Buck converter blijft ontploffen...

Ik heb denk ik een interessant probleem aan het handje...

Al jaren gebruik ik DC/DC buck converters met de RT8272 voor allerlei projectjes. Input is 20V of 12V (laptopvoeding), output stel ik in op 9V of (meestal) 5V. Daar achter komt dan vaak een lineaire regulator, zoals een LM3940 voor het laatste stukje naar 3.3V.

Dat gaat eigenlijk heel goed.

Ik gebruik ook wel eens converters met de MP2307. Blijkt wat minder efficient te zijn, wordt ook wat warmer, ook bij weinig afname, maar is dan ook wel weer wat kleiner (het printje...).

Ik heb nu een projectje waarbij ik 20V krijg aangeleverd, dat moet naar:
- 4.5 V (input voor de LM3940 -> 3.3V met minimale dropout, en voor twee APA106's, die minstens 4.2 V nodig hebben) en voor een IR4427 (en ja dat blijkt voldoende, mits je de MOSFET goed uitzoekt)
- ~3.5 V (variabel, voor een LED van 1W, draait op 180-220 mA)
- 3.3 V voor de rest van de electronica

Ik ben wat aan het uitproberen geweest hoe dat het slimst gaat, met combinaties van de MP2307 en RT8272 en ook nog LM317 en LM350. Het kan met allemaal, maar verbruik en warmeproductie scheelt behoorlijk. Voor het stuk van 4.5 naar 3.5V probeerde ik de LM317 en LM350. Dat was geen groot succes, de buck converters waren altijd efficienter en werden minder warm.

Voor de rest echt vanalles geprobeerd, beide buck converters (voor 4.5V en voor 3.5V) direct aan de 20V, of de een achter de ander.

De beste combinatie bleek uiteindelijk de RT8272 op het stuk van 20V naar 4.5V en dan de MP2307 daar achter van 4.5V naar 3.5V.

Dit werkt echter niet vlekkeloos. Sinds ik hiermee aan het experimenteren ben, spatten de RT8272's regelmatig uit elkaar. Ik kan niet goed een moment aanwijzen, maar lijkt altijd te zijn direct na power on. Als het eenmaal aan staat, en het werkt, dan blijft het ook werken. Ik heb op deze manier al meer dan tien stuks kunnen weggooien. Terwijl ik in het verleden nooit problemen hiermee had.

Mogelijke invloeden (naar mijn idee):
- lange aanvoerkabel DC (ik lees in de datasheet dat de RT8272 dat niet leuk vindt, in combinatie met keramische condensatoren, maar eerder had ik daar ook nooit last van)
- twee buck converters achter elkaar, zou dat een probleem kunnen zijn? Dat ze samen gaan resoneren en dat er dan een te hoge spanning in de spoel onstaat? Ik roep maar wat?
- diode aan de ingang van de RT8272 tegen foutieve polarisatie (scottky), dat mag toch geen probleem zijn?

Afgevinkt (naar mijn idee):
- invoerspanning is altijd 20-21V (laptopvoeding, is heel stabiel en het probleem treedt bij meerdere voedingen op)
- geen kortsluiting op de uitgang (maar ook daar zou hij tegen moeten kunnen)
- voldoende keramische en tantaalcondensatoren aan in- en uitgang, geen elco's.
- vermogensafname valt reuze mee, hij moet kortstondig 3A kunnen leveren, hij hoeft maar 500 mA te leveren
- koeling lijkt me goed, ik gebruik breakout boards, de SOIC zit er met exposed pad op gesoldeerd

Ik zit er aan te denken beide converters dan maar vanaf 20V te laten werken? Kan wel, maar is beduidend minder efficient (zegt de meter...).

Ideëen?

Schema zou wel handig zijn?... ;)
Als de aanvoerkabel > 15cm is, moet er altijd een bufferelco bij de ingang van de regulator zitten...
Ik gebruik meestal de TPS54231, nooit eentje kapot gehad...

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - www.arcovox.com
elmowww

Golden Member

Als je enkel keramische input capaciteiten hebt, en een enigszins kabel, kan je een mooie opslingering krijgen (L+C). Met het inschakelen gedrag eens met een scoop?

Je kan ook een elektrolytische condensator toevoegen aan de ingang die een voldoende lage kwaliteit heeft, zodat de opslingering door het inductieve gedrag van je kabel gedempt wordt.

