Problem mit dem Hochsetzsteller (TPS 40210)

[Ayoub G. (Firma: fh uas frankfurt) (ayoub_ghodbani)]

Am Anfang möchte ich schon im Voraus Bescheid sagen, dass ich nicht so 
viele praktische Erfahrungen mit dem Messen und der Elektronik habe.

Ziel meiner Arbeit ist es die Realisierung eines Hochsetzstellers mit 
hohem Wirkungsgrad. Es soll eine Lösung für die Anwendung als 24 Volt 
Spannungsquelle zum Betrieb von 24 Volt Verbrauchern an einem 12 Volt 
Blei -Akkumulator entwickelt werden.

Die Technischen Anforderungen sind folgende:
Eingangsspannung Uein: 11 V....13V
Ausgangsspannung Uaus: 24.8 V
maximale Abweichung der Ausgangsspannung : +-0.2V
Wirkungsgrad > 80%

Ich habe den Boostcontroller TPS 40210 (von TI) eingesetzt.

Anhand Webbench habe ich anhand meinen technischen Daten eine Simulation 
durchgeführt , diese war auch erfolgreich. Daraufhin habe ich die 
Bauteile bestellt und dafür das nötige Layout gezeichnet (im Anhang).

Nach der Fertigung der Platine und setzen der Bauiteilen, komme ich nun 
zum Test.
Meine Problem ist hier das meine Eingangsspannung gleich der 
Ausgangsspannung ist, heisst es findet hier kein Boost statt. Mein 
MOSFET bekommt die nötige 1,6 Volt zum an der Source. Ich habe es mit 
dem Multimeter gemessen (ZWISCHEN Gate und GND). Bedeutet das, dass mein 
Mosfet nicht funktioniert? Ansonsten weiss ich es nicht, was die Ursache 
dieses Problems sein könnte.


Vielen dank im Voraus …

[Bernd (Gast)]

Ayoub G. schrieb:
> ...dass ich nicht so
> viele praktische Erfahrungen mit dem Messen und der Elektronik habe.
>
> Ziel meiner Arbeit ist es die Realisierung eines Hochsetzstellers mit
> hohem Wirkungsgrad.
Warum tut man sich das dann an?

Ayoub G. schrieb:
> Daraufhin habe ich die
> Bauteile bestellt und dafür das nötige Layout gezeichnet (im Anhang).
Sieht leider nicht mal ansatzweise wie das Referenzlayout aus. 
Schaltregler sind vom Layout generell sehr kritisch. Da hilft es, sich 
an das Referenzlayout aus dem Datenblatt zu halten. Erspart viel Ärger 
und Fehlersuchen.
Bei dir sieht man leider riesige Schleifen zu den Bauteilen, da kann 
alles mögliche passieren. Egal ob Buck oder Boost, das hier ist immer 
hilfreich: 
http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layout-Schaltregler

Ayoub G. schrieb:
> Mein
> MOSFET bekommt die nötige 1,6 Volt zum an der Source. Ich habe es mit
> dem Multimeter gemessen (ZWISCHEN Gate und GND).
Miss mit einem Oszi. Mit dem Multimeter siehst du nicht, ob der 
Schaltregler auch schaltet.

Welchen Pegel hat der EN-Pin?

[j67215 (Gast)]

Wieso hängen denn im Layout einige Bauteile in der Luft?

[Michael B. (laberkopp)]

Ayoub G. schrieb:
> Ziel meiner Arbeit ist es die Realisierung eines Hochsetzstellers

Warum nimmt su einen Regler wenn du nur einen Steller willst ?

Als der Dozent von Steller sprach, hatte er nur Transistor und Diode, 
noch ohne Regelung, vor sich. Kaum wird die Feedback-Schleife 
geschlossen, ist es kein Steller mehr sondern ein Regler.

Leiterbahnführung VÖLLIG ungeeignet, viel zu grosse Leiterschleifen und 
bitte Massestern anlegen.

