Mini-Schaltwandler

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Mini-Schaltwandler neben einem 7805

Die meisten elektronischen Schaltungen haben eine geregelte Stromversorgung.

Früher hat man dafür oft und gerne ein Bauteil aus der 78xx-Reihe verwendet. Ganz einfach, weil sie günstig sind, zuverlässig arbeiten und wenig Außenbeschaltung benötigen. Der große Nachteil an Linearreglern allgemein ist die in vielen Anwendungsfällen eher dürftige Effizienz und noch vielmehr die notwendige Kühlung, denn: Das Produkt aus Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang und dem Strom, der durch den Regler fließt, ist ziemlich genau die Leistung, die man wegkühlen muss.

Beispiel: ein 7805-Regler wird mit 12 V versorgt und soll eine Schaltung versorgen, die 200 mA benötigt:

\[P = \left(U_{\textrm{in}}-U_{\textrm{out}}\right) \cdot I = \left(12\textrm{ V}-5\textrm{ V}\right) \cdot 0.2 \textrm{ A} = 1.4\textrm{ W}\]

Nicht weltbeltbewegend, aber immerhin.

Die Effizienz von diesem Regler liegt bei

\[\eta = \frac{P_\textrm{out}}{P_\textrm{in}}= \frac{U_\textrm{out} \cdot I_\textrm{out}}{U_\textrm{in} \cdot I_\textrm{in}}\]

wobei der Eigenbedarf der meisten Linearregler vernachlässigbar gering ist (also der Unterschied zwischen I_out und I_in), somit lassen sich die Ströme einfach kürzen und die Effizienz ist rein von den Spannungen abhängig.

Im Beispiel oben ergibt sich ein Wirkungsgrad von etwa 42 %. Ziemlich mies.

Mit einem Abwärtswandler (auch step-down- oder buck-converter) kann man mit - im Vergleich zu Linearreglern - etwas größerem Schaltungsaufwand deutlich bessere Ergebnisse erzielen.

Dabei wird der Strom "zerhackt" und über ein Speicherelement (in aller Regel eine Induktivität) geglättet. Die Ausgangsspannung hängt dabei vom Tastverhältnis des Schalters ab. Vereinfacht gesagt: je länger dieser geschlossen ist, desto mehr Energie wird vom Eingang zum Ausgang transportiert.

Der Wirkungsgrad hängt bei hierbei von mehreren Faktoren ab:

  • Schalttransistor
  • Freilaufdiode
  • Induktivität

So toll das Prinzip ist, es hat nicht nur Vorteile. Beispielsweise hat man höhere Anforderungen an das Layout und Risiken, wenn es um das Bestehen von EMV-Zulassungen geht. Schließlich leben diese Schaltungen von steilen Flanken und mitunter kurzzeitig hohen Strömen. Außerdem sieht man am Ausgang oft deutlich größere Störungen als bei Linearreglern. Hinzu kommt noch, dass Schaltwandler aufgrund ihres Aufbaus deutlich Lastspezifischer sind.

Sie sind als nicht DIE Lösung für eine Stromversorgung, sondern eine mögliche Art dafür.

Der Mini-Schaltwandler (Version 1)

Ich wollte einen kleinen und halbwegs flexibel einsetzbaren Schaltwandler haben, den man statt einem 78xx verwenden kann, natürlich nicht zu teuer. In Sachen Leistung ruhig mit Abstrichen - die meisten Anwendungen benötigen selten über 0,5 A.

Eingangsspannung bis 20 V sollte ok sein, gerne aber auch etwas mehr.

Bauteilauswahl

Bei der Suche bei Farnell bin ich schnell fündig geworden: Der MCP16301 von Microchip.

Im SOT-23-6-Gehäuse ist er zwar klein, aber noch gut per Hand lötbar, der Eingangsspannungsbereich ist angenehm groß. Der Ausgangsstrom ist mit 0,6 A mehr als hinreichend und die 500 kHz Schaltfrequenz erfordern eine relativ kleine Induktivität. Der Preis ist mit etwas um einen Euro fair. Und zu guter Letzt ist er mittlerweile auch bei Reichelt verfügbar.

