5V Versorgung Fehlersuche

[Daniel S. (snipod)]

Hallo liebe Community!
Ich habe ein Problem mit einer Schaltung die ich mit Hilfe des TI Power 
Designers erstellt habe und testen wollte.

Im Anhang der entsprechende Schaltplan. Die Schaltung erzeugt soweit 
auch eine Spannung von 5V, allerdings bricht die Spannung zusammen, 
sobald ich mehr als circa 100mA aus der Schaltung ziehen will...

Ich bin die einzelnen Komponenten mit dem Datenblatt des LM5085 schon 
durch gegangen, aber ich sehe den Fehler einfach nicht!

Hier meine Überlegungen:

Vout = 1.25V x (RFB2 + RFB1) / RFB1
RFB1 = CRCW04023K32FKED = 3.32k
RFB2 = RC0201FR-0710KL = 10k
Vout = 1.25V x (10k + 3.32k) / 3.32k = 5.016V (kommt unbelastet auch 
raus)

Rt = CRCW040288K7FKED = 88.7k damit ist Fs = 374,5kHz

Icl = 40µA x Radj / Rsen
Radj = CRCW04021K65FKED = 1.65k
Rsns = CSR1206FK12L0 = 0.012
Icl = 40µA x (1.65k / 0.012) = 5,5A

Kann mir jemand sagen wo mein Fehler liegt? :-(

[hinz (Gast)]

Zeig das Layout. Und das Datenblatt der Drossel.

[Daniel S. (snipod)]

Hi,
anbei das PCB und das DB der Drossel (CDRH127/LDNP-220MC) gibts hier:
https://products.sumida.com/products/pdf/CDRH127LD.pdf

PS:
R1, D1 und Q1 sind ein Verpolungsschutz

[Michael B. (laberkopp)]

Daniel S. schrieb:
> Kann mir jemand sagen wo mein Fehler liegt?

Nicht im Schaltplan, sondern deinem Aufbau und der Bauteilauswahl.

bei solchen Schaltreglern werdne die beworbenen Daten nur erreicht, wenn 
sie ein Profi aufbaut.

Und damit die Daten möglichst gut werden, teste der dutzende Bauteile 
gleichem Nennwert verschiedener Hersteller, und wählt das mit dem sich 
die besten Ergebnisse zeigen, weil die Funktion der Schaltung auch von 
den Nebenwerten der Bauteile abhängt (z.B. Widersand und 
Resonansfrequenz von Spulen, ESR von Kondensatoren etc.).

Es ist also normal, daß ein Laie diese anspruchsvollen Schaltungen nur 
mit schlechteren Daten hinbekommt.

[John P. (brushlesspower)]

Michael B. schrieb:
> Es ist also normal, daß ein Laie diese anspruchsvollen Schaltungen nur
> mit schlechteren Daten hinbekommt.

Stimmt.

Aber 5,5A zu 100mA ist schon etwas zu krass. Da liegt das Problem 
woanders.

Daniel S. schrieb:
> Kann mir jemand sagen wo mein Fehler liegt? :-(

Hast du mal die Eingangsspannung nach deinem Verpolschutz gemessen?
Vielleicht bricht die 12V zusammen?

Oszilloskop wäre ebenfalls hilfreich zur Diagnose.

[Michael K. (Gast)]

Das Layout ist eine Katastrophe.
Les das Datenblatt und halte Dich an das Layout.

Man muss nicht dutzende Bauteile testen um das beste Ergebniss zu 
erreichen, aber man sollte zumindest ungefähr verstehen worauf es 
ankommt.
Warum z.B. ist da eine schlecht spezifizierte 10A Schottky diode drin, 
wenn der MosFet nur 2A kann.
Hätte der 1" Kupfer als Wärmeableitung, könnte der 0,5W ... Hätte ...

Ausserdem passt Layout und Schaltplan nicht zusammen.

