteller des DCDC hat bei der Messung des Ripple die
> Bandbreite seines Oszis auf 20MHz eingeschränkt. Er hätte den Ripple
> auch mit einem 100MHz-Oszi oder mit einem 1GHz-Oszi messen können, dann
> würden eben diese Bandbreiten da stehen (und da würdest du dich mit der
> Suche nach der Spule schwer tun).
Hehe :) Das ist mir neu. Danke!

[voltwide (Gast)]

Und achte darauf, dass Dein LC-Filter einen geringen Gütefaktor bei 
seiner Eigenresonanz aufweist. Mit einem Ausgangselko sind da keine 
Probleme zu erwarten, mit einem keramischen Vielschicht-Kondensator 
allerdings kann der LC-Kreis bei Lastwechseln "klingeln" und dabei 
Überspannungen produzieren.

[Christof K. (ckris)]

voltwide schrieb:
> Und achte darauf, dass Dein LC-Filter einen geringen Gütefaktor bei
> seiner Eigenresonanz aufweist. Mit einem Ausgangselko sind da keine
> Probleme zu erwarten, mit einem keramischen Vielschicht-Kondensator
> allerdings kann der LC-Kreis bei Lastwechseln "klingeln" und dabei
> Überspannungen produzieren.

Oje! Wie soll ich den Bestimmen?

Habe mich jetzt auf einen Pi-Filter mit 2x 100uF, 180mOhm ESR und einer 
10uH, 380mOhm Drossel (30Mhz Eigenresonanzfrequenz) festgelegt.
Wie ich den Gütefaktor bestimme ist mir nicht bekannt. Auch nicht, was 
ein geringer Gütefaktor wäre.

[Achim S. (Gast)]

Christof K. schrieb:
> Wie ich den Gütefaktor bestimme ist mir nicht bekannt.

Da hilft nur Nachlesen und Ausrechnen (z.B. in einem Lehrbuch oder bei 
Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Schwingkreis)

Alternativ dazu kann man auch simulieren (siehe Anhang für drei 
verschiedene ESR-Werte). Dumm ist nur, dass man beim Simulieren schnell 
mal auf falsche Ergebnisse kommt, wenn man nicht wenigstens 
grundsätzlich kapiert hat, was man da so durch den Simulator schickt.

[Mark S. (voltwide)]

Legt man die obige Simulation zugrunde, dann ist der ESR Deines Elkos 
noch zu niedrig, vor allem wenn er in Wahrheit noch kleiner ausfällt als 
der spezifizierte Grenzwert. Am einfachsten, Du wählst eine deutliche 
höhere Kapazität, wie z.B. 1000uF, mit einem ESR von ein paar 100mR, 
also ein Elko von eher von bescheidener Qualität. Damit sinken die 
Resonanzfrequenz und auch der Gütefaktor.

[Mark S. (voltwide)]

Edit: Ich sehe gerade, dass Deine Drossel allein schon 380mR hat, dazu 
die 180mR ESR des Elkos - ich denke das passt!

[Christof K. (ckris)]

Ok. Die erste Kapazität vernachlässigend und davon ausgehend, ich hätte 
einen Reihenschwingkreis, ergibt sich mit einem R_L = 380mOhm und ESR_C 
= 180mOhm ein Q = 0,56.

Wenn ich richtig verstehe ist ein geringer Gütefaktor Q < 1 (somit 
Dämpfung bei Resonanzfequenz > 1)? Da scheinbar bei Q > 1 eine 
Überhöhung der Amplitude bei Resonanzfrequenz auftritt und das wohl 
unerwünscht ist.

Bin in der Simulation sehr überrascht, welch starken Einfluss der ESR 
der Kapazität auf den Amplitudengang hat. Mit meinem ESR von 180m habe 
ich ja fast nur einen Filter erster Ordnung :/ -> -20dB/Dec
Lässt sich die Dämpfung trotz "schlechtem" ESR der Cs verbessern?