Nach dem IC kommt die Induktivität. Abschnitt 5.6 gibt einige Hinweise zur Auswahl samt Beispiele. Für den interessanten Bereich zwischen 2,0 bis 5 V Ausgangsspannung sollen es also 10 bis 22 µH sein und ein Sättigungsstrom von mindestens 760 mA wird empfohlen.

Kurz durch den Reichelt-Katalog geblättert finden sich die Fastron 1616 FPS. Da mein Ziel erst einmal 3,3 V sind, soll es die 15 µH-Variante werden, wobei es auch passende mit 22 und 33 µH gibt. Leider wird der kleine Footprint von 4,2 x 4,2 mm² durch einen etwas schlechteren ESR erkauft. Wer Platz hat, greift lieber zur 242408 oder 242418 - diese versprechen eine etwas höhere Effizienz!

Fehlt noch die Schaltdiode als Kernkomponente. Diese sollte klein und schnell sein und etwa 1 A können. Bei der Spannungsfestigkeit sollten 30 V reichen - mehr kann der MCP eh nicht. Die SS 13L von Taiwan Semiconductor passt.

Zur Glättung empfiehlt das Datenblatt 1 µF bis 10 µF am Eingang und 10 µF bis 22 µF am Ausgang (wobei es zwischen den Application Examples und der Empfehlung in Tabelle 5-2 etwas widersprüchlich ist). Um es generisch zu halten: 10 µF am Eingang, 22 µF am Ausgang. Hat Reichelt jeweils im 1206-Package, ist aber leider nicht so ganz billig. Wer Zugriff auf Farnell hat, bekommt mehr und vermutlich auch eine günstigere Auswahl.

Der Schaltwandler-IC verwendet einen n-Kanal-FET als Schalter. Da sich dieser - wie von der Topologie gefordert - auf der High-Side befinden und UGS > Uth sein muss, wird eine Hilfsspannung größer als Uin benötigt. Eine Schaltung mit p-Kanal-FET wäre zwar sicher einfacher, würde aber leichte Abstriche im Wirkungsgrad bedeuten (idR. höherer Rds,on). Wie dem auch sei, die Hilfsspannung bekommt man fast geschenkt, indem man den Schalttransistor und die Induktivität als Ladungspumpe verwendet. Dazu benötigt man zusätzlich lediglich eine Diode und einen Kondensator. Damit das auch funktioniert, darf der FET nie durchgängig eingeschaltet sein - sonst wird nichts mehr gepumpt und er kann nicht mehr geschaltet werden.

Da die benötigte Leistung durchweg niedrig ist, reichen Wald- und Wiesenkomponenten. Wie im Datenblatt vorgeschlagen eine 1N4148 und ein 100 nF-Kerko.

Fehlen noch die Feedback-Widerstände. Um das verwenden zu können, was vielleicht sogar in der Grabbelkiste liegt, empfehle ich das Tool Widerstand ist Zwecklos, das direkt ein Werkzeug zum Ermitteln von Widerständen für Spannungsregler bietet. Vref ist mit 0,8 V zu wählen.

Für 3,3 V gibt es aus der E6-Reihe ein sehr gut passendes Pärchen, für 5 V muss man entweder auf die E24-Reihe ausweichen, oder 3 Widerstände verwenden:

Uout,target [V] Reihe Rupper [Ohm] Rlower [Ohm] Uout (worst case) [V]
3,3 E6 47 k 15 k 3,307 (3,249 ... 3,349)
5 E24 27 k 5,1 k 5,035 (4,942 ... 5,111)
5 E24 36 k 6,8 k 5,035 (4,939 ... 5,108)
5 E6 33 k p 100 k 4,7 k 5,0233 (4,942 ... 5,111)
5 E6 47 k p 150 k 6,8 k 5,0102 (4,930 ... 5,098)

