Es geht weiter - Revision D

Bald ist es soweit: Das Labornetzteil wird in der aktuellen Revision D fertig. Es wird folgende Features haben:

  • Zwei getrennte Platinen für die Leitungsumwandlung und die Regelung
  • Genug Platz für Erweiterungen und Weiterentwicklungen
  • Abschirmung der Schaltreglerstörungen von dem Analogteil möglich
  • Platzsparende Anordnung (in der Höhe)
  • je 10x10cm Größe
  • Folgende Ausgänge
    • Kanal 1
      • 0 - 24V
      • 6 - 8A (10.24A maximaler Regelungsbereich)
      • U/I Regelung
      • Hiccup Mode für Spannung und Strom (verhindert kurzzeitige Überspannung/Überstrom)
      • Ausgang kann von Spannung getrennt werden
      • 14/16bit Auflösung zum Setzen der Werte
      • 16/24bit Auflösung beim Lesen der Spannungen/Ströme
    • Kanal 2,3
      • 0 - 20.48V
      • 0 - 2.56A
      • U/I Regelung
      • Hiccup Mode für Spannung und Strom (verhindert kurzzeitige Überspannung/Überstrom)
      • Ausgang kann von Spannung getrennt werden
      • 14/16bit Auflösung zum Setzen der Werte
      • 16/24bit Auflösung beim Lesen der Spannungen/Ströme
    • Kanal 4:
      • 0 - -20,48V (negativ)
      • 14/16bit Auflösung zum Setzen der Werte
      • 16/24bit Auflösung beim Lesen der Spannungen/Ströme
    • Kanal 5:
      • -10,24 - 10,24V (negativ und positiv)
      • Singalgenerator mit xmega
      • 14/16bit Auflösung zum Setzen der Werte
      • 16/24bit Auflösung beim Lesen der Spannungen/Ströme
  • Temperatursensoren an warmen Bauteilen
  • Lüftersteuerung
  • Mögliche Kommunikation zum PC über USB oder Funk

Die Schaltpläne und Layouts werde ich nach vollständigem Layouten veröffentlichen wink

Idee

Ich habe schon viele Projekte realisiert, bei denen mir ein professionelles Labornetzgerät viel geholfen hätte. Allerdings habe ich mich gegen den Kauf und für den Bau eines eigenen Labornetzteiles  entschieden. Der Vorteil liegt auf der Hand: Mehr Funktionen, geringere Kosten und vor allem man lernt etwas und macht sich viele Gedanken. Die Simulation des Schaltplanes sollte man bei analogen Schaltungen in Erwägung ziehen, damit nicht unvorhersehbare Dinge geschehen. Trotzdem ersetzt die Simulation den Praxistest nicht. Sie kann aber Probleme aufzeigen und helfen, mit diesen zurecht zu kommen und Lösungen zu finden.

Unser Netzteil soll folgende Spezifikationen haben:

  • geringer Stromverbrauch => Schaltnetzteil
  • geringer Ripple und Noise => Linearregler
  • Ausgangsspannungen zwischen 0 und 20/30V (Je nach Kanal)
  • Ausgangsströme bis zu 2/4/10A (15A max)
  • Mehrere Ausgänge für verschiedene Anwendungsbereiche
  • Mikrocontrollergesteuert mit Dreh-Encoder und LC-Display
  • USB-Anschluss für Messungen und Steuerung über den PC

 

Wie man sieht sind dies sehr viele Punkte, die im Gegensatz zueinander stehen. Zum einen wollen wir hohe Ströme und Spannungen, wollen aber auch wenig Rauschen und Ripple haben, sodass beide Spezifikationen weder ein Linearregler noch ein Schaltregler erfüllen kann.

Dementsprechend habe ich mich entschieden, verschiedene Kanäle für verschiedene Funktionen zu entwerfen, auf die ich im folgenden eingehen möchte.

Das Netzteil wird in einer Kooperationsarbeit zwischen mir (Mats Marcus) und Thomas Neppl entstehen. Bei Fragen schreibt mir bitte eine Mail.