PA0EJE - www.eje-electronics.nl - e.jongerius[aapje]eje-electronics.nl - EJE Electronics - Elektronica/firmware ontwikkeling
McAwesome

Golden Member

Het effect van keramische condensators is mooi uitgelegd in dit filmpje: https://www.youtube.com/watch?v=2287hcWFqe8

Serenity now, insanity later

Op 22 maart 2020 21:51:55 schreef Arco:
Schema zou wel handig zijn?... ;)
Als de aanvoerkabel > 15cm is, moet er altijd een bufferelco bij de ingang van de regulator zitten...
Ik gebruik meestal de TPS54231, nooit eentje kapot gehad...

Ik dacht ik wacht even of er sowieso mensen interesse hebben. Het is ook geen rocket science ;-)

https://photos.app.goo.gl/u77XgDxrpDT1yexy9
De LM317 in het schema is optioneel ter vervanging van de MPS2307.

Ik gebruik break-out boards, daar zit al een flinke condensator aan de in- en uitgang. Ik mag toch hopen dat ze die wel goed gekozen hebben... Ik kan niet goed zien of het keramisch, tantaal, film of elco is, er staat niks op.

Op 22 maart 2020 22:00:49 schreef elmowww:
Als je enkel keramische input capaciteiten hebt, en een enigszins kabel, kan je een mooie opslingering krijgen (L+C). Met het inschakelen gedrag eens met een scoop?

Je kan ook een elektrolytische condensator toevoegen aan de ingang die een voldoende lage kwaliteit heeft, zodat de opslingering door het inductieve gedrag van je kabel gedempt wordt.

Ik denk dat ik snap wat je bedoelt, klinkt logisch. Die scoop gaat 'm even niet worden overigens. Maar kabel = L en hoge Q C, dan kan ik me iets bij voorstellen. En dan krijg je een piek van een veel hogere spanning op de ingang dus? En de oplossing is dan juist een lage kwaliteit (hoge ESR) elco toevoegen? Kan de diode aan de ingang (zie schema) nog een extra factor zijn in het probleem?

Ik heb ook nog zitten nadenken over om een TVS over de ingang te zetten, maar ik ben bang dat die dan niet lang zullen leven, die laptopvoeding levert heel wat stroom...

elmowww

Golden Member

Dan plaats je een schema en staat het kritieke deel er natuurlijk ook niet op ;)

Welk bordje prik je er op? Een keramische condensator en een elektroliet zou wel uit elkaar te halen moeten zijn met een foto.

Een snubber of een "gewone goedkope" elko op je ingang kan al helpen. Gewoon proberen? En wat bedoel je met "ontploffen" trouwens? Heb je een foto van de schade?

De RT8272 die je aangeeft heeft een abs-max van 26V, daar zit je redelijk in de buurt. Zou mij niet veel verbazen!

PA0EJE - www.eje-electronics.nl - e.jongerius[aapje]eje-electronics.nl - EJE Electronics - Elektronica/firmware ontwikkeling
Wie de vraag stelt, zal met het antwoord moeten leren leven.

Op 23 maart 2020 10:31:01 schreef elmowww:
Dan plaats je een schema en staat het kritieke deel er natuurlijk ook niet op ;)

Welk bordje prik je er op? Een keramische condensator en een elektroliet zou wel uit elkaar te halen moeten zijn met een foto.

Dit is de rt8272: https://photos.app.goo.gl/Md6FJECG2P3TRrXq6
En dit is de mp2307: https://photos.app.goo.gl/ZW1EgfHTFhHjzKYu6

Een snubber of een "gewone goedkope" elko op je ingang kan al helpen. Gewoon proberen?

Ik ga het binnenkort proberen.

En wat bedoel je met "ontploffen" trouwens? Heb je een foto van de schade?

Sorry, helaas net allemaal definitief weggegooid. Wat er gebeurt is dat in een tiental seconden de SOIC heel heet wordt, hij gaat roken en er komt een bobbeltje op de bovenkant. Die bobbel barst uit elkaar met een knal en dan is het afgelopen.

De RT8272 die je aangeeft heeft een abs-max van 26V, daar zit je redelijk in de buurt. Zou mij niet veel verbazen!

Maar dan zou ik verwachten dat hij in stilte zou overlijden. Dit lijkt zo meer op een overbelasting op de een of andere manier.

Wat ook nog interessant is, is dat dit meestal gebeurt juist als er weinig of niks is aangesloten op de uitgang.

Op 23 maart 2020 10:35:12 schreef Shiptronic:
Zener erover?

Misschien dan nog een TVS, maar een zener zal niet lang leven :D

Maar niemand die van mening is dat twee buck converters achter elkaar vragen is om ellende?

Op 23 maart 2020 10:44:34 schreef Erik Slagter:
Maar niemand die van mening is dat twee buck converters achter elkaar vragen is om ellende?

dat zou kunnen. twee regellussen achter elkaar, dat kan gaan vechten, hangt of van de tijdsconstanten van beide lussen. Maar op afstand niet zomaar in te schatten. Je kan de eerste convertor van een extra dikke elco voorzien op de uitgang om dat gevecht tegen te gaan.

Op 23 maart 2020 10:43:42 schreef Erik Slagter:
[...]
Misschien dan nog een TVS, maar een zener zal niet lang leven :D

Dat een TVS of zener niet lang zullen leven is ook de bedoeling, als de spanning te hoog is moeten die werken en een zekering doen springen, zijn ze defect moet je die vervangen maar eerst de oorzaak opsporen waarom het zover is gekomen.
Niet andersom.

LDmicro user.

Op 23 maart 2020 10:50:25 schreef MGP:
[...]
Dat een TVS of zener niet lang zullen leven is ook de bedoeling, als de spanning te hoog is moeten die werken en een zekering doen springen, zijn ze defect moet je die vervangen maar eerst de oorzaak opsporen waarom het zover is gekomen.
Niet andersom.

En precies daarom zijn ze geen oplossing voor dit probleem ;)

Hoe weet je dat? je kent het probleem dus?

LDmicro user.

Op 22 maart 2020 23:14:19 schreef McAwesome:
Het effect van keramische condensators is mooi uitgelegd in dit filmpje: https://www.youtube.com/watch?v=2287hcWFqe8

Ik denk dat je hier right on the spot zit! Dit was een heel leerzaam filmpje. Ik was bekend met het effect, maar niet dat het zó sterk kon zijn. Dit verklaart ook waarom de ontploffingen meestal optreden als ik de verbinding tussen 20V voeding en converter onderbreek en niet zozeer als ik de stekker van de 20V voeding in het stopcontact steek.

Volgens degene in het filmpje zou je een weerstand moeten opnemen tussen ingangscondensator en ingang. Ik weet niet of dat zou wel zo'n goed idee is? Daarnaast betekent het dat ik de condensator er zelf eerst vanaf zou moeten halen. Die is SMD en zit zéér stevig gesoldeerd, dus dat is lastig zonder schade aan de PCB te doen.

TVS of zener werkt waarschijnlijk één keer, dus dat is ook niet zo handig.

Toch dan maar een vette lage-kwaliteit elco parallel, zou dat helpen?

Een andere oplossing zou kunnen zijn om er nóg een DC/DC converter tussen te zetten. Er moeten straks 12 van deze printjes aan komen, met flink wat bekabeling ertussen (15-20 meter). Die derde converter zou dan centraal komen en spanning verlagen van 20V naar 8-10V en die centrale converter kan dan lekker groot zijn, dus hogere ingangspanning. Of gewoon een extra voeding op 12V ipv 20V.

Op 23 maart 2020 11:08:30 schreef MGP:
Hoe weet je dat? je kent het probleem dus?

Het zal er uiteindelijk aan liggen hoe lang de spike is en hoe groot (stroom). Maar elke keer een kapotte TVS heb je ook niet zoveel aan...

TVSen hebben overigens een vervelende eigenschappen, hun werkingsgebied is nogal "grijs". Het werkt alleen goed als de werkspanning en de piek flink ver uit elkaar liggen. In dit geval 20V en wellicht 30V is redelijk krap. Dan gaat de TVS continu "lekken" of grijpt juist te laat in (afhankelijk van de waarde van de TVS).

Op 23 maart 2020 11:21:31 schreef Erik Slagter:
[...]

. Maar elke keer een kapotte TVS heb je ook niet zoveel aan...

Beter dan elke keer een ander regeling te moeten steken, dat heb je nu al genoeg gedaan volgens lezen.

Ik begrijp uw manier van aanpakken niet... maar misschien kun je een andere voeding proberen.