Es ergibt sich folgende BOM:

Komponente Menge Reichelt Bestellname Preis [€] Farnell Bestellnummer Preis [€]
Microchip MCP16301 1 MCP 16301T-I/CHY 1,15 2009288 1,21
Fastron 1616FPS 15µH 1 L-1616FPS 15µ 0,22 2345178* 1,15
TSC SS13L 1 SS 13L 0,11 1559158 0,1
1N4148 1 1N 4148 SMD 0,02 1612361 0,04
100nF-Kerko 1 X7R-G0603 100N 0,15 * 0,01
10µF/25V 1 X7R-G1206 10/25 0,24 * 0,25
22µF/6V 1 X5R-G0805 22/6 0,07 * 0,15
47kOhm 0603 1 SMD-0603 47K 0,1 * 0,01
15kOhm 0603 1 SMD-0603 15K 0,1 * 0,01

Für die Induktivität habe ich bei Farnell eine halbwegs gleichwertige ausgewählt, bei den Nicht-Kernkomponenten habe stehen die jeweils annehmbaren Preise ohne auf ein spezielles Produkt zu verweisen.

Bei Reichelt kosten die Bauteile für einen Schaltregler 2,16 Euro, bei Farnell (inkl. MwSt.) 2,93 Euro. Trotzdem kann sich (bis auf die Spule) der Kauf bei Farnell - sofern man dort bestellen kann - durch die Preisstaffeln lohnen.

Stromlaufplan

Der Stromlaufplan ist reichlich unspektakulär, er ist nicht viel mehr als eine der Application Notes im Datenblatt.

Layout

Das Layout ist da ein bisschen aufwändiger. Wie in der Einleitung angedeutet, soll es ein Ersatz für die 78xx werden. Das heißt: gleicher Formfaktor. Laut einem zufällig herausgezogenen Datenblatt ist das Package in im Mittel 10,16 x 14,99 mm² groß und 4,58 mm dick. Das gilt es anzustreben.

Der Anschluss erfolgt, wie schon im Stromlaufplan zu sehen ist, über eine zweireihige Stiftleiste, die der Pinbelegung der gängigen Regler folgt. Der Konnektor ist allerdings nicht stehend, sondern liegend am Rand der Leiterkarte vorgesehen (demnächst in der EAGLE-Bibliothek verfügbar). Selbstverständlich muss man keine 6-polige Stiftleiste anlöten, es reicht eine dreipolige. Wenn überhaupt. Mit entsprechenden Pads auf der Hauptplatine kann man den Regler entweder stehend auflöten oder über eine Stiftleiste durch die Durchkontaktierungen auch liegend montieren.

Möchte man sich die Stiftleiste sparen, kann man das Modul auch auf Höhe der Durchkontaktierungen absägen und an diesen liegend über die nun offengelegten Pads am Leiterkartenrand befestigen.

Die Anschlussbelegung hat schon eine nicht zu unterschätzende Auswirkung auf die Platzierung der restlichen Bauteile. Gleichzeitig muss man auf allgemeine Designregeln für Schaltwandler achten - Lothar Miller hat hierfür einen sehr guten Artikel geschrieben.

Um diesen Regeln gerecht zu werden hilf nur: Platzieren, überprüfen, neu platzieren, nochmal überprüfen und das behalten, mit dem man am wenigsten unglücklich ist. Das perfekte Design schafft man wohl nur extrem selten. Denn: wenn es in Bezug auf Strompfade gut ist, kann einem die Thermik oder die Platzierung von anderen Modulen (ok, hier nicht) in die Suppe spucken.