[Willi S. (ws1955)]

Mit dem Microfummel Si2337DS wird das garantiert nix.
Auch der Si7465 lt Application im DB ist hart an der Grenze.

Gibt es einen Grund für die Verwendung dieser "exotischen"
Realisierung ca 12V zu 5V ?

[Willi S. (ws1955)]

Wenn das Ding mal 3A liefert, aber mehr nicht, dann die Berechnung von 
Radj überdenken! Das Datenblatt zeigt es sehr ausführlich, wie man die 
Toleranzen berücksichtigen muss.

Das Tragische an den großen Toleranzen ist, dass die Spule "eigentlich" 
glatt den doppelten Isat haben müsste: 11A statt nur 5.6A! Und natürlich 
muss auch der Mosfet mindestens 11A aushalten.

[hinz (Gast)]

Daniel S. schrieb:
> anbei das PCB

Saubere Kurzschlusswindung an der Drossel.

[GEKU (Gast)]

Die Angaben des Sättigungstromes im Datenblatt der Speicherdrossel sind 
mit max. 4.70A(typ.  5.80A) etwas eigenartig.  Müssten 4,7A nicht der 
minimale Sättigungstrom sein?

Ist der Sättigungstrom der Speicherdrossel  für 5,5A bei 7V 
Spannungsdiffenz nicht zu klein?

Der Drosselkern darf also beim doppelten Ausgangsstrom noch nicht in die 
Sättigung geraten.

http://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/Kap6/Kapitel6.html
Beitrag "Spule mit hohen Sättigungsstrom"

[hinz (Gast)]

GEKU schrieb:
> Der Drosselkern darf also beim doppelten Ausgangsstrom noch nicht in die
> Sättigung geraten.

Nein, nochmal rechnen.

[Willi S. (ws1955)]

hinz schrieb:
> GEKU schrieb:
>> Der Drosselkern darf also beim doppelten Ausgangsstrom noch nicht in die
>> Sättigung geraten.
>
> Nein, nochmal rechnen.

Maßgeblich ist worst case, also auch eine Kurzschlussbedingung und die 
Strombegrenzung. Ja, das kann man berechnen, aber einmal reicht.

[Willi S. (ws1955)]

GEKU schrieb:
> Die Angaben des Sättigungstromes im Datenblatt der Speicherdrossel sind
> mit max. 4.70A(typ.  5.80A) etwas eigenartig.  Müssten 4,7A nicht der
> minimale Sättigungstrom sein?

Ja, und das ist auch nicht bei jeder Speicherdrossel so, jenachdem auch 
anders herum.

Die 4.7A beziehen sich auf -25% gesunkene Induktivität, d.h. bei 4.7A 
hat die Spule nicht mehr 22uH sondern nur noch 16.5uH. Berücksichtigt 
man noch die normale Toleranz, dann sind es sogar nur noch 11uH.

Die 5.8A beziehen sich auf eine gewisse Temperaturerhöhung.

[hinz (Gast)]

Willi S. schrieb:
> einmal reicht.

Nicht wenns falsch war.

[Willi S. (ws1955)]

hinz schrieb:
> Willi S. schrieb:
>> einmal reicht.
>
> Nicht wenns falsch war.

Oder einfach nur "lesen", siehe Beispielrechnung im Datenblatt.
Iout 5A, Ipeak 5.6A, Ilim(min) 5.8A, Ilim(max) 11A

Wir beide meinen zwei verschiedene Sachen und ich bin gespannt, ob du es 
noch schnallen wirst.

[hinz (Gast)]

Willi S. schrieb:
> Beispielrechnung im Datenblatt.

Der TE hat ganz anders dimensioniert.

[Willi S. (ws1955)]

hinz schrieb:
> Willi S. schrieb:
>> Beispielrechnung im Datenblatt.
>
> Der TE hat ganz anders dimensioniert.

Was meinst du zum Bleistift ?

[Daniel S. (snipod)]

Vielen Dank schon mal an Alle für die Beteiligung!