Komponenten und Aufbau

Zunächst müssen wir aus einer Netzspannung von 230V eine Niederspannung erzeugen. Es gibt dabei zwei Möglichkeiten der Topologie, die eingesetzt werden können. Zum einen regelt man die Primärseite mit einem Regelungskreis auf der Sekundärseite, welcher Spannungsregelung, Stromregelung und Überstromschutz beinhaltet. Somit bräuchte man für jedes Netzteil eine Primärseite, sodass die Kosten und der Aufwand relativ hoch sind. Die Alternative ist die Verwendung eines Netzteiles, welches eine konstante Spannung auf der Sekundärseite zur Verfügung stellt und man schaltet dahinter DC-DC oder Linear-Regler, welche die notwendige Spannungsregelung, Stromregelung und Überstromschutz beinhalten.

Ich habe mich für den letzteren Weg entschieden, um die Komplexität relativ gering zu halten und trotzdem alle Anforderungen zu erfüllen. Als Primärnetzteil verwenden wir 4x das MLT666, welches es bei Pollin für gerade einmal 7,95€ gibt und welches für unser Projekt nahezu optimale Voraussetungen liefert.Mehr zu dem Netzteil in diesem Beitrag. Das Netzteil stellt 5V, 12V und 24V für die nachfolgenden Schaltungen bereit.

Die von uns entwickelten Platinen werden einmal pro Pollin-Netzteil verwendet. Somit benötigt man z.B. für den Lastausgleich nicht eine zusätzliche Platine und das Projekt kann relativ kompakt aufgebaut werden. Jede Platine besitzt folgende Teilschaltungen:

  • 1x Lastausgleich für die Pollin-Netzteile
    • Master-Netzteil gibt Sollspannung und Sollstrom vor
    • Slave-Netzteile regeln Spannung nach
  • 2x Labornetzteil-Kanal
    • 0-20.48V Ausgangsspannung
    • 0-2.2A / 0-3A Ausgangsstrom
    • 16 / 24 bit Auflösung bei der Spannungs- und Strommessung
    • 14 / 16 bit Auflösung bei der Spannungs- und Stromvorgabe
    • Hiccup-Mode (komplettes Abschalten bei Überstrom, analog (ohne digitale Verzögerung)
    • Extrem geringe Verluste unter allen Lastzuständen und Spannungsbereichen (~80-85%)
    • Sehr gutes SNR (Signal-to-Noise Ratio) wie bei einem lineargeregeltem Netzteil
    • Sehr gute Load Regulation
    • Low Current/Low Noise Modes
      • 0.625µA/Bit Auflösung bei 16Bit ADC
    • Duale Versorgung für besonders geringes Noise und Spannungsstabilität sowie geringe Kosten
    • Optional Verwendung eines LM317 aus Kostengründen (benötigt aber etwa 2V mehr Spannungsabfall!)
  • 1x Starkstromkanal
    • 0-32.768V Ausgangsspannung
    • 0-10.24A Ausgangsstrom (15A peak)
    • 16 / 24 bit Auflösung bei der Spannungs- und Strommessung
    • 14 / 16 bit Auflösung bei der Spannungs- und Stromvorgabe
    • Hiccup-Mode (komplettes Abschalten bei Überstrom, analog (ohne digitale Verzögerung)
    • Extrem geringe Verluste unter allen Lastzuständen und Spannungsbereichen (~88-93%)
  • Mikrocontroller-Steuerung
    • Rotary Encoder zur Spannungs- und Stromvorgabe
    • LC-Display zur Anzeige
    • USB-Anschluss zum Auswerten und Steuern über den PC
    • Interner I2C-Bus zur Kommunikation der Platinen untereinander
  • Optional: Betrieb über LiPo-Akkus

Schaltpläne

Es gibt einen Hauptschaltplan. Die einzelnden Teilbereiche des Schaltplan werden in eigenen Posts und Simulationen durchgenommen.

Der Schaltplan auf dem Bild ist für einen Kanal (Sheet 1/5) und nicht final, es handelt sich um die "Revision A10".

Unterschiede zur Revision A11:

  • Diskreter Linearregler durch LM317 ersetzt
  • weitere änderungen (muss mal sehen welche)

Die aktuellen Schaltpläne sind folgende (Rev. A14):

Kanal 1 & 2 (0-20V, 0-1/2/4A)

Kanal 3 (0-30V, 0-10A)

Mikrocontroller-Steuerung mit Rotary Encodern, 3x Display u.v.m.

Hilfsschaltungen für negative Versorgungsspannung, Lastausgleich u.v.m.

