Testen eines DC / DC-Wandlers auf einem LTC3789-Chip / Sudo Null IT News

Kurz gesagt, die gemessenen Parameter des Konverters lagen ziemlich nahe an den berechneten.

Es stimmt, es gibt Nuancen. Der Wirkungsgrad von 99 % gilt nur für den DC/DC-Wandler selbst. Verluste im Regelkreis wurden nicht berücksichtigt. Und sie beliefen sich auf etwa 2 Watt. Auch Verluste im Lastschlüssel und Verluste in den Leiterbahnen auf der Platine bis zum Lastanschlussstecker wurden nicht berücksichtigt. Glücklicherweise verteilen sich diese Verluste über die Platine und tragen nicht zur Erwärmung des kritischsten Bereichs um den DC/DC-Wandler bei. Und natürlich ist ein solcher Wirkungsgrad nicht in beliebigen Umrichterbetriebsarten erreichbar, sondern in denen, die nachfolgend beschrieben werden.

Versuchsbedingungen

Auf dem Tisch stand die Platine auf 45 mm hohen Gestellen. Daran wurde am Stecker X1 eine 24 V Spannungsversorgung angeschlossen. An den X10-Anschluss wurde eine Last in Form eines leistungsstarken 3-Ohm-Widerstands angeschlossen

Blick auf die Platine während des TestsBlick auf die Platine während des Tests

Ein Computer mit dem Softwarepaket FreeMaster wurde über USB mit dem Board verbunden, um die Parameter in Echtzeit zu überwachen und die Einstellungen zu verwalten. Der messende Thermosensor wurde in der Zone der Leistungstransistoren installiert, in der Mitte des Punktes, der sich im Spannungserhöhungsmodus möglichst stark erwärmen sollte.

Die Aufgabe bestand darin, den Zielwirkungsgrad bei einer Ausgangsspannung von 30 V und einer Leistung von 300 W zu erreichen.

Die Platine ist gegeben hieraber noch einmal werde ich ein Knotendiagramm mit einem DCDC-Wandler geben

Wichtige Bedingungen für den korrekten Betrieb des LTC3789-Chips

Die richtige Wahl des Wertes des Kondensators C53 in der Kompensationsschaltung.

Im vorherigen Artikel wurde das Programm LTpowerCAD verwendet, um den Wert der Kompensationsschaltung zu berechnen.

Das Programm LTpowerCAD gab ganz ruhig 33 pF als optimalen Wert für die Kapazität des Kondensators Cthp aus. Bei einer solchen Bewertung wird jedoch die Steuerschaltung in der Mikroschaltung instabil. Dies führt zu sporadischem Einbrennen des Chips beim Einschalten oder während der Ausgangsspannungsregelung. Die Kapazität dieses Kondensators ist, wie Versuche gezeigt haben, besser auf mindestens 1000 pF einzustellen.

Die richtige Wahl zwischen Continuous Mode und Pulse-Skipping Mode.

Die Betriebsart wird durch die Spannung an Pin 7 der Mikroschaltung eingestellt. Die Funktion dieses Pins ist “Modusauswahl oder externer Synchronisationseingang zum Phasendetektor”.

Das Handbuch empfiehlt, diesen Pin im Protokollstatus zu halten. 1 d.h. im Pulse-Skipping-Modus in Situationen mit niedriger Ausgangsleistung, dann scheint die Schaltung weniger Strom zu ziehen. Tatsächlich wird in einem stark absenkenden Modus (Uin > 2*Uout) ein etwas mehr als zweifacher Unterschied beobachtet, und darüber wird es keinen Unterschied geben. Aber der Hauptunterschied zwischen den Modi, der sich praktisch nicht in der Anleitung widerspiegelt, ist die Steuerung des TG2-Signals, d.h. das Gate des oberen Transistors der rechten Schulter (Q7). Dieser Transistor überbrückt die Diode im Boost-Modus.

Oszillogramme, die den Unterschied im TG2-Signal in verschiedenen Modi zeigen. Oszillogramme, die den Unterschied im TG2-Signal in verschiedenen Modi zeigen.

Wie aus den Oszillogrammen ersichtlich ist, öffnet der Transistor im Pulse-Skipping-Modus für eine kurze Zeitspanne von etwas mehr als 100 ns. Und im kontinuierlichen Modus ist der Transistor die ganze Zeit geöffnet, während der untere Transistor geschlossen ist. Daraus ergeben sich zwei wichtige Tatsachen:

  • im Pulse-Skipping-Modus wird der Wirkungsgrad reduziert, da die Diode der oberen rechten Schulter bei Spannungserhöhung nicht überbrückt wird (Messungen ergaben einen zusätzlichen Verlust von mindestens 2 W bei einem Ausgangsstrom von 10 A)

  • Im kontinuierlichen Modus kann der Wandler nicht verstärkt werden, bis die Spannung auf einen Pegel unter dem Boost-Pegel abfällt. Andernfalls brennen Transistoren und Mikroschaltkreise aufgrund von Rückströmen vom Lastkreis zum Quellkreis durch. Solche gefährlichen Ströme können einfach von Ausgangskondensatoren erzeugt werden, wenn sie beim Einschalten nicht ausreichend entladen sind, oder von einer Batterie, wenn es sich um ein Ladegerät handelt.

