Schaltwandler - Frequenz vs. Kondensatortyp

[Robert T. (tillule)]

Hallo nochmal,
nachdem der Schaltplan soweit fertig ist, kommen nun die Fragen zum 
Layout :p

Projekt:
Buck-Boost-Wandler, V_in = 12-14Vdc, 1.2Vdc <= V_out <= 50Vdc, I_out_max 
= 10A, P = 2 bis 3 parallele Stufen à 80-120W (mal schaun, was ich pro 
Stufe an Ausgangs- und "Radio-"Leistung hinbekomme).
Verwendeter Controller: LT3790 
(http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/3790fa.pdf)
Schaltungen, an denen ich mich orientiert habe:
- 360W 24V 15A Parallel Voltage Regulator (DB Seite 25)
- Eval-Bord zum Controller 
(http://cds.linear.com/docs/en/demo-board-manual/DC2123AF.PDF)


Grobe Themen-Übersicht, bei denen ich mir Beratung erhoffe:
- Schaltfrequenz => KerKo/ElKo oder beides
---------------------------------------------------------
Rest in einem andren/künftigen Thread:
- PBC-Lagen: 2lagig(2x2 Oz) oder 4lagig(1x0.5x0.5x1 Oz), bzw: 
Masse-Layer, wo muss der überall hin
- 2seitige Bestückung: kleinere Stromschleifen, kürzere dV/dT-Pfade auf 
Kosten einer weniger planen Rückseite für Kühlung.
- Vias (Kühlung/Stromleitung - gibts überhaupt noch Press-Hülsen)
- Gate-Widerstände ja / nein
- Partitionierung von DGND und AGND - versemmelt der Ripple des Wandlers 
nicht sowieso alles und man muss auf die Störungen der digitalen Leitung 
garnicht mehr achten?!
- andre Fragen, die noch aufkommen oder gerade in keine Schublade passen


Schaltfrequenz & Kondensatoren:

Der gewählte Controller ist von 200kHz bis 700kHz einstellbar.

Auf Beitrag "Schaltregler - Layout" hab ich folgendes 
aufgeschnappt:
>300kHz ist sowieso nicht Fisch, nicht Fleisch. Entweder drastisch
>reduzieren (z.B: auf 50kHz), dann dürfte das auch in THT wieder
>sinnvoll machbar sein oder erhöhen, z.B. auf >500kHz, dann kann man
>auch auf Elkos verzichten und mit Kerkos auskommen.
>300kHz ist so ungefähr die Schmerzgrenze für Low-ESR-Elkos.

Da ich V_out bis 50Vdc umsetzen möchte, kommen mir KerKos vor allem 
ausgangsseitig unbrauchbar vor (bleibt nicht mehr viel an C über).
Gegenfrage zur aufgeschnappten Aussage:
50SVPF68M (Panasonic OS-CON): ESR: 20mOhm, I_Ripple = 4.3A
https://industrial.panasonic.com/cdbs/www-data/pdf/AAB8000/AAB8000C177.pdf
Ich kann einen maximalen RippleCurrent auslesen und einen Faktor auf den 
RippleCurrent der abhängig vom Frequenzbereich ist und bei 500kHz (als 
maximal genannte Frequenz den höchsten Wert von 1 annimmt).
Auch Graphen, in welchen Kondensatortypen gegenübergestellt werden, 
haben die OS-CON Typen bis 1MHz eingezeichnet.
- Wie finde ich heraus, bis zu welcher Frequenz die SVPF-Reihe genutzt 
werden kann?
- Welcher KerKo kann bei 50Vdc ähnliches (laut Aussage eines 
Panasonic-Mitarbeiters darf man die OS-CONs auch bis zur Rated Voltage 
betreiben)?
- gibt es Effekte, die ich vernachlässige/nicht beachte?
- Wieso mischt die Referenzschaltung im DB und das Eval-Board ElKos und 
KerKos (muss irgendwas geben, was der KerKo auch bei 200kHz besser 
macht)?
- phasenverschobenes Parallelschalten vervielfacht theoretisch die 
Frequenz am Ausgangskondensator. Ich wollte die einzelnen Stufen auf 
eigene Boards machen (10x10cm² max) - heisst: um den Ausgangskondensator 
einer Nachbarstufe mitzunutzen, muss der Strom über 6-12cm 
Kupferleitung, was aber natürlich nicht allzu hochohmig sein werden 
wird.
In der Beispielschaltung des DB wird der ElKo "SUNCON 35HVT220M" zB. mit 
3x200kHz gebummst. Darf ich das auch mißachten? (wobei ich C_out gern 
mit 2-4x 500kHz rannehmen würde)

Danke schonmal
Robert

[Mark S. (voltwide)]

Da hast Du Dir ja ganz schön was vorgenommen.