Verstehe nicht ganz den Sinn der ersten Kapazität des Pi-Filters, da das 
Simulationsergebnis mit und ohne gleich bleibt...?

@Achim S
Sag mal, wie hast Du es geschafft, den Phasengang beim Plot in LTspice 
auszublenden? Steigert ja deutlich die Übersichtlichkeit :)

[Christof K. (ckris)]

Unter Einbeziehung der Eigenresonanzfrequenz f_0L der Spule, sehe ich 
die Problematik oberhalb f_0L. Hier schafft ein Kerko gute Abhilfe und 
verbessert ohnehin die Dämpfung des Filters bei Höheren Frequenzen.

[Mark S. (voltwide)]

Christof K. schrieb:
> Sag mal, wie hast Du es geschafft, den Phasengang beim Plot in LTspice
> auszublenden? Steigert ja deutlich die Übersichtlichkeit :)
Mit der linken Maustaste die rechte Y-Achse anklicken...

[Christof K. (ckris)]

Juhei! Danke :)

[Achim S. (Gast)]

Christof K. schrieb:
> Verstehe nicht ganz den Sinn der ersten Kapazität des Pi-Filters, da das
> Simulationsergebnis mit und ohne gleich bleibt...?

In der Simulation, weil du dort den Filter mit einer idealen 
Spannungsquelle treibst. Damit prägst du die Spannung fix ein und es ist 
egal, was noch an zusätzlichen Verbrauchern dranhängt (inklusive des 
"Eingangskondensators"). Bei einer realen Quelle mit einem bestimmten 
Innenwiderstand kann das anders aussehen. Für deinen Ripple-Filter am 
DCDC dürfte ein einfaches LC-Filter wahrscheinlich ebenso gut sein.

Christof K. schrieb:
> Mit meinem ESR von 180m habe
> ich ja fast nur einen Filter erster Ordnung

Richtig erkannt: bei den Frequenzen, wo der Blindwiderstand der 
Kapazität deutlich kleiner ist als der ESR, merkst du von der Kapazität 
nichts mehr.

Christof K. schrieb:
> oberhalb f_0L. Hier schafft ein Kerko gute Abhilfe

Jup. Aber vom Ripple solltest du bei der >100 fachen Schaltfrequenz 
ohnehin nicht mehr viel sehen. Außerdem idealisiert die Simu auch hier 
wieder zu stark, weil der 470nF Kerko bei 100MHz ebenfalls nicht mehr 
kapazitiv wirkt sondern induktiv. Der Kerko hat auch seine 
Eigenresonanz, und spätestens wenn ein paar mm Leitbahn (mit ihrer 
parasitären Induktivität) ins Spiel kommen, liegt die im einstelligen 
MHz Bereich.

[Christof K. (ckris)]

Du schaffst es mal wieder mich zu desillusionieren ;)

Was die ESLs und ESRs reduzieren könnte, wären dann parallele Kerkos und 
gar Elkos. Damit vergrößert sich aber der Aufbau des Filters, was seiner 
Funktion wiederum abträglich werden konnte - habe ich zumindest gelesen. 
In wiefern muss ich auf räumliche Nähe der Bauteile achten? Stehen hier 
die Leiterbahninduktivitäten im Vordergrund?

Der Wandler ist übrigens ein isolierter und soll auf einer kleinen 
Lochrasterplatine als Spannungsquelle realisiert werden.
Hier habe ich mal von der Empfehlung einer Kapazität von Einhang zu 
Ausgang gelesen? Ist das wirklich wichtig? Wie würde das realisiert?
Daneben soll ein 5V-Spannungsregler aus der gleichen Quelle versorgt 
werden.
Ein Eingangsfilter gleicher Dimension ist auch geplant.

Ich habe zudem gelesen, dass auch Gleichtaktstörungen auftreten können. 
Kann hier eine Verdrillung der Leitungen von Wandler zu Elektronik 
helfen, ohne gleich eine Drossel zur Gleichtaktunterdrückung 
einzusetzen?
Versorgt werden OPVs und ein uC mit ADCs zur Spannungsmessung.