ingangscondensator buck-converter

Dit topic is gesloten

Zoals sommigen onder jullie weten ben ik een regelbare buck-boost converter aan het bouwen. Ik heb intussen al heel veel bijgeleerd, o.a. door hier op het forum gerelateerde topics over te lezen.

Intussen heb ik praktisch alle componenten kunnen dimensioneren, behalve één: de ingangscapaciteit.
Ik vind op het net en in boeken voldoende info over uitgangscapaciteit, spoel, … maar over ingangscapaciteit wordt meestal niet veel verteld.

Als er dan iets over ingangscapaciteit wordt verteld gaat het meestal over het afvlakken van spanningsrimpel die binnenkomt op de converter (bv. omdat de ingangsspanning van een gelijkrichter komt neem ik aan?…)
In mijn situatie verwacht ik echter een zeer stabiele DC-ingangsbron, dus om die reden hoeft er niet echt een ingangscapaciteit te staan.

De reden waarom ik een ingangscapaciteit wil plaatsen is de volgende.
In boost mode is de ingangsstroom continu, in buck mode wordt die discontinu en wordt stroom in grote pieken gevraagd. Laten we ons verder focussen op die discontinue stroom in de buck-mode.
Ik zou deze discontinue stroom graag uitmiddelen, zodat de piekstromen die de ingangsbron moet leveren lager liggen. (Gemiddelde stroom blijft uiteraard gelijk, maar de golfvorm van de stroom veranderd van grillige piekstromen naar minder-grillige piekstromen.)

Kan dit met een voldoende grote ingangscapaciteit? Ik heb er al veel over zitten nadenken, maar ik heb jullie hulp nodig. Mijn gedachtengang is als volgt: tijdens T_off wordt geen stroom gevraagd van de bron door de converter. De ingangscondensator laadt bij. Tijdens T_on vraagt de converter een grote stroom. De opgeladen condensator kan nu bron ‘bijstaan’ en een ook een deel van de stroom leveren. Gevolg: de piekstroom die de bron levert tijdens T_on kan lager, en daartegenover levert die tijdens T_off ook een stroom af. Resultaat: een ingangsstroom (vanuit de bron) die continuer verloopt.

Is mijn gedachtengang juist?

Zoja, hoe kan ik de juiste grootte van mijn ingangscapaciteit bepalen?

In buck-mode werkt mijn converter met volgende gegevens:
Vin = 5V dc, zeer stabiel zonder spanningsrimpel
Vout = 1V tot (you guessed it) 5V
Iout = wordt zodanig geregeld dat P_out = 5W. (beschouw dus een constant-power load op de uitgang). Als bv. V_out = 1V dan zal de belasting zich zo instellen dat er 5A uitgangsstroom gevraagd wordt.
Ik schakel op een schakelfrequentie van 400 kHz.

Alvast erg bedankt
Eric

Je ingangscapaciteit zal heel erg afhangen van de bron waarmee de converter gevoed wordt.

Een Li-ion accu die 10C kan leveren heeft een veel kleinere capaciteit nodig dan een zonnepaneel met een relatief grote inwendige weerstand.

Voor je aan de capaciteit kunt gaan rekenen, zul je eerst moeten weten wat je bron is. Je geeft aan 5V heel stabiel zonder rimpel, maar hoeveel stroom kan er geleverd worden?

[Bericht gewijzigd door JBerg54 op zaterdag 5 december 2015 11:03:51 (12%)

Op 5 december 2015 10:56:47 schreef JBerg54:
..maar hoeveel stroom kan er geleverd worden?

Aan de ingang staat een rimpelvrije 5V DC spanningsbron die tot 1 Ampére kan leveren.

(de 5W die ik op de uitgang wil is een 'ideaal-geval' die ik praktisch nooit zal halen daar ben ik me van bewust :-) )

Als de bron echt stabiel is dan heeft een condensator geen effect (in theory dan). Ingangsspanning blijft gelijk en piekstroom komt uit de voeding. Dus als je wilt middelen dan moet er een extra spoel tussen voeding en condensator. Waarde van spoel en condensator hangt af van stroom, schakel frequentie duty cycle.

En ook in boost mode is de ingangsstroom niet continu.

Ik zou op de uitgang tijdens het bucken naar 1V dus 5A willen trekken met m'n belasting.

De oorspronkelijke bron kan dit niet (die kan maar 1A leveren). Hoe groot moet de ingangscapaciteit? Of wat moet er aan de ingang staat opdat dit met de converter wel kan..??

Even de efficienties buiten beschouwing gelaten is dus dus ongeveer wat moet gebeuren:

5V 1A --> ?? --> converter --> 1V 5A

De bron kan dus 1A leveren, maar er staat niet bij wat voor soort bron dat het is, en wat de inwendige weerstand is.