Die Probleme sehe ich in den kleinen Spannungen und großen Strömen, und 
damit werden stromführende loops besonders kritisch. Von daher gehe ich 
mal davon aus, dass Du mehrere PCB-Layout-Durchläufe brauchst, bis das 
Ganze stabil läuft. In diesem konkreten Fall macht ein 4-fach-Layer 
durchaus Sinn, schau Dir mal die LT-Eval-boards an.

Über die optimalen caps würde ich mir noch nicht allzu viele Gedanken 
machen, im Zweifelsfalle polymer-Elkos am Ausgang, Standard-LoESR-Elkos 
am Eingang.

[Alfred B. (alfred_b979)]

Robert T. schrieb:
> (muss irgendwas geben, was der KerKo auch bei 200kHz besser
> macht)?

Schon. KerKos oder FoKos werden meines Wissens wegen ihres sehr 
niedrigen Innenwiderstands parallelgeschalten.

Es ist ja nicht so, daß ELKOs grundsätzlich besser wären bei niedrigerer 
requenz (relativ zu anderen Arten), sondern andere Arten von 
Kondensatoren verbräuchten zuviel Platz.

Ein Zwischenkreiselko wird, wenn zw. ihm und der Brücke noch ein FoKo 
ist, weniger Ripple, kleinere Strom- und 
Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten aushalten müssen.

Datenblatt kann ich leider nicht laden (Netzverbindung), deshalb so 
allgemein.

Mark S. schrieb:
> Da hast Du Dir ja ganz schön was vorgenommen.

I agree, my friend. Das wird wohl kein Zuckerschlecken.

[Robert T. (tillule)]

Die Familie blockiert gerade ein wenig ...


>Die Probleme sehe ich in den kleinen Spannungen und großen Strömen
meinst die 10A, die man von 1.2V - ca. 10V rausquetschen mag? Oder ist 
gerade im niedrigen Spannungsbereich (1.2V) der Hund begraben?

>Von daher gehe ich
>mal davon aus, dass Du mehrere PCB-Layout-Durchläufe brauchst, bis das
>Ganze stabil läuft.
Fänd ich nicht ganz doll schlimm, sofern mir nicht alles um die Ohren 
fliegt und ich beim Messen nicht rausfinde warum.

>im Zweifelsfalle polymer-Elkos am Ausgang, Standard-LoESR-Elkos
>am Eingang
Also eher nicht koppeln mit Klein-Scheiß?

Wenn man die Stromschleifen minimalisieren mag, bietet sich vllt eine 
beidseitige Bestückung der Ausgangskondensatoren (ob das nun ne Mischung 
aus KerKos&OS-CONs ist oder nicht) an.

>Schon. KerKos oder FoKos werden meines Wissens wegen ihres sehr
>niedrigen Innenwiderstands parallelgeschalten.
hatte bei DB-Scans das Gefühl, dass sich das nicht viel schenkt. Aber 
grob les ich aus, dass man die OS-CONs bei dem Ausgangsspannungsbereich 
braucht, um die Kapazität bei der Spannung zusammenzubekommen, das wird 
mir dann vllt. auch mein maximale Frequenz beschneiden, wenn man mal 
rausfindet, wo die maximale Frequenz der OS-CONs liegt.
ABER ne Parallelschaltung mit nem platzsparenden KerKo, der vllt keine 
große Kapazität hat, aber einen ähnlich kleinen oder kleineren ESR, 
entlastet den OS-CON und hemmt Spannungs-Spitzen (durch geringeren 
Gesamtwiderstand).

Alla - danke schonmal
Ich mach mal ein Layout Anfang der Woche postfertig und dann kann man's 
gern zerpflücken ;)

Lieben Gruß
Robert

[Alfred B. (alfred_b979)]

Robert T. schrieb:
> Spannungsbereich (1.2V) der Hund begraben?