Willi S. schrieb:
> Mit dem Microfummel Si2337DS wird das garantiert nix.
> Auch der Si7465 lt Application im DB ist hart an der Grenze.
>
> Gibt es einen Grund für die Verwendung dieser "exotischen"
> Realisierung ca 12V zu 5V ?

Die Bauteile wurden mir wie gesagt von der TI Workbench ausgespuckt, 
deshalb war ich davon ausgegangen, dass das so auch funktionieren 
sollte.

Am Ende möchte ich eine Spannungsversorgung mit einem Vin von 8 bis 15V 
haben und einen Vout von 5V @ ca. 1.5A (die Testplatine sollte laut TI 
Workbench 3A liefern können, dass das nicht funktioniert ist ja jetzt 
bekannt)

Gibt es denn eine einfachere, bessere Lösung um eine gut geschütze 
Spannungsversorgung mit OVP, OCP, OTP zu realisieren? Ich möchte die 
Schaltung im Auto einsetzen, daher sollte sie auch einigermaßen robust 
sein....

[Sven S. (schrecklicher_sven)]

Daniel S. schrieb:
> allerdings bricht die Spannung zusammen,
> sobald ich mehr als circa 100mA aus der Schaltung ziehen will...

Ist ja auch kein Wunder.
Schau Dir mal an, wie weit der Feedback-Spannungsteiler vom Controller 
entfernt ist, und wie der Strom über die Massefläche fließt. Ich hoffe, 
meine kleine Zeichnung verdeutlicht das Problem. Wenn der Ausgangsstrom 
steigt, steigt auch der Spannungsabfall auf der Leiterbahn, und der 
Controller regelt ab.
Fazit: Die Platine kannst Du wegschmeißen.

[Willi S. (ws1955)]

Ok,
es ist natürlich nicht völlig egal, ob man 5A oder nur 3A oder nur 1.5A 
haben möchte.

Mit der Workbench von TI gab es schon mehrfach Reinfälle, letztens war 
ein Fall, dass die Schaltverluste trotz 1 MHz gar nicht berücksichtigt 
wurden, das ist einfach nur untauglicher Schrott.

Als erstes musst du mal den Istzustand zum Laufen bringen. Im Prinzip 
tut es ja, sonst hättest du keine 5V/100mA. Es muss eine Ursache haben, 
wenn du nicht wenigstens auf 1A kommst.

[Willi S. (ws1955)]

Den ganzen Chinaschrott habe ich satt und bin ich für sowas gerne 
bereit, den Gegenwert von 3-4 Weißbier zu investieren: ($15)

Pololu D24V50F5  5V/5A Vin max 38V

Auch hier wie man sieht externe Mosfet und sync (keine Schottky), so 
lassen sich zeitgemäß effiziente DCDC machen. Bei 4A 95%! Bei 3A wird 
das Ding nicht mal lauwarm (Verlustwärme nur 700mW)

[K. S. (the_yrr)]

Willi S. schrieb:
> Den ganzen Chinaschrott habe ich satt
das ist kein China Schrott, das ist selbstbau Schrott

Probleme wurden schon genannt:

hinz schrieb:
> Saubere Kurzschlusswindung an der Drossel.

Michael K. schrieb:
> Das Layout ist eine Katastrophe.

Auch mit suboptimalen Bauteilen sollte da mehr als 100mA rauskommen.

Anbei mal die Strompfade (hoffentlich richtig eingezeichnet) in Gelb und 
Grün, in Blau die Kurzschlusswicklung unter der Spule. in Orange die 
Feedback Leitung, die soviele stromführende Pfade kreuzt wie nur 
möglich.

Fazit:
keine Massefläche unter der Spule
sehr viel kürzere Strompfade
Feedback lieber länger und nicht unter die geschalteten Bereiche legen
nutze das potential der zwei Lagen, das geht sehr viel Kompakter (die 
geschalteten Strompfade, nicht der Rest)

[Thomas S. (Gast)]

Pin 5 - ISens ist am falscheen Platz. Siehe Datasheet. Gehört vor die 
Drossel.

[hinz (Gast)]

Thomas S. schrieb:
> Pin 5 - ISens ist am falscheen Platz. Siehe Datasheet. Gehört vor
> die
> Drossel.

Da kommts drauf an was man als Shunt nimmt. Im Datenblatt sind beide 
Varianten beschrieben.

[Willi S. (ws1955)]

Thomas S. schrieb:
> Pin 5 - ISens ist am falscheen Platz. Siehe Datasheet. Gehört vor die
> Drossel.

Ich habs nicht überprüft, aber wenn dem so ist, wäre es DIE Erklärung 
für das Verhalten. Schaun mer mal, Super !!!

[Thomas S. (Gast)]

Hinz schrieb, wäre so auch ok.
Auf Seite 10 des Datasheets ist dem auch so. Aber überprüfe mal.
Feddback ist aber schon richtig bei dir ?

[Sven S. (schrecklicher_sven)]

Willi S. schrieb:
> Thomas S. schrieb:
>> Pin 5 - ISens ist am falscheen Platz. Siehe Datasheet. Gehört vor die
>> Drossel.
>
> Ich habs nicht überprüft, aber wenn dem so ist, wäre es DIE Erklärung

Ach was, der TO sollte mal den Widerstand RFB1 entfernen und durch einen 
bedrahteten Widerstand wie eingezeichnet ersetzen.
Dann weiß er, was er bei der nächsten Platine anders machen muß.

[Achim S. (Gast)]

Daniel S. schrieb:
> anbei das PCB

Hast du wirklich nur eine einzige Durchkontaktierung (bei J1), die die 
Massefläche auf bottom anbindet? Damit ist die gesamte Massefläche auf 
bottom wirkungslos, es fliet keinerlei Storm über sie. Stattdessen muss 
sich der GND-Strom auf der top-Seite wirklich abstruse Wege suchen, um 
den Kreis zu schließen.

[Achim S. (Gast)]

K. S. schrieb:
> (hoffentlich richtig eingezeichnet)

Für diese Schleifen müsste der Strom dazwischenliegende Isolatoren 
überspringen können. Im Anhang mal meine Version der Strompfade, die 
beim Buck umkommutiert werden.

Die Verbindung der relevanten GND-Stellen zu J1 zu finden (wo offenbar 
die GND-Zuleitung auf die Platine kommt) ist ebenfalls ein lustiges 
Suchspiel.

[Daniel S. (snipod)]

Hallo nochmal,
Vielen Dank für die Erklärungen!
Ich verstehe was Ihr meint mit dem schlechten Layout. Aber was ich nicht 
verstehe ist, warum sollte es an der Drossel eine Kurzschlusswindung 
geben, die ist doch komplett eingepackt.
Sollte nicht - wenn die Schaltung zumindest korrekt ist, mehr als die 
paar mA raus kommen?
Ansonsten setze ich mich gerne noch mal an das Layout. Ich würde die 
Schaltung gerne auf einer etwas größeren Platine mit einem Controller, 
ein paar Sensoren und Mosfets integrieren. Aber vorher noch mal so ein 
Test - PCB machen.

Gäbe es denn eine einfachere Lösung die ich auf meiner Platine 
integrieren könnte? Das poulo Modul sieht gut aus, lässt sich aber nicht 
so toll integrieren...

Viele Grüße

[Willi S. (ws1955)]

Das mit der Integration in eine Systemplatine ist natürlich ein Argument 
gegen extra Modul. Die zweiseitige SMD-Bestückung haben auch wir stets 
vermieden, obwohl es bei SMT-Dienstleistern natürlich kein Problem ist.

Mein derzeitiger Liebling ist der AP63205, fast so einfach wie ein 7805. 
Abgesehen davon bietet er besonders wenig EMI durch Frequenz-Jitter +-6% 
(FSS). Als Induktivität lieber eine Nummer größer, das reduziert den 
Ripple und ermöglicht sogar etwas mehr als 2A Spitzenlast.

An Kupfer zur Kühlung sollte man nicht sparen, bei Dauerlast 2A und 
wegen hoher Frequenz 1100kHz sind 500..800..mW dann doch ein Problem für 
das kleine Gehäuse ohne Thermal Pad. Aber 1-1.5A Dauerlast macht er mit 
Links und das ist für dieses Gehäuse sehr beachtlich. Vdrop nur 
150mV/1A!

Bei Digikey ca 1.20€

[Karsten B. (kastenhq2010)]

Nimm doch einfach ein fertiges 0815 Power Modul, an das du maximal noch 
einen Filter dranbasteln musst. Die gibt es in allen Leistungsklassen 
und auch als THT (wobei der eine Feedbackwiderstand, warum auch immer, 
auf deinem Board ein 0201 ist - Löten sollte wohl kein Problem sein).

Ich würde im Schaltplan nicht ausschließlich die komplette 
Herstellerbezeichnung ausgeben, da sieht doch kein Mensch durch. Und 
probier mal bitte aus, ob das hier
Beitrag "Re: 5V Versorgung Fehlersuche"
Vorgeschlagene funktioniert.

[hinz (Gast)]

Daniel S. schrieb:
> warum sollte es an der Drossel eine Kurzschlusswindung
> geben, die ist doch komplett eingepackt.

Nö, die hat nach oben und unten ein deutliches Streufeld.

[Achim S. (Gast)]

Daniel S. schrieb:
> Sollte nicht - wenn die Schaltung zumindest korrekt ist, mehr als die
> paar mA raus kommen?

Vielleicht schon. Die meisten Kritikpunkte oben bezüglich Layout sind 
berechtigt - es ist schon ziemlich mies. Und dein FET ist wirklich recht 
schwächlich falls da wirklich mal Ströme im A-Bereich fließen sollen.

Aber dass nur 100mA gehen ist wirklich schon sehr wenig. Dummerweise ist 
es einfacher, prinzipielle Fehler zu erkennen, als vorherzusagen, ob die 
schon erkannten Fehler allein für das Verhalten verantwortlich sind oder 
ob es noch weitere Fehler gibt.

Um wie viel bricht denn die Ausgangsspannung ein, wenn der Strom über 
100mA geht? Wenn "nur" ein paar hundert mV fehlen, könnte das schon zu 
Potentialverschiebungen auf deiner Masse aufgrund schlechter 
Leitungsführung passen. Aber wenn die Spannung bei 100mA bereits ganz in 
den Keller geht fände ich das schon überraschend.

Wenn du es genauer wissen willst, wirst du um aussagekräftige Messungen 
nicht herumkommen. Welche Spannung liegt beim Durchschalten zwischen ADJ 
und Isen? (evtl. hast du ja einen falschen Shunt-Wert aufgelötet) Läuft 
der LM5085 im kontinuierlichen Mode? Welche Spannung sieht er zwischen 
FB und seinem lokalen GND? Reicht die Spannung an FB im Zusammenspiel 
mit Masseverschiebungen aus, dass der LM5085 runterregelt?

Daniel S. schrieb:
> Gäbe es denn eine einfachere Lösung die ich auf meiner Platine
> integrieren könnte?

Lass den TI Power Designer noch mal laufen und gib an, dass du eine 
Lösung basierend auf einem Modul möchtest (nicht basierend auf einem 
Controller).
http://www.ti.com/power-management/non-isolated-dc-dc-switching-regulators/step-down-buck/buck-modules-integrated-inductor/overview.html
Auf dem Modul bekommst du den Controller, den Switch und die 
Induktivität schon in einem vernünftigen Layout zusammengestellt, du 
musst dich höchstens noch um die Kondensatoren und den Spannungsteiler 
für den Feedback-Pfad kümmern - da kann viel weniger schief gehen, als 
wenn du die vollständige Schaltung selbst machen willst.

[Daniel S. (snipod)]

Willi S. schrieb:
> Mein derzeitiger Liebling ist der AP63205, fast so einfach wie ein 7805.
> Abgesehen davon bietet er besonders wenig EMI durch Frequenz-Jitter +-6%
> (FSS). Als Induktivität lieber eine Nummer größer, das reduziert den
> Ripple und ermöglicht sogar etwas mehr als 2A Spitzenlast.

Hi,
ich hab mich mal mit Hilfe des DB an ein Layout für eine Probleplatine 
für diesen IC gemacht.
C1 ist wie gefordert ein low ESR Cap
L1 hat 0.033Ohm DC Widerstand, 3A Isat und 3.5A Irms
Ist das Layout so besser und hat mehr Chancen auf Erfolg? :)

[Achim S. (Gast)]

Daniel S. schrieb:
> Ist das Layout so besser und hat mehr Chancen auf Erfolg? :)

Die Stromschleifen, die beim Buck umkommutiert werden (siehe blau und 
gelb im Anhang), sind jedenfalls wesentlich "Deckungsgleicher" als beim 
ersten Versuch - ein klarer Forschritt.

Sind die vias zu Anbindung der GND-Fläche die kleinen Pöppel, die ich im 
Anhang grün umkringelt habe? Dann ist die Massefläche auf bottom 
angebunden. Ich würde ihr trotzdem entweder mehr vias spendieren 
oder/und die Verbindung von J1 zu deiner Top-Massefläche direkt auf top 
zeichnen (sonst muss sich der gesamte Strom durch die paar kleinen vias 
quetschen).

Die Massefläche unter deiner Spule kannst du noch öffenen (oder 
zumindest unterbrechen). Damit werden Verluste durch Wirbelströme in der 
Massefläche vermieden (wobei die bei einer geschirmten Spule ohnehin 
nicht sehr groß sein werden).

Du führst Vin sowohl auf top als auch auf Bottom über die Patine. Das 
unterbricht die Massefläche auf bottom unnötig. In dem Bereich fließt 
zwar ohnehin nicht viel Strom über die Massefläche. Aber du kannst das 
Signal Vin problemlos auf top halten und so die Untebrechung der 
GND-Fläche auf bottom vermeiden (siehe orangene Linie im Anhang).

Das war's, was mir zum neuen Layout einfällt...

[Daniel S. (snipod)]

Achim S. schrieb:
> Sind die vias zu Anbindung der GND-Fläche die kleinen Pöppel, die ich im
> Anhang grün umkringelt habe? Dann ist die Massefläche auf bottom
> angebunden. Ich würde ihr trotzdem entweder mehr vias spendieren
> oder/und die Verbindung von J1 zu deiner Top-Massefläche direkt auf top
> zeichnen (sonst muss sich der gesamte Strom durch die paar kleinen vias
> quetschen).

Hi und Danke für die Antwort!
Ja, das sind 0.3mm VIAs. Die VIAs an CIN und den COUTs könnte ich etwas 
größer und mehr machen. Direkt an dem IC ist es etwas eng :). Zusätzlich 
könnte ich auch die Verbindung zu J1 herstellen. Was würdest Du 
empfehlen? vielleicht 0.6mm VIAs und zwei mehr, dazu eine 50mil Trace zu 
GND von J1?

Die bottom GND Plane schneide ich um die Spule noch aus. Oh und ja, dass 
man VIN so einfach routen kann habe ich schlicht und ergreifend nicht 
gesehen :D

Wenn ich das ganze geändert hab stelle ich es Euch noch mal vor!

Zur Implementierung in mein Steuergerät:
Sollte ich da am besten ordentlich Abstand zur restlichen GND Top Plane 
halten?

EDIT:/// Wie versprochen das aktualisierte PCB

[Tim (Gast)]

Konnte das Problem mit dem LM5085 behoben werden? Ich habe ähnliche 
Probleme und habe bisher noch keine Lösung gefunden