[kk (Gast)]

Hi, liegt an der Gate ein Takt an?
Wieso ist der Gate-Widerstand 1 kOhm? Löte da mal so 10 Ohm ein
Welchen FET verwendest du?
Dein Layout ist leider weder für den TPS40210, noch für andere 
Schaltwandler geeignet. Da sind zu viele Dinge, um auf alle einzugehen, 
aber eine Plane für GND und große Flächen für UIN / UOUT dürfen es schon 
gerne sein.
Die Tracks sind alle VIEL zu lang. Nicht nur am Clock, auch bei Isense 
istd er TPS empfindlich. Du hast zu große Störungen.
Schrumpfe das layout auf unter 10% der jetzigen Fläche. Das ist kein 
Problem.
Mache CSS mal etwa Faktor 10 größer.
An der Gate vom Transistor sollen <0,3V / > 7,5V anliegen. Ist das auch 
so?
Wieso hat der TPS keinen lokalen 100 nF-Kondensator?

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

j67215 schrieb:
> Wieso hängen denn im Layout einige Bauteile in der Luft?
Vermutlich, weil hinterher die Masse geflutet wird.

Ayoub G. schrieb:
> Ansonsten weiss ich es nicht, was die Ursache dieses Problems sein könnte.
Das Layout ist das wichtigste Bauteil eines jeden Schaltreglers. Sieh 
dir mal den Abschnbitt Layout Redcommendation aus dem Datenblatt an. Und 
auch das Layout des sicherlich erhältlichen Eval-Boards...

Mein vorschlag: versuche mal die Strompfade (Laden und Freilauf) der 
beiden Phasen des Stepup in den Schaltplan und das Layout einzuzeichnen. 
Das sieht nicht gut aus.

Dazu kommt noch das schlechte Layout des Feedback-Pfades und des 
Current-Sense-Bereichs.

Als kleiner Denkanstoß:
http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layout-Schaltregler

[Der Andere (Gast)]

Bernd schrieb:
> Miss mit einem Oszi.

Mit 5 Ausrufezeichen! Multimeter ist hier völlig ungeeignet.

Und auch mit einem Oszi ist das messen nicht trivial da jede 
Leiterschleife und vor allem ein schlechter Masseanschluss des Oszis zu 
großen Peaks führt die sich dann keiner erklären kann.
Also kurzer Masseanschluss des Tastkopfs Direkt an die Masse des 
Schaltungsteils an dem du misst! (Siehe auch der Hinweis mit der 
Masseführung)
Und einen abgeglichenen 10:1 Tastkopf benutzen.

[Ayoub G. (Firma: fh uas frankfurt) (ayoub_ghodbani)]

Hallo vielen dank für den Feedback.

Habe eine zweite Schaltung gebaut mit einer Eingangsspannung von 
11v...13V
und einer Ausgangsspannung von 14.4 V auch vorgeschalgen von Webbench 
(texas Instruments). Hier hat alles funktioniert, das gleiche aber mit 
einer Ausgangsspannung mit 24.8 Volt funktioniert nicht.

Schaltplan und layout haben in der Simulation funktioniert..(ERC+DRC 
check).

Meine Frage wie kann ich den MOSFET testen oder schauen ob er überhaubt 
schaltet?
Ich bedanke mich für die Hilfestellung.

[Boo-st (Gast)]

kk schrieb:
> Wieso ist der Gate-Widerstand 1 kOhm? Löte da mal so 10 Ohm ein

Das frage ich mich auch. Bei mir kommen da Werte zwischen 5 und 50 Ohm, 
aber niemals 1000 Ohm, zum Einsatz (für Schaltregler). Und für diesen 
hier hätte ich ebenfalls 10 Ohm vorgeschlagen(XXXkHz).

So kann der MOSFET gar nicht einem möglichen Schaltsignal folgen, 
sondern "wackelt" irgendwo zwischen aus und Abschnürbereich - kein 
Schalten.

Das wäre ein erster Ansatzpunkt.

So lange da 1000Ohm im Signalpfad / Strompfad des Treibers liegen, kann 
da nichts boosten. Einstellige mA sind einfach zu wenig zum Umladen des 
Gates.

Ob Dir das (schlechte) Layout dann "um die Ohren fliegt", kannst Du erst 
dann sicher wissen - freilich macht man es anders, trotzdem könnte es 
(notdürftig) gehen.

Ayoub G. schrieb:
> Meine Frage wie kann ich den MOSFET testen oder schauen ob er überhaubt
> schaltet?