Ich bin bei folgendem Layout angekommen:

Außenmaße: 10,41 x 15,08 mm². Nur ein kleines bisschen oberhalb des gesteckten Ziels aber noch innerhalb der mechanischen Specs von TI ;-)

Manche werden sich vielleicht fragen, warum die Ausgangsspannung über die untere Lage zum Spannungsteiler für das Feedback führt - das könnte man doch direkt an der Diode rechts oben abgreifen....

Ja, könnte man machen, aber dann wär's halt kacke. Abgesehen von dem blöden Spruch gibt es natürlich auch einen sinnvollen Grund dafür: Wo Strom fließt, fällt Spannung ab. An der Diode oben bzw. nahe an der Induktivität fließen mitunter etwas größere Ströme - wodurch sich die Messung verfälschen könnte. In der Praxis könnte man zwar probieren, ob es auch so geht, aber es gibt 1. keine Notwendigkeit dafür und 2. hat man bei anderen Designs weniger Probleme, wenn man sich gleich an vernünftiges Sensing gewöhnt.

Betrachtung der Strompfade

Anhand der Millerschen Strompfadbilder lässt sich relativ leicht ermitteln, ob man einen groben Schnitzer im Design hat.

Interessant sind die Strompfade in den drei verschiedenen Phasen des Schaltwandlers, die ich wie folgt sowohl im Stromlaufplan als auch im Layout hervorgehoben habe:

  • Laden: gelb
  • Freilauf/Leerlauf: orange
  • Recovery: blau

Das sieht schon ganz ok aus, wenn auch noch nicht optimal. Die Strecke links von C1 zu IC1 ist verhältnismäßig lang. Das gibt unnötige Induktivität, Widerstand und Abstrahlfläche. Dafür ist alles wichtige des Schaltwandlers auf einer Lage, was ebenfalls die Fläche klein hält.

Unter der Induktivität befindet sich auf gleicher Lage Freischnitt des Kupfers. Leiterbahnen sollte man selbstverständlich soweit wie es geht fern halten. Bezüglich Aussparungen des Kupfers auf der/den anderen Lage(n) kann man streiten. Hier steht Einkopplung von Störströmen auf andere Signale oder die Massefläche und das Abblocken des Feldes (EMV) nach außen auf im Gegensatz...

Hier ist noch anzumerken, dass das Layout der Leiterkarten leicht unterschiedlich zu den hier gezeigten Fotos ist.

Aufbau

Ein paar Wochen später sind die gefertigten Leiterkarten auch angekommen - ein paar Monate später wurden dann auch die Bauteile bestellt.

Für die Bestückung sind etwas Feingefühl und eine dünne Lötspitze gefragt.

Messungen

Keine Behauptungen ohne Beweise, in diesem Fall Messungen.

Mit dem Labornetzteil und meinem einfachen DMM ließ sich grundlegend bestätigen: Ja, es funktioniert! Bei den festgelegten 3,3 V Ausgangsspannung fing der Regler bei etwa 3,7 V an, vernünftig zu arbeiten. Das hat zwei Gründe: Wie oben beschrieben, muss der Duty Cycle < 100 % sein, damit die Ladungspumpe zur Erzeugung der Hilfsspannung funktioniert. Nachdem der Maximum Duty Cycle bei typ. 95 % liegt, kann man ganz plump 3,7 V * 0,95 rechnen und landet bei 3,5 Volt. Dann kommt natürlich noch der Rds,on des FET und der Innenwiderstand der Induktivität sowie Schaltverluste dazu. Alles in allem: plausibel.

Ein wichtiges Merkmal für den Betrieb ist natürlich der Wirkungsgrad. Dazu ermittelt man sowohl auf Ein- als auch Ausgangsseite die Leistung (indem man Strom und Spannung misst) bei bekannter Last und wendet die in der Einleitung gezeigte Formel an.