Pollin-Netzteil

Als Primärnetzteil verwenden wir 4x das MLT666, welches es bei Pollin für gerade einmal 7,95€ gibt und welches für unser Projekt nahezu optimale Voraussetungen liefert. Es wird heutzutage in vielen LCD-Fernsehern verwendet. Hier versorgen die 24V die Hintergrundbeleuchtung und die 12V und 5V die Elektronik. Alle Spannungen bis auf die 5V(STB) sind über einen Pin am Netzteil schaltbar.

Es besitzt folgende Spezifikationen:

Output Voltage Regulation Min. Current Rated Current Peak Current or Power
+V1(+24V) 5% 100mA 6,5A 7,5A
+V2(+12V) 10% 100mA
1,2A 2A 3A
45W combined
+5V 5% 100mA
4A 2,5A 1A
45W combined
+5V (STB) 5% 100mA
1A 1A 0,5A
45W combined

 

Wie man sieht ist die 24V Leitung relativ Stark und kann etwa 180W leisten. Ich habe das Netzteil auch schon mit 9A dauerbelastet und habe keine Probleme bemerken können, außer dass eine leichte Kühlung durch natürliche oder forcierte Konvektion vorhanden sein sollte.

Nach dem ersten Blick sieht es so aus, als würden die 180Watt durch zwei Flyback-Converter erzeugt, welche parallel geschaltet sind. Die "Combined Line" verwendet eine eigene Spule und erzeugt dauerhaft 12V und 5V, wobei die 5V geregelt werden und als 5V(STB) herausgeführt werden. Die einschaltbaren 5V und 12V werden nur durch einen MOSFET von dem aktiven Schaltregler getrennt.

Ich habe das Netzteil durchgemessen und konnte selbst ohne Last keine zu hohen Spannungen feststellen. Ich vermute, dass ohne aktive Last das "Voltage Overshoot" beim Einschalten kritische Werte erreichen könnte. Allerdings sind auch Lastwiderstände vorhanden, welche eine Überspannung abbauen und vor dauerhafter Überspannung schützen wenn beispielsweise keine Last angeschlossen ist.

Eine Parallelschaltung mehrerer Netzteile ist nicht ohne Weiteres möglich. Da jedes Netzteil eine andere Leerlaufspannung und Innenwiderstand besitzt, wird jedes Netzteil unterschiedlich belastet. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit diesem Problem.

Um dem Problem entgegen zu wirken wird es eine aktive Lastausgleichung geben, welche die Last gleichmäßig auf alle Netzteile verteilt. Die Simulation und den Schaltplan findet man weiter unten oder hier.

Das Datenblatt für das Netzteil befindet sich hier und hier. Leider sind die Datenblätter von älteren Revisions. Laut Platine besitze ich die Rev. 2.8. Allerdings konnte ich bis jetzt kein Datenblatt zu genau dem verwendeten Netzteil finden.

Last-Ausgleich

Repräsentativ für das MLT666 habe ich bei der Simulation einen Step-Down-Schaltregler verwendet, welcher im Bezug auf die Dynamik natürlich nicht identisch mit dem MLT666 ist. Trotzdem soll diese Simulation einen Anhaltspunkt für die Funktionsweise und die Optimierung der Last-Ausgleichsschaltung geben und die Arbeitsweise verdeutlichen. In der Praxis müssen die PI-Parameter der Schaltung empirisch ermittelt werden. Generell gilt: langsame Ausregelung verhindert Aufschwingen, kann aber Probleme bei sehr starken Lastschwankungen geben. Schnelle Ausregelung erlaubt auch stark schwankende Last, ist aber kritisch im Bezug auf die Stabilität der Regelung.

 

Schaltplan der LTSpice Simulation

Ein weiteres Problem kann durch unterschiedliche Einschaltzeiten oder beim Ein- oder Ausschalten eines Netzteiles entstehen. Der PI-Regler versucht, das Netzteil auszuregeln, wobei ein starkes Überschwingen zu erwarten ist. Dem Problem kann entgegen gewirkt werden, imdem das Netzteil langsam hoch fährt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der invertierende Eingang des entsprechenden Operationsverstärkers auf Masse gezogen wird und "langsam losgelassen wird", sodass der PI-Regler zunächst das Netzteil soweit runterregelt, dass dieses versucht, die Ausgangsspannung auf weit weniger als 24V zu regeln.

Simulation mit leicht unterschiedlichen Leerlaufspannungen

Wird der invertierende Anschluss des OP losgelassen, regelt der PI-Regler das Netzteil langsam wieder hoch, sodass ein Überschwingen relativ gering ausfallen sollte. Zu der Problematik habe ich ein Bild hochgeladen.

4. Netzteil schaltet verzögert ein, Last beträgt 6 Ohm anstatt 4 Ohm, Stützkapazität beträgt 680µF anstatt 1000µF (schnellere Simulation)

Das Netzteil wird auf der Platine einen OP haben, welcher die Last-Ausgleichsregelung des Netzteiles übernimmt. Ein Netzteil wird als "Master" die Sollspannung und Sollstrom vorgeben und die "Slaves" regeln entsprechend nach.

Sehr wichtig ist allerdings, dass jede Platine andere PI-Parameter hat, da ansonsten das System aufschwingen kann. Ich habe z.B. für die Kondensatoren bei den drei Slave-Platinen zu 220pF, 270pF und 330pF gewählt.

Die Simulation könnt Ihr hier herunterladen. Anmerkung: Die Simulation dauert relativ lange.

Schaltplan Kanal 1 & 2 - Voltage Choise

Das Pollin-Netzteil stellt verschiedene Spannungen bereit. Für unsere Kanäle 1 & 2 können wir entweder die vorhandenen 12V oder 24V verwenden. Die 12V Schiene kann nicht so viel Strom zur Verfügung stellen wie die 24V Schiene. Außerdem teilt sich die 12V-Schiene die mögliche Ausgangsleistung mit der 5V und 5Vsb Schiene (Flyback-Converter mit mehreren Ausgangsspannungen). Es sind insgesamt 45W max. combined power möglich, sodass man optimistisch mit 3A für beide Kanäle 1 & 2 rechnen kann.

Sollten höhere Spannungen wie 10...11V an den Kanälen erwünscht sein, so müssen wir auf die 24V Schiene umschalten. Aus praktischen Gründen werden somit die Kanäle 1 & 2 Spannungen bis 20.48V bereit stellen können. Auch der gesamte Ausgangsstrom bzw. Ausgangsleistung der Kanäle können mit der Verwendung der 24V-Schiene 45W übersteigen. Allerdings geschieht dies auf Kosten der maximalen Ausgangsleistung des 3. Kanals, welcher ausschließlich die 24V-Schiene verwendet.

Eine große Einschränkung für Kanal 3 dürfte die Verwendung der 24V-Schiene von Kanal 1 & 2 nicht sein, da alle 4 Pollin-Netzteile parallel geschaltet werden und mit einer Last-Ausgleichsschaltung beschaltet sind. Es sollten auf der gemeinsamen 24V-Schiene mit pessimistisch geschätzten 6A pro Pollin-Netzteil 24A bei 24V und somit weit über 500W möglich sein. Optimistisch geschätzt stehen auf der gemeinsamen 24V-Schiene mindestens 768W bereit. Kanal 1 & 2 können sich somit ruhig ein paar Watt von dieser Schiene nehmen. Der Rest kann durch eine intelligente Steuerung des Mikrocontrollers angepasst werden.

Die 12V und 24V Spannung wird mit zwei P-MOSFETs auf den Vin-Pin der nachfolgenden Step-Down-Schaltregler gegeben.

Schaltplan: Voltage Choise

Über den VRange1A Anschluss kann der Mikrocontroller die Eingangsspannung für den Kanal wählen. Beide Kanäle (1 & 2) können dabei unabhängig voneinander die Spannung wählen, sodass immer so viele Kanäle wie möglich sich von der 12V-Spannung bedienen.

Durch die RC-Verzögerungsglieder und die Dioden wird verhindert, dass beim Umschalten der Spannungsquelle beide MOSFETs nahezu gleichzeitig leiten. Falls die Verzögerung für große Lasten zu hoch ist, wird nicht die Stabilität gefährdet, da der MOSFET an der 12V-Spannungsversorgung so verschaltet ist, dass die parasitäre interne Diode leitet und somit mindestens 11V am Step-Down-Schaltregler ankommen. Stützkondensatoren am Ausgang der Voltage Coise Stufe verringern die von dem Step-Down-Converter erzeugten Störungen in der 12V und 24V Schiene.