LDmicro user.

En hoe zou ik het dan wel moeten aanpakken, ik sta open voor suggesties!

Eisen zijn:

- 20V voeding, aanlevering over lange kabel (kan 5 - 20 meter zijn)
- 4.5V 500 mA
- 3.6V 300 mA
- 3.3V 150 mA

En dat alles stroomefficient en met weinig warmteproductie, want het zit in een kleine behuizing (dus geen lineaire regulators).

Geen SMD componenten, breakouts mag wel.

De (verplichte) elco plaatsen aan de ingang van de switcher en niet weglaten. Lost het probleem op...
Een verbinding van een meter of meer tussen bufferelco en switcher is vragen om moeilijkheden...
Het komt ook deels doordat je de switcher zo dicht bij zijn VinMax gebruikt, ik doe dat nooit... (ik gebruik nooit meer als 75%)

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - www.arcovox.com
elmowww

Golden Member

Een snubber kan ook nog. Maar om dat goed af te regelen (zelfs: om je probleem te zien) moet je een scope ter beschikking hebben.

Je kan experimenteren met bijv 220 ohm in serie met 100n naar gnd.

PA0EJE - www.eje-electronics.nl - e.jongerius[aapje]eje-electronics.nl - EJE Electronics - Elektronica/firmware ontwikkeling

Op 23 maart 2020 11:34:22 schreef Arco:
De (verplichte) elco plaatsen aan de ingang van de switcher en niet weglaten. Lost het probleem op...
Een verbinding van een meter of meer tussen bufferelco en switcher is vragen om moeilijkheden...
Het komt ook deels doordat je de switcher zo dicht bij zijn VinMax gebruikt, ik doe dat nooit... (ik gebruik nooit meer als 75%)

Dus volgens jou (ook) is het probleem een te lage ESR aan de ingang.

Kan iemand zien wat voor type condensator er gebruikt wordt? Lijkt op een keramische condensator?

Die lengte kom ik niet onderuit. Bij m'n testopstelling met een kabel van 1 meter gebeurt het overigens ook al.

Ik twijfel nog tussen twee aanpakken:
- elco toevoegen aan de ingang
- ingangsspanning verlagen

Voorlopig neig ik naar het laatste. Hij heeft maar iets van 7 Volt nodig om alle benodigde spanningen te maken. Ik moet wat ruim gaan zitten vanwege de lengte van de kabel, maar 20 Volt is niet nodig. Volgens mij heb ik nog wel converters die tot 30 Volt gaan. Of een extra voeding met 12 Volt uitgang.

Het lijkt er op dat mijn eerste vermoeden dus niet goed was (twee converters achter elkaar), dus tot zover al heel leerzaam.

Ik ga binnenkort experimenteren!

Ik heb nog een paar grotere jongens met XL6009 en XL4015, die gaan tot 36V input. Die voor 20V naar 10V en dan moet het volgens mij wel goed komen (RT8272 kan max 24V).

Een elco aan de ingang is geen optie, maar verplicht. (zie bijna alle datasheets van regulators...)
Er zijn trouwens switchers met synchronisatiepin om ze in de pas te laten lopen...

[Bericht gewijzigd door Arco op 23 maart 2020 12:25:40 (30%)]

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - www.arcovox.com

Interessante teksten in de datasheet van de RT8272.

In het voorbeeldschema staat alleen dat je 10 uF moet gebruiken, niet wat voor type. Schema suggereert geen elco.

Verderop hameren ze op het belang van lage ESR van de input pass-by condensator (wat daarmee dus eigenlijk een elco uitsluit).

Nog weer verderop een stukje tekst wat ik eerder had gelezen en toen me al aan het denken zetten:

Higher values, lower cost ceramic capacitors are now becoming available in smaller case sizes. Their high ripple current, high voltage rating and low ESR make them ideal for switching regulator applications. However, care must be taken when these capacitors are used at input and output. When a ceramic capacitor is used at the input and the power is supplied by a wall adapter through long wires, a load step at the output can induce ringing at the input, VIN. At best, this ringing can couple to the output and be mistaken as loop instability. At worst, a sudden inrush of current through the long wires can potentially cause a voltage spike at VIN large enough to damage the part.

Maar ze dragen geen oplossing aan.

Lijkt er op dat de designer van de breakout hier geen kennis van had en dus gewoon bot keramisch heeft gebruikt.