Da stecken viele verschiedene Tiere an mehreren Stellen gruppiert 
unterschiedlich tief im Morast, um Deiner Redensart m. e. Metapher 
halbwegs zu folgen.

Mark S. schrieb:
> Die Probleme sehe ich in den kleinen Spannungen

ist die eine Gruppe, und

Mark S. schrieb:
> und großen Strömen, und
> damit werden stromführende loops besonders kritisch

eine andere. Wurde halt von Mark nicht so ausdifferenziert, weil man es 
auch als allgemeine Warnung formulieren kann: "Niedrige U bei angenommen 
gleicher Leistung führt zu hohen Strömen, welche zu Problemen führen, 
die man sonst in der Leistungsklasse nicht hätte."

Robert T. schrieb:
> Also eher nicht koppeln mit Klein-Scheiß?

Hat er so nicht gesagt. Allgemein schaden den ELKOs parallele kleinere 
Kondis mit niedrigen ESR-/ESL-Werten eher nicht... ganz im Gegenteil, 
wie gesagt. Nur werden sie zumeist im Zuge kompakter Aufbauten nur bei 
Bedarf eingesetzt (Low-ESR gerade nicht, oder nur in falscher Bauform 
verfügbar etc.).

Robert T. schrieb:
> hatte bei DB-Scans das Gefühl, dass sich das nicht viel schenkt

Was genau meintest Du? FoKos zu KerKos? Denn davon sprach ich gar nicht. 
Oder Fmax x U bzw. halt ESR o. ESL Unterschiede von allg. ELKOs zu 
KerKos und FoKos?

Die elektrische Entlastung des ELKOs besteht nämlich sicher, wenn man 
ihm "was kleines nebenbei" spendiert.

MfG

[Robert T. (tillule)]

>Die elektrische Entlastung des ELKOs besteht nämlich sicher, wenn man
>ihm "was kleines nebenbei" spendiert.
Bei kleinerem geht es um ESR/ESL oder auch um geringeres C in Bezug auf 
Tiefpass-Eigenschaften?

>Was genau meintest Du? FoKos zu KerKos?
Ich hab bisher nur eindimensional den ESR betrachtet und hatte das 
Modell, viele Elkos parallel zu schalten, was idR. die Stromschleife 
vergrößert.
Verglichen hab ich nur OS-CON zu KerKo bzgl. ESR und Platzbedarf bei 
gleicher Kapazität.
Wenn man nun 1-2 "kleine" KerKos parallel schaltete, dann macht das 
platztechnisch (je nach Footprint) nicht viel aus und würde, wenn ichs 
richtig verstanden hab, nicht die Kapazität nennenswert erhöhen, sondern 
durch geringeren ESL/ESR ein Teil der Spitzenlasten abfangen. Um den 
Ripple in Grenzen zu halten dient nach wie vor rechnerisch "allein" der 
Elko?

http://www.vishay.com/docs/45199/vjcommercialseries.pdf:
Ein X7R bei 1812er Bauform liefert zB 1uF/50Vdc. 1812 ist nicht so ganz 
klein, aber 2 Stück zwischen Brücke und Elko wäre platztechnisch 
vorstellbar. An Kapazität bleiben von den 1uF wahrscheinlich 300nF.

Die kleinen Spannungen unter 5V sind "nur" Wunsch - heisst, wenn das 
nicht klappt ist nicht so tragisch. Von 10A runter zu müssen auf 5A tut 
zB schon mehr weh. Wieso sind die kleinen Spannungen problematisch? 
Ripple-Masse fällt mir regelungstechnisch ein - gibts noch andres 
verstecktes?

Hab zu Beginn der Woche ein wenig Zeit und poste mal ein 
Schaltplan/Layout.
Das genannte Eval-Board ist grob das einzige was ich in der 
Leistungsklasse gefunden hab mit der gewünschten Topologie.
Schaltplan ist im oben gelinkten PDF. Bzgl. Layout hab ich nur die 
beiden Bilder - nehm an 4 Lagen, aber unabhängig davon relativ 
flächengreifend (man könnt ordentlich was einsparen an Schleifenfläche).

[Alfred B. (alfred_b979)]

Robert T. schrieb:
> Um den
> Ripple in Grenzen zu halten dient nach wie vor rechnerisch "allein" der
> Elko?

Kommt drauf an. Man kann, ich wiederhole, den Elko/die Elkos mehr oder 
weniger stark entlasten, je nachdem, was man da genau zusammen verwendet 
und wofür. Und zwar GERADE DEN RIPPLE "frißt" der niederinduktive 
Kondensator "am liebsten". (Was sonst? Der geht halt dort rein, wo ihm 
wenig Widerstand/L entgegenwirkt.) Aber: Warum sollte das nur bei 
Lastspitzen wirken??? Oder WHAT?

Theoretisch (in Deinem Fall eher nicht) könnte man sich einen 
Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter niedrig-/mittlerer Leistung mit 
HoldUp-Bedarf denken, und wir nehmen weiter an, daß das Layout (das ist 
möglich) eher übel ist. (Evtl. auch noch der Elko recht hohe 
ESR-/ESL-Werte hat. Die zu langen Leiterbahnen, evtl. auch Schienen, 
liegen zu diesen Werten dann ja auch noch in Reihe.)

Die entstehenden Probleme (die Du wahrsch. kennst) lassen sich stark 
entschärfen, schließt man (nahezu) DIREKT zwischen Highside-Drain und 
Lowside-Source einen zusätzlichen Kondensator mit wenig ESR/ESL.

Sorry - momentan keine Downloads möglich, deshalb keine konkreten 
Aussagen über "Deine" Teile.

[Alfred B. (alfred_b979)]

Mein Beispiel ist, wie gesagt, auf Deinen Fall kaum anwendbar. 400VDC 
und so... aber das funktionier auch bei 20VDC - nur wird Dein Layout 
wohl kaum so wie mein "imaginäres" von gerade, hoffe ich... und 
heutzutage ist Qualität und Auswahl grade im SMD-Bereich beides 
vorhanden.

Sorry wg. Doppelpost, Verbindung spinnt ohne Ende.

[Robert T. (tillule)]

>Sorry wg. Doppelpost, Verbindung spinnt ohne Ende.
A-wa, hab nen Hut, dass man trotz ärgerlicher Verbindung versucht zu 
helfen.

Hier verzögert's sich gerade ... Layout mit hervorgehoenen Strompfaden 
wäre mein nächster Post - wenn ich die Frau recht verstanden habe, darf 
ich heute ein wenig dem Hobby fröhnen ....

Lieben Gruß
Robert

[Alfred B. (alfred_b979)]

Robert T. schrieb:
> A-wa, hab nen Hut, dass man trotz ärgerlicher Verbindung versucht zu
> helfen.

Gern. Trotz "(-1)". Nix Bilder? Hat wohl stattdessem sie Dir gefröhnt...

[Robert T. (tillule)]

Tadaaa .... hat bissl gedauert, aber hab den Folgethread grad 
abgeschickt:
Beitrag "Schaltregler Layout - Stromschleifen - GND-Layer"

Geht dann dort eher um das Layout.

@Kondensatoren: LOW-ESL und auch lower ESR pro Fläche bei KerKos hab ich 
verstanden und umgesetzt, aber wie weit ich meine OS-CONs in den 
MHz-Bereich treiben darf, ist mir noch unklar.

@Alfred: War ich das mit der "-1"? Ausversehen dann. Manchmal muss man 
Sachen ja 2x lesen, bis das Hirn den Inhalt verinnerlicht.

Lieben Gruß
Robert

[Alfred B. (alfred_b979)]

Robert T. schrieb:
> War ich das mit der "-1"?

Glaub ich nicht. Ich vermute mal, Du hast vorhin ein "+1" gemacht - wäre 
das -1 von Dir gewesen, stünde da jetzt auch +1 (funktioniert als 
Korrektur). Man kann ja nicht 2x bewerten. Nur bei zwei 
unterschiedlichen Usern kann addiert werden - soviel ich weiß. 
Aber...egal.

Robert T. schrieb:
> Manchmal muss man
> Sachen ja 2x lesen, bis das Hirn den Inhalt verinnerlicht.

Würden auch mehrere so denken, könnte man das leider auch von "Frust und 
Laune" beeinflußte Bewertungssystem ja doch ernst nehmen... so aber 
nicht.

Für anspruchsvolle Layouts tauge ich (noch) nicht...
Cheerio, Robert! ;-)