Ob das Schaltsignal überhaupt anliegt / vom IC produziert wird, ist zwar 
eigentlich nicht die Frage (es ist der 1kOhm R, der stört), aber das 
Signal könnte man sogar MIT diesem R mit dem Oszi zwischen GDRV(/Gate) 
und Source abgreifen. Ist aber schlecht, daß Du das nicht weißt.

[Ayoub G. (Firma: fh uas frankfurt) (ayoub_ghodbani)]

Ich habe nun etwas mehr Zeit zum Schreiben und euch allen antworten.

@ kk (Gast)

Als ich schon in meiner vorherigen Nachricht erwähnte, habe ich den 
Schaltplan übernommen.  Ich habe die Eingangs- und Angangsdaten 
angegeben und das Webbench (von Texas Instruments) hat mir sowohl diesen 
Schaltplan als auch die Werte von den Eingebautenteilen angeboten ( auch 
die Gate-Widerstand 1 kOhm). Mit meinem Freund haben wir zwei 
Schaltplänen der Hochsetzsteller  gekriegt:

1. Hochsetzsteller von 12V auf 14V
2. Hochsetzsteller von 11…13V auf 24.8V

Ich habe danach die Schaltpläne für uns neu in Eagle gezeichnet. Die 
Anordnung ist gleich, nur dass ich ein paar Komponenten mehr habe und 
etwas größere Ströme. Bei der Webbench von Texas Instruments haben die 
beiden Platinen die Simulation bestanden. Aber als wir zusammen die 
Platinen erstellt haben, die erste funktioniert und die zweite leider 
nicht. Wie ich es schon erwähnte, die Platinen sind fast ähnlich.
Der eingesetzte MOSFET ist BSZ100N06LS3.
Wenn ich die Css vergrößere, dann ändert sich auch die Schaltfrequenz, 
oder doch nicht? Wie kann ich genau die Schaltfrequenzen von TPS40210 
messen)?

@ Bernd (Gast)

Genau, die Schleifen sind groß (Breite und Länge). Die Breite habe ich 
nach dem maximalen Strom gezeichnet ( 
https://www.mikrocontroller.net/articles/Leiterbahnbreite) die bei mir 
13A ist ( nach TI Simulation).
Ich werde morgen den Mosfet ablöten und ihn mit dem DMM in 
Dioden-Test-Bereich testen. Ist es einfacher ihn mit dem Oszilloskop zu 
testen und gibt es irgendwo einen Tutorial dafür? Wie kann ich es 
überprüfen, ob es ein Spannungsignal an de Gate anliegt?
Wie kann ich eigentlich die Funktionalität von TPS40210 am besten 
testen. Ich konnte auf dem Vdd Pin überprüfen, ob es 12V vorhanden sind 
(vermute das DMM kommt nicht in Frage?).

Gibt es noch irgendwelche Messungen die ich an den Pins von TPS40210 
machen könnte?

@ Lothar Miller

Bezüglich Current-Sense-Bereichs, meinst du an die Entfernung von Rsense 
bis zum Rifilt? Könnte es sein, dass diese Leiterbahn wegen ihrer Länge 
beeinflusst die Messwerte am Rsens, die danach führt, dass sich deswegen 
der TPS40210 irgendwie ausschaltet?

[roehrenvorheizer (Gast)]

Hallo,

Du möchtest ohne Erfahrung einen Schaltwandler aufbauen, der im 
Frequenz-Bereich eines Mittelwellensenders bei 700 kHz schwingt. Dein 
FET muß also zumindest so schnell sein, daß er mühelos mit 700 kHz 
verlustarm schalten kann. Mit 1,6 Volt wird der FET vermulich nicht 
durchschalten, falls dies überhaupt korrekt gemessen ist.

Hast Du mal Deinen Spulenwert mit denjenigen verglichen, die im Dabla in 
TABLE1 genannt sind? Da ist von 22µH und 1µH die Rede. Bei Dir ist der 
Wert gut 250 fach größer. Der Kern muß für diese Frequenz geignet sein.

Wichtig ist auch die in Fig 23 angesprochene Problematik adäquat zu 
erfüllen.