Bei der neuen Revision wird beim Umschalten von 24V auf 12V die Spannung an den Ausgangskondensatoren überwacht und erst unterhalb von gut 15V die 12V-Schiene aufgeschaltet, sodass ein Voltage Overshoot an diese Schiene relativ gering ausfallen sollte.

Schaltplan Kanal 1 & 2 - Step-Down

Bei dem verwendeten Step-Down-Schaltregler handelt es sich um einen sehr günstigen aber leistungsstarken Regler. Er kostet bei Reichelt gerade mal 71 Cent und gehört somit zu den günstigsten Modellen.

Seine Besonderheiten:

  • Die Schaltfrequenz liegt bei 330kHz Somit kann man kleine Induktivitäten und Kondensatoren verwenden
  • Das IC beinhaltet einen internen P-MOS Schalter. Dieser hat sehr viel weniger Drop-Voltage als eine normalerweise verwendete NPN-Darlingtontransistor Konfiguration, welche mindestend 1,5V Spannungsabfall hat. Des Weiteren entfällt der externe Transistor.

Weiterhin brauch das IC nicht besonders gute Regeleigenschaften haben, da der Schaltregler als sog. Tracking Preregulator arbeitet.

An den Feedback-Pin wird der Ausgang des Differenzverstärkers angeschlossen, welcher die Spannungsdifferenz zwischen dem Eingang des Linearreglers und dem Ausgang ausgibt. Somit arbeitet der Schaltregler als Tracking Preregulator. Mehr dazu im Beitrag Differenzverstärker

Schaltplan Kanal 1 & 2 - Linearregler & Strombegrenzung

Jeder der Kanäle 1 & 2 kann in verschiedenen Versionen bestückt werden. Die Standardversion schafft 1.1A und besteht aus einem Schaltregler und einem LT3080 Linearregler. Wird mehr Leistung benötigt, können zwei LT3080-1 verwendet werden, welche eine Parallelschalltung erlauben und je einen Schaltregler für die Versorgung benutzen.

Falls der LT3080 zu teuer ist oder nicht verwendet werden soll, gibt es eine Alternativbestückung mit einem LM317. Dieser hat allerdings bei Vollast etwa 2.5V Dropout Voltage anstatt etwa 500mV beim LT3080. Außerdem ist die Architektur vom LM317 älter. Die Ripple Rejection und Load Regulation ist etwa gleich gut, somit gibt es also keine größeren Bedenken.

Schaltplan: Linearregler & Strombegrenzung (Anmerkung: Regelkreis mit LM317 in dieser Konfiguration instabil, siehe finalen Schaltplan)

Die LT3080-1 können problemlos parallel geschaltet werden, da die "-1"-Version extra für diesen Zweck entwickelt wurde. Sie bekommen jedoch anders als in der Standardbeschaltung jeweils eine eigene Versorgungsspannung. Die Buck-Converter arbeiten so, dass der Master über den Differenzverstärker gesteuert wird und der Slave versucht, die selbe Ausgangsspannung zu erreichen. Somit haben beide LT3080 annähernd die selbe Eingangsspannung, auch wenn diese von unterschiedlichen Schaltreglern kommt.

Wenn der Jumper sich in der Position unten links befindet, wird die Sollspannung nur auf den Set-Pin des LT3080 gelegt, welcher die Ausgangsspannung genau auf die Spannung an diesem Pin regelt.  Somit übernimmt nicht der Operationsverstärker die Regelung sondern der LT3080.

Falls die LM317 verwendet werden sollen muss zunächst der Jumper auf die nicht markierte Position umgesteckt werden. Da der LM317 die Ausgangsspannung auf etwa 1.25V oberhalb der Adj-Spannung hält, ist diese Regelung relativ stabil. Es wurde eine entsprechende Simulation durchgeführt werden, sodass die Stabilität garantiert werden kann. Der Schaltplan hat sich allerdings geringfügig geändert. Mehr dazu hier.

Falls mehrere LM317 parallel geschaltet werden sollen ist dies auch möglich. Das "Load Sharing" wird hier allerdings passiv durch die Verwendung eines Lastwiderstandes am Ausgang jeden LM317 realisiert. Mehr dazu hier.

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