Als de bron een stroombron is, die echt 1A is dan kun je uit de duty cylce wel uitrekenen welke capaciteit je nodig hebt. Als de diode geleid en de schakelaar uit is wordt de condensator dan met 1A geladen, de stroom die loopt als de schakelaar aan is kun je dan ook wel uitrekenen.

Maar meestal is het geen ideale stroombron, maar een spanningsbron met een inwendige weerstand. Wat je zou kunnen doen is de stroom uit de bron uitrekenen (dat is een blok met een XX % duty cycle) en dan het spanningsverlies over de inwendige weerstand uitrekenen. Dan weet je welke rimpel je aan de ingang hebt, en of dat acceptabel is. Door een ingangscondensator te plaatsen, hef je een deel van de rimpel op.

Zoals gezegd, de bron is wel belangrijk want die bepaald de inwendige (dynamische) weerstand.

JBerg54, ik tracht vanavond je berekeningen eens te maken en post ze hier.

Maar ik vraag me af, denk me in...

5V 1A --> converter --> 1V 5A

Kan dit wel als de ingangsbron max. 1A kan leveren?

Ik begrijp dat de gemiddelde ingangsstroom 1A wordt als je er 5 vraagt op de uitgang, maar de stroom kent toch ogenblikkelijk pieken die even groot zijn als de uitgangsstroom (5A)? Wat als de bron deze stroompieken niet aankan? Hoe los je dit op?

Eric

Klopt wel. De stroom op de ingang zal gemiddeld 1A zijn, maar gaat wel met pulsen. De piekstromen kunnen veel groter worden dan 5A, afhankelijk van frequentie en duty-cycle. Reken maar uit welke stroom je krijgt bij een duty cycle van 1 % om toch het benodigde vermogen te leveren.

Die stroom kan niet door de voeding geleverd worden, maar wel uit een condensator. Bij een schakelfrequentie van 400kHz is een kleine capaciteit voldoende, maar het moet dus wel een condensator zijn die de piekstroom aankan.

Even rekenen.
Laten we zeggen 10A ontlaadstroom, 0.5V rimpel, ontlaad tijd 2.5 microseconden.
Dan wordt de condensator 50 microfarad.

Voor jouw buck converter ziet het plaatje er zo uit:

http://i66.tinypic.com/358s2th.jpg

Op 5 december 2015 14:53:40 schreef deKees:
De stroom op de ingang zal gemiddeld 1A zijn

Ja, dat snap ik. Gemiddeld zal die 1A zijn. Maar, zoals je zelf ook zegt,op bepaalde momenten (tijdens t_on) komen ogenblikkelijke stroompulsen voor tot 5A.
Wat als de ingangsbron zo'n piek niet aankan?
Hoe verklein ik die pieken en middel ik deze gevraagde stroom uit?

Je kan het ook zo zien: beschouw de converter en belasting samen als een 'black box' die de ingangbron belast; op de beschreven manier... Wat kan ik tussen die black box en ingangsbron plaatsen, zodat de stroom uit de ingangsbron continuer wordt?

Op 5 december 2015 14:53:40 schreef deKees:
Die stroom kan niet door de voeding geleverd worden, maar wel uit een condensator.

Ja dat dacht ik ook al de hele tijd. De pieken worden geleverd door de ingangscapaciteit...
Maar eerder zei je net:

... heeft een condensator geen effect (in theory dan). Ingangsspanning blijft gelijk en piekstroom komt uit de voeding. Dus als je wilt middelen dan moet er een extra spoel tussen voeding en condensator.

:-?

Op 5 december 2015 14:56:24 schreef JBerg54:
Voor jouw buck converter ziet het plaatje er zo uit:

Ja, dat begrijp ik allemaal wel, maar hoe bereken ik hiermee een gepaste ingangscapaciteit?

[Bericht gewijzigd door Henry S. op dinsdag 8 december 2015 19:51:44 (9%)

zo maar een gooi in de richting: I.T/Ur

Waarbij I de stroom is, is 10A
En T de tijd is 2,5e-6 Seconden
Ur is de rimpelspanning van 0,5V

Telefunken Sender Systeme Berlin

Op 5 december 2015 18:32:49 schreef Eric K.:
[...]

Ja, dat begrijp ik allemaal wel, maar hoe bereken ik hiermee een gepaste ingangscapaciteit?

Welke rimpel sta je toe op de ingang, en wat is de inwendige weerstand van je 5V bron?

Op 5 december 2015 20:34:25 schreef JBerg54:
[...]

Welke rimpel sta je toe op de ingang, en wat is de inwendige weerstand van je 5V bron?

