snubber: weerstands vermogen?

fatbeard

Honourable Member

't Is weer eens zover: de twijfel slaat toe.
Gegeven: een boostconverter (LM5002) op 450kHz die 15-en-een-beetje volt maakt bij een dikke 100mA, eigenlijk nix bijzonders.
Webench power designer suggereert een snubber over de diode van 470pF in serie met 6.8Ω, in verband met de gevoeligheid van de omringende electronica en de vereiste keuringen leek me dat wel een goed idee.
Webench geeft als kleinste formaat weerstand een 0805 op, maar die raak ik met geen mogelijkheid kwijt (0402 is de grootste die past).
Mijn natte-vinger dissipatieberekening

P_R=\Bigl(\frac{15}{\sqrt{Xc^2+6.8^2}}\Bigr)^2*6.8

levert een waarde rond de 3mW, wat me een beetje weinig lijkt...

Nu dan de vraag: hoeveel vermogen wordt er nou echt (worst case) in die weerstand opgestookt?

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.

De berekening van Z in je formule gaat enkel op voor een sinusvormig signaal. (belangrijkste steeds vergeten basisregel bij toepassen complexe rekenