Mit Ladungspumpe unfreiwillig zum Funkamateur geworden?

[Burkhard K. (buks)]

Das sich mit einer Ladungspumpe wie der LTC3200 
(https://www.analog.com/en/products/ltc3200.html) kein 
DC-Schönheitswettbewerb gewinnen lässt, war mir schon klar. Dass ich 
damit Funkamateur im UKW-Band werde, damit hatte ich allerdings nicht 
gerechnet.

Die Idee: Aus der (extrem HF-verseuchten) Stromversorgung von einem 
FPGA-Board mittels LTC3200 (Boost auf 4V) und nachgeschaltetem LDO / 
Referenz eine "saubere" 3.3V Versorgungsspannung für einen 18bit 
AD-Wandler zu generieren. Laut Datenblatt sollte der Output-Ripple
  Vripple(p-p) = Iout/(fosc*Cout)
betragen, also ca. 10 mV mit Cout = 4.7uF und 100mA Last (0.1A/(2MHz * 
4.7uF).

Für meine Messungen habe ich die Schaltung aus einer LiCl Batterie 
versorgt. Als Kondensator am Ausgang habe ich einen 4.7uF X7R mit extra 
großer Bauform 1206 für einen niedrigen ESR gewählt. Das Oszi zeigt alle 
500 ns ein Klingeln mit ca. 180mV p-p - bei konstantem Ausgangsstrom, 
also ohne Lastwechsel. In der FFT setzen sich die Harmonischen dieser 
Schwingung offenbar mühelos bis in das UKW-Band fort.

Wie kann ich das HF-Verhalten dieser Ladungspumpe in den Griff bekommen?

N.B.: Ganz daneben kann mein Layout nicht sein - ich habe die Schaltung 
dann nochmal auf dem Steckbrett aufgebaut - dort messe ich ca. 1V p-p!

[Maxim B. (max182)]

Burkhard K. schrieb:
> Für meine Messungen habe ich die Schaltung aus einer LiCl Batterie
> versorgt. Als Kondensator am Ausgang habe ich einen 4.7uF X7R mit extra
> großer Bauform 1206 für einen niedrigen ESR gewählt. Das Oszi zeigt alle
> 500 ns ein Klingeln mit ca. 180mV p-p - bei konstantem Ausgangsstrom,
> also ohne Lastwechsel.

Kann sein, daß Kondensator nicht optimal ist.
1206 hat nicht unbedingt niedrigere ESR als 603, aber garantiert mehr L. 
In solchen Fällen nimmt man 2 oder 3 Kondensatoren unterschiedlicher 
Kapazität parallel, z.B. 100n, 1u und 22u. Somit kann Wirkung von ESR 
und L entschärft werden.
Das betrifft auch Kondensator am Eingang der Pumpe.

Ansonsten hat eine Ladungspumpe schlechtere Eigenschaften als 
Spannungswandler mit L. Heutige SMD-Drossel kostet nicht viel mehr als 
ein Kondensator, ist auch klein. Warum wollen viele immer noch eine 
Ladungspumpe?

[Gerd E. (robberknight)]

Wie hast Du genau mit dem Oszi gemessen?

Also was für Tastköpfe und wie war die Masseanbindung der Tastköpfe 
genau realisiert?

Wenn man da nicht sauber arbeitet, misst man gerade bei Schaltreglern 
schnell mal Störungen, die eigentlich gar nicht da sind. Wenn man z.B. 
die Massekabel mit Krokoklemmen am Tastkopf verwendet.

[Burkhard K. (buks)]

Gerd E. schrieb:
> Also was für Tastköpfe und wie war die Masseanbindung der Tastköpfe
> genau realisiert?

Mit einem passiven Keysight Tastkopf, 10:1, 500Mhz und Massefeder im 
AC-Modus (1 MOhm), direkt am Ausgangskondensator. Das Bild ändert sich 
an weiter entfernten Abgreifpunkten praktisch nicht.

Gerd E. schrieb:
> misst man gerade bei Schaltreglern
> schnell mal Störungen, die eigentlich gar nicht da sind

Das ist/wäre auch meine Hoffnung, insbesondere da das Datenblatt solche 
Ausschläge nur bei Lastwechsel zeigt. (S. 4, "Load Transient Response").

Maxim B. schrieb:
> Warum wollen viele immer noch eine Ladungspumpe?
Keine Ahnung warum viele das immer noch wollen, ich habe mir 
verschiedene Datenblätter von DC/DC-Wandlern angeschaut und hatte einen 
guten Eindruck - hab allerdings nicht die Erfahrung eines Profis.

[LTC3200 (Gast)]

Hallo Burkhard,

zur Verbesserung der aktuellen Platine solltest du die 3,3V-Verbindung 
zwischen C15 und C1 kappen und dafür ein Ferrit einbauen.Das könnte 
möglicherweise das Klingeln beim Schalten reduzieren.

Ansonsten sollte das GND vom Eingangskondensator und Ausgangskondensator 
möglichst kurz sein und der Abgriff für GNDA nicht in diesen Knoten 
erfolgen. Das würde auch gelten, wenn ein Schaltregler anstatt der 
Ladungspumpe benutzt wird.

[Helge (Gast)]

Ich würde das so versuchen.