Stel: toegestane rimpel = 1%, dus 5mV (ik zie meestal zulke waarden (1, soms 0,1%) verschijnen in rekenvoorbeelden).

Inwendige weerstand van de 5V bron is zodanig dat er max. 1A uit kan, dus, denk ik: 5Ω?

Op 5 december 2015 23:14:00 schreef Eric K.:Stel: toegestane rimpel = 1%, dus 5mV (ik zie meestal zulke waarden (1, soms 0,1%) verschijnen in rekenvoorbeelden).

1% van 5V is geen 5mV. Mag dit topic in de sectie "basisschoolvragen"?

Inwendige weerstand van de 5V bron is zodanig dat er max. 1A uit kan, dus, denk ik: 5Ω?

Denk je? Kan deze bron daadwerkelijk 1A leveren bij 5V? Zou dat kloppen met je voorgaande stelling?

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

Een (te?) lange draad van je voeding naar de ingangs condensator voldoet ook als "spoel" om op de voeding te doen alsof er geen stroomverschil is.

Als je energie uit een STROOMBRON van 1A, max 5V komt, dan is de uitgangsimpedantie oneindig. (meer dan 5 ohm.). (en zoals jij (eric K) het beschrijft is dat wat we moeten aannemen).

Als je van 5V 1A naar 1V 5A wil en even zonder verliezen rekent en je hebt 2.5 us periode, dan heb je dus 0.5us "on" tijd en 2.0us "off". Gedurende de "on" tijd, gebruik je 5A uit "bron+condensator", de condensator ontlaad met 4A, de bron springt bij met 1A.

Voor de condensator geldt dan(*): I = C dU/dt. Wil je de capaciteit weten schrijf je dat om naar: C = I dt/dU = 4A 0.5us / 5mV = 0.4 mF (let op miliFarad, niet microfarad).

In de off-tijd wordt de condensator geladen met 1A en kan je alles invullen en controleren of nogmaals de C uitrekenen en op precies dezelfde waarde uitkomen. :-)

(*) Ehhh. Altijd natuurlijk. :-)

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Dank, rew, je uitwerking vind ik verhelderend.

Doch, hoe ik ook simuleer (LT Spice)... Ik krijg de ingangsstroom maar niet continu(er)...
Ik ben er nog geen enkele keer in geslaagd een opstelling zo te dimensioneren dat, wanneer ik 5A vraag op de uitgang terwijl de instelling zodanig is dat van 5V naar 1V wordt gebuckt, de ingangsstroom binnen de grens van 1A blijft.

Zelf wanneer ik 2, 3, 4 Ampere vraag bij een ingestelde spanning van 1V... mijn ingangsstroom is altijd discontinu met stroompieken van dezelfde grootte-orde als de uitgangsstroom.
Ik gebruik momenteel de door rew aangetoonde capaciteit: 400µF

Kan Spice dit misschien niet simuleren, en zal het 'in het echt' wel een afgevlakte (continuere) stroom zijn door de ingangsbron? Wat doe ik verkeerd?

blackdog

Golden Member

Hi,

rew is volgens mij de eerste die aangeeft waar het echt om gaat betreffende de ingangs condensator...

Wat voor impedantie ziet je converter aan de ingang?
Je kan een mooie LiPo hebben met een prachtig lage Ri.
Je kan een Blackdog lineaire voeding hebben met een mooie lage Ri.
Je kan een LM350 hebben op 10cm afstand, met een mooi lage Ri.

Allemaal mooi en prachtig, bovenstaande zegt allemaal niets!
Bij mijn dynamische testen van de Blackdog lineaire voeding kwam ik er al snel achter dat een relatief hoge impedantie, zeg 5cm draad aan de ingang het mooie dynamische gedrag volledig omzeep helpt.
Alle stroom die je nodig hebt "tijdens het schakelen" komt uit de ingangs condensator.
Hoe lager de impedatie die de switcher en dus ook een lineaire voeding ziet aan zijn ingang, des te beter werkt hij.
Dat kleine stukje draad dat vele negeren aan de ingang is een prachtige spoel voor de schakel frequentie en zijn vele harmonische!

Als je de ingangs filtering net zo goed aanpakt als het uitgangs circuit, zit je bijna altijd goed.

Gegroet,
Blackdog

You have your way. I have my way. As for the right way, the correct way, and the only way, it does not exist.
EricP

mét CE

Ik denk dat je probleem zit in het feit dat binnen Spice je geleiders perfect zijn. Dat zijn ze niet. Zet tussen je voeding en je ingangs C eens een weerstand en / of een L. Dan zul je zien dat de stroom zich aan de voeding anders gaat gedragen. Voedingsveters hebben een R, een L en een C component. Welke de boventoon voert, hangt van je veters af - en het gebruik. Maar ze zitten er alle 3 in. En in Spice (denk ik) niet.