Ein induktivitätsarmer Sense-Widerstand ist Pflicht.

mit freundlichem Gruß

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Ayoub G. schrieb:
> @ Bernd (Gast)
> Genau, die Schleifen sind groß (Breite und Länge).
Das ist SCHLECHT. Die Stromschleifen in einem Schaltregler müssen klein 
und kompakt sein.

> Genau, die Schleifen sind groß
Ich habe sie mal eingezeichnet: beim "Entladen" der Spule fließt der 
Strom ein mal quer über das ganze Design. Fazit: du hat einen Störsender 
gebaut, falls das Ding je mal anfängt zu schwingen.

Wie gesagt: das DATENBLATT und die Anmerkungen zum Layout darin wurde 
nicht zum Zeitvertreib geschrieben. Du musst es lesen und versuchen zu 
verstehen, sonst wirst du laufend unnötige Probleme haben.

Auch das Beispiellayout im Schaltplan ist übrigens nicht optimal, weil 
der Leistungspfad über die Feedback-Komponenten geht, obwohl da extra 
noch steht "Feedback Components Away from Power Path (to avoid noise 
coupling)". Aber durch die Nutzung der Unterseite ist wenigstens der 
Leiterquerschnitt erträglich groß.

Fazit: das Layout, das du jetzt hast, kannst du auf jeden Fall in die 
Tonne werfen. Es lohnt sich nicht, daran noch irgendwie Fehlersuche zu 
betreiben. Es ist daran eigentlich alles falsch, was man falsch machen 
kann: Leistungspfade, Strommessung und Feedback.

Z.B. Feedback: worauf bezieht sich denn der Feedback-Spannungsteiler? 
Sicher nicht auf den GND-Pin des Regler-ICs, also dessen Bezugspunkt. 
Ich finde vom Masseanschluss des RFB1 zum Masseanschluss des Reglers nur 
Wege, die quer über die Leiterplatte hin- und zurück gehen. Wenn du den 
wenigstens um 180° gedreht hättest...

[Achim S. (Gast)]

Ayoub G. schrieb:
> Ich habe die Eingangs- und Angangsdaten
> angegeben und das Webbench (von Texas Instruments) hat mir sowohl diesen
> Schaltplan als auch die Werte von den Eingebautenteilen angeboten ( auch
> die Gate-Widerstand 1 kOhm).

Das glaub ich nicht. Schau noch mal in der Webbench nach. Ich schätze, 
du hast versehentlich den Wert des Filterwiderstands auch für den 
Gatewiderstand übernommen.

Wie schon geschrieben wurde: mit diesem Widerstand kannst du den FET 
nicht annähernd so schnell umschalten, wie es sein müsste. Evtl. hast du 
ihn darüber zerstört.

Genau so wenig glaube ich, dass die Webbench dir eine Spule mit 6,1mH 
vorgeschlagen hat - 6.1µH könnten eher hinkommen.

[kk (Gast)]

Ich schätze, der TPS wird mit etwa 300 kHz schalten.
Css ist der Softstart-Kondensator. Bei 22 nF versucht der TPS40210 in 
ca. 2-3 mS die Ausgangsspannung von 0 auf 100 % hochzufahren. Das ist 
recht flott. Mach das ca. 10x langsamer (220 nF).
Bei 13A Schaltstrom hast du 52 mV über dem Shunt abfallen. Der TPS kann 
mit bis zu 120 mV dort umgehen. Verdopple den Widerstand und mach da 
unbedingt eine 4Draht-Messung dran und führe das GND vom TPS so kurz wie 
möglich an den GND-Pin von dem Shunt. Hier geht es nicht um Zentimeter, 
sondern um Milimeter erlaubte Tracklänge.
Wenn du das Layout auch von jemandem übernommen hast, hau ihm auf die 
Finger! Wnn du selber layoutet hast, hau auf deine Finger. So etwas 
macht man nicht.

[Aufarbeit (Gast)]

Warum um alles in der Welt versucht man sich als Laie an so einem 
Schaltregler?
Bestell einfach das EvalBoard und lehne Dein eigenes Design daran an: 
http://www.ti.com/tool/tps40210evm
So hat man dann zumindest was zum Vergleichen bei der Inbetriebnahme.