[Clemens L. (c_l)]

Burkhard K. schrieb:
> Die Idee: Aus der (extrem HF-verseuchten) Stromversorgung von einem
> FPGA-Board mittels LTC3200 (Boost auf 4V) und nachgeschaltetem LDO /
> Referenz eine "saubere" 3.3V Versorgungsspannung für einen 18bit
> AD-Wandler zu generieren.

Dafür wäre der TPS60240 eine bessere Idee.

> Ganz daneben kann mein Layout nicht sein

Das macht zwar keinen großen Unterschied, aber C1/C2/C4 können noch ein 
bisschen näher an den Chip (das Via stört da), und die Leiterbahnen zu 
C2 sind dünner als nötig.

[Maxim B. (max182)]

Burkhard K. schrieb:
> ich habe mir
> verschiedene Datenblätter von DC/DC-Wandlern angeschaut und hatte einen
> guten Eindruck - hab allerdings nicht die Erfahrung eines Profis.

Ich auch. Aber schon selbst aus dem Datenblatt kommt klar, daß eine 
Ladungspumpe nur Vin x 2, Vin x 3, Vout = - Vin machen kann, dazu noch 
nur in mA-Bereich, Vout bleibt abhängig von innerem IC-Widerstand. Keine 
Rede von Stabilität. Wirkungsgrad ist hoch nur, wenn Iout ~= 0. Auch 
lineare Regler nach der Ladungspumpe ändert Grundeigenschaften wenig, 
außer Wirkungsgrad wird noch geringer. Solch IC raubt nur umsonst den 
Platz auf einer Platine.

Wandler mit L hat wohl auch Verluste. Dafür aber bekommt man stabile 
Vout bei unterschiedlichen Iout. Man kann Vout frei wählen, ohne 
Begrenzung auf 2x Vin oder 3x Vin. Und das alles kostet kaum mehr Platz 
auf der Platine.

[Burkhard K. (buks)]

Eure Hinweise habe ich einen neuen Entwurf eingearbeitet - vielen Dank 
dafür. Einige meiner Design-Entscheidungen konnte ich inzwischen selber 
nicht mehr nachvollziehen :-)

Ob sich das HF-Verhalten damit in den Griff bekommen lässt, muss die 
nächste PCB-Version (nicht vor übernächster Woche) erweisen.

Clemens L. schrieb:
> Dafür wäre der TPS60240 eine bessere Idee.
Danke auch für diesen Hinweis - leider kann der nur 25 mA. Für meine 
Zwecke (mehrere OPs und ADC) reicht das nicht aus.
Was ich mangels Erfahrung nicht einschätzen kann, ist wieweit eine 
Schaltfrequenz im Signalband bis 200kHz (TPS60240: 160 kHz) auf den 
ADC-Eingang durchschlägt, auch deshalb hatte ich mich für den 
LTC3200/CAT3200 (Schaltfrequenz: 2MHz) entschieden.

Maxim B. schrieb:
> außer Wirkungsgrad wird noch geringer
Wirkungsgrad ist für meinen Anwendungsfall zunächst sekundär. Was mich 
an Schaltreglern mit Drossel erstmal abgeschreckt hat, waren die wenig 
einladenden Oszilloskopbilder  z.B.: 
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps61097a-33.pdf.
Ein Regler wie der TPS61222 sieht in der Hinsicht deutlich besser aus 
und wäre evtl. einen Versuch wert, falls ich mit meinem jetzigen Ansatz 
nicht weiterkommen sollte.

[Burkhard K. (buks)]

Urgs, falsche Schaltplanversion angehängt. Lässt sich beim Bearbeiten 
eigentlich noch korrigieren?

[ElektroFH (Gast)]

Clemens L. schrieb:
> Burkhard K. schrieb:
>> Die Idee: Aus der (extrem HF-verseuchten) Stromversorgung von einem
>> FPGA-Board mittels LTC3200 (Boost auf 4V) und nachgeschaltetem LDO /
>> Referenz eine "saubere" 3.3V Versorgungsspannung für einen 18bit
>> AD-Wandler zu generieren.
>
> Dafür wäre der TPS60240 eine bessere Idee.

Mit Fsw=160kHz von TPS60240 wird es sicher einige Artifakte schnell auf 
analoge Signal kommen.
Plus das ist ein Buck-Boost Konverter, nicht rein Boost.
Da werden auch ein paar Herausforderungen geben.

Warum hast du einen Schlitz im Layout und unter dem Bauteil?
Wirst du damit den Rückstrompfad nicht stören?

Ich würde eher (für alle kritsiche Pfade mindestens) parallele GND und 
Signal (d.h. 2 Lagen) ohne Unterbrechung machen.

[Maxim B. (max182)]

Burkhard K. schrieb:
> Was mich
> an Schaltreglern mit Drossel erstmal abgeschreckt hat, waren die wenig
> einladenden Oszilloskopbilder

Bilder kann man machen, wie man will. In Labor, unter günstigsten 
Bedingungen. Alles, wo umgeschaltet wird, hat auch Störungen. Egal mit L 
oder nur mit C. Oft hilft zusätzliche LC-Glied.

Ich habe einen Rekorder, Zoom F8. 8 Mikrofoneingänge mit 48 Volt 
Phantomsspeisung, sehr empfindlich. Speisung von 12 Volt oder 8x AA. 
Auch theoretisch kann man hier ohne Wandler mit L nichts machen. Das 
Gerät arbeitet sehr gut...