[edit]Dat zegt blackdog dus ook...

Op 6 december 2015 00:07:51 schreef rew:
Voor de condensator geldt dan(*): I = C dU/dt. Wil je de capaciteit weten schrijf je dat om naar: C = I dt/dU = 4A 0.5us / 5mV = 0.4 mF (let op miliFarad, niet microfarad).

(*) Ehhh. Altijd natuurlijk. :-)

@Rew dit is dezelfde berekening als ik aangaf alleen ik zei C = I.T/Ur
Wat betekend de letter d van dt en dU hierin?

Telefunken Sender Systeme Berlin

Volgens mij gaat het hier om de principiële berekening van de ingangscondensator. Dan heb je helemaal (nog) niets van doen met allerhande bedradings issues.

@rew heeft netjes voorgerekend wat je nodig hebt bij een stroombron van 1A.

Mijn stelling is (was) dat het e.e.a. zeer afhankelijk is van de bron die je aan de buck hangt.
Neem je b.v. een 6C LiPo dan heb je in beginsel helemaal geen ingangscapaciteit nodig. De gemiddelde stroom komt dan netjes op 1A.

Oké, stel dat de ingangsbron een USB (5V) output is waar je maximaal 1A uit kan/mag trekken...

[Bericht gewijzigd door Henry S. op dinsdag 8 december 2015 19:51:05 (75%)

Op 7 december 2015 12:37:52 schreef Eric K.:
[...]

Oké, stel dat de ingangsbron een USB (5V) output is waar je maximaal 1A uit kan/mag trekken...

Dan zal het afhangen van de uitgangscapaciteit die daar geïnstalleerd is. In beginsel reken je de capaciteit uit zoals @rew heeft voorgedaan, een deel zit dan in de USB bron, een ander deel aan de ingang van de buck converter.

Mocht de USB bron ook een buck zijn, dan kijk je daar tegen een behoorlijke uitgangscapaciteit aan. Gemiddeld mag je er 1A uittrekken, maar de grote capaciteit aan de uitgang zal middelen dan wel voor haar rekening nemen.

Overigens is 5mV aan de ingang volstrekt belachelijk. Een buck converter is meestal een geregeld ding, met goede line regulation.

[Bericht gewijzigd door JBerg54 op maandag 7 december 2015 12:58:13 (17%)

blackdog

Golden Member

Hi JBerg54,

Que! Dan heb je helemaal (nog) niets van doen met allerhande bedradings issues.

Dit is typisch een geval van het negeren van de realiteit...
Dan bereken je een waarde van zeg 150uF en die zet je op 4cm afstand van je regelaar...
Bij mij en veel switcher fabrikanten staat boven aan "Gij Zult De Inducties In Uw Ontwerp Respecteren"

Ik geef ook al aan, dat de capaciteit aan de ingang net zoveel respect verdiend als de gene aan de uitgang, die levert uiteindelijk de piekstroom tijdens het schakelen,
voordat de stroom van je bedrading naar het voedende deel kan meehelpen door de aanwezige inducties van deze bedrading.
De problemen worden nog groter als je lage ingangsspanningen gebruikt zeg bij de boost functie.
Dan zijn de piekstromen nog groter die de condensator moet leveren!
Ik zou bij berekening uitgaan van de meest ongunstige situatie, dus lage ingangsspanning hoge belasting bij de max uitgangsspanning.
En het vooral ook testen!

Bij Linear zie je afhankelijk van het type IC en de spanningen en stromen tussen 2x10uF Low ESR bij de modules, tot 470F Low ESR aan de ingang van de wat oudere switchers.

Gegroet,
Blackdog

You have your way. I have my way. As for the right way, the correct way, and the only way, it does not exist.

Doch, hoe ik ook simuleer (LT Spice)... Ik krijg de ingangsstroom maar niet continu(er)...
Ik ben er nog geen enkele keer in geslaagd een opstelling zo te dimensioneren dat, wanneer ik 5A vraag op de uitgang terwijl de instelling zodanig is dat van 5V naar 1V wordt gebuckt, de ingangsstroom binnen de grens van 1A blijft.

Als de ingangsspanning vast is (5V) dan heeft de condensator in theorie geen enkel effect. Dat gaat pas leveren als de spanning verandert. En dat is dus wat je ziet in spice.

In de praktijk is dat geheel anders. Dan gaan de weerstand en de zelf-induktie van de draden meespelen. Om dat ook in spice te zien moet je dus een spoel en een weerstand in serie tussen de voeding en de condensator plaatsen.

Probeer maar eens, bijvoorbeeld met 0.1 Ohm en 100 microHenry.

Dit topic is gesloten