Testergebnisse

Ausgangsleistung 300W, Ausgangsspannung 30V, Strom 10A. Eingangsspannung 22,8 V. Dauerbetrieb.

Der erste Sicherheitstest wurde mit eingebautem Kühlkörper durchgeführt. ICK S 40 X 40 X 20 . Der Strahler wurde auf der Rückseite der Platine auf Leistungstransistoren montiert. Zur besseren Wärmeableitung wurden auf den Radiator Platten aus Graphit-Wärmeleitpads geklebt. ILA-TIM-LEDIL-1A.

Testen Sie 20 Minuten lang, bis sich eine stabile Temperatur eingestellt hatTesten Sie 20 Minuten lang, bis sich eine stabile Temperatur eingestellt hat

Wie zu sehen ist, stabilisierte sich die Temperatur nach 20 Minuten Testen. In der Leistungstransistorzone blieb die Temperatur bei 79 °C stehen. Und der Induktor erhitzte sich auf 100 °C. Seltsamerweise stellte sich heraus, dass der Induktor das heißeste Element auf der Platine war.

Leistungstransistoren BSC022N04LS6ATMA1 erlauben Betriebstemperaturen von -55 bis +175 °C

Induktivitäten – 7443556260 (2,6 µH abgeschirmte drahtgewickelte Induktivität 31,5 A, 1,58 mOhm, nicht standardmäßig). Betriebstemperatur von -40 bis +150 °C.

Kondensatoren können bei 105 °C mindestens 2000 Stunden betrieben werden. Aber ihre Temperatur ist zweimal niedriger, sodass Sie sich auf 20.000 mit maximaler Ausgangsleistung verlassen können.

Die Betriebsparameter werden also nicht verletzt.

Wie sich die Ausrichtung des Kühlkörpers auswirkt

Durch senkrechtes Drehen der Platine auf dem Tisch reduzierte sich die Temperatur in der Leistungstransistorzone auf 77,5 °C. Diese. nur 1,5 °C.

Bare-Board-Test ohne Kühlkörper

Ohne Kühler erwärmte sich die Transistorzone auf 90 ° C und die Induktivität auf 106 ° C.
Genau das wurde in theoretischen Berechnungen angenommen.

Übrigens reduziert ein vertikaler Einbau der Platine ohne Kühlkörper die Temperatur in der Transistorzone nur um 0,5 °C.

Einfluss der Taktfrequenz auf Wandlerverluste

Der LTC3789-Chip kann auf ein externes Taktsignal von 200 bis 600 kHz synchronisieren. Dieses Signal wird an denselben Pin 7 angelegt, über den die Betriebsart eingestellt wird. In diesem Fall wird automatisch der Dauerbetrieb eingeschaltet. Im Steuerungssoftwareprojekt ist es möglich, die Frequenz aus diesem Bereich beliebig einzustellen. Tests zeigten den geringsten Verlust bei einer Frequenz von 200 kHz. Eine Erhöhung der Frequenz erhöht nur die Verluste. Und bei einer Frequenz von 500 kHz sind es bereits 1 W mehr als bei einer Frequenz von 200 kHz.

Effizienzmessung

Obwohl das Board über Sensoren für Eingangs- und Ausgangsströme verfügt, können sie den Wirkungsgrad nicht mit der erforderlichen Genauigkeit von 0,3 % messen (mindestens 97 % von 99 % unterscheiden).

Problem mit Stromsensoren TMCS1100A2QDRQ1. Ihre Genauigkeit übersteigt 0,4 % nicht. Aber selbst wenn man sie kalibriert und versucht, ihre Ausgangsspannung mit einer Auflösung von 0,1 % des Ausgangsbereichs zu messen, stellt sich heraus, dass das Messergebnis von der Ausrichtung der Platine im Erdmagnetfeld beeinflusst wird. Kurz gesagt, das Drehen der Platine kann einen Strommessfehler von 50 mA verursachen. Dies liegt bei etwa 0,3 % und passt gut in die deklarierte Genauigkeit von Mikroschaltungen und wird im Datenblatt nicht ausdrücklich erwähnt. Aber ein solches “Feature” behindert die Erhöhung der Genauigkeit durch Kalibrierung stark.

Daher wurden genauere Messungen mit einem Multimeter durch den Spannungsabfall an den Mess-Shunts durchgeführt. Messungen zeigten einen Wirkungsgrad im Bereich von 98 % bis 99 % unter Berücksichtigung der Shunt-Widerstandsgenauigkeit von 1 %. Eine genauere Messung des Wirkungsgrades wurde nicht eingeplant, da die Überhitzung in diesem Fall ein adäquateres Kriterium zur Beurteilung der Qualität des Umrichterbetriebs zu sein schien.

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