Dies führt man mit verschiedenen Lasten und Eingangsspannungen durch, schmeißt die Daten in die Tabellenkalkulation und lässt es sich plotten:

In dem Aufbau habe ich leicht abweichende Widerstandspaarungen als in der oben gezeigten Tabelle verwendet, was allerdings weitestgehend unmaßgeblich ist. Im Diagramm sieht man recht gut, dass mit 92 % der höchste Wirkungsgrad bei 5 V Eingangsspannung und einer Last von 100 mA erreicht wird. Bei den anderen Eingangsspannungen sieht es leider nicht ganz so gut aus. Zudem gibt es bei ca. 0,3 A einen leichten systematischen Einbruch (den ich auch mit einer zweiten Leiterkarte bestätigen konnte). Momentan kann ich allerdings nur mutmaßen, woher das kommt.

Aus den Aufzeichnungen lässt sich auch das Verhalten die Ausgangsspannung unter Last darstellen:

Minipsu v1 spannung last 1.png

Leider war die Auflösung (10 mV) relativ gering, dadurch der Treppeneffekt. Wie man sieht, ist das Verhalten durchaus hinnehmbar.

Optimierung

Es ist noch nicht Ende Fahnenstange - aus dem Design kann man sicher mehr herauskitzeln.

Die größten Kandidaten sind sicherlich die Induktivität und die Freilaufdiode, dann kommen irgendwann die Kondensatoren. Man könnte natürlich auch den IC austauschen, aber dann hat man zwangsläufig ein anderes Design. Ein weiterer Punkt wäre die Diode in der Boost-Schaltung - leckt diese zu stark, kann der FET evtl. nicht vollständig durchschalten.

Da gerade keine passenden Alternativen für Induktivität und Kondensatoren herumliegen, bleiben nur noch die Dioden.

Als Schaltdiode liegt noch eine CRS08 von Toshiba, für die Boost-Diode eine BAT54 (Schottky) herum.

Die CRS08 reißt im Mittel einen 0,6 % höheren Wirkungsgrad heraus, die BAT54 0,4 %. Mal ganz abgesehen von Messungenauigkeiten oder Wiederholbarkeit...

Für die eine andere Spule muss ich auf den nächsten Karton aus Sande warten, verspreche mir aber noch eine leichte Verbesserung.

Version 2

Es geht kleiner und ein bisschen besser.

Layout

Die BAT43WS kostet unwesentlich mehr und dürfte die Performance ein kleines Stück verbessern - gleichzeitig ist sie ein gutes Stück kleiner als die die Diode in Minimelf-Gehäuse.

Der Eingangs-Kondensator ist nach ist gedreht und etwas nach oben gewandert. Das erfordert zwar, dass die Versorgung über Durchkontaktierungen geführt wird, was an dieser Stelle relativ unproblematisch sein sollte. Durch das Verschieben kann sowohl die Schaltdiode als auch der IC nach unten verschoben werden.

Größe: 9,6 x 13,7 mm²

Auf der Unterseite befindet sich nun im Silkscreen eine Tabelle für die gesetzte Spannung: 3,3 V, 5 V und ein freies Feld.

Ferner gibt es für die liegende Montage auf der gegenüberliegenden Seite der Anschlüsse noch ein mit der Masse verbundenes Lötpad.

Betrachtung der Strompfade

Neuer Anlauf:

Die Pfade sind jetzt deutlich kürzer. Die geringere Fläche dürfte mechanisch aber stärker wiegen als die der Einfluss auf die EMV...

Version 2.1

Ein kleiner Kniff ist mir noch eingefallen:

Durch leichtes verschieben des "rechten" Widerstands und vergrößern dessen Pads (in dem Fall habe ich lediglich ein Polygon im Kupfer und im Lötstopp hinzugefügt) kann man ein Lötflächen im 2,54 mm-Raster erzeugen. Statt den Widerständen kann so auch ein Potenziometer (z. B. das 64W-50K von Reichelt) liegend anlöten:

Wer will?

Ich habe noch ein paar Platinchen herumliegen. Wer will kann ein paar (gegen Versandkosten) haben.

Downloads

Datei:Minipsu.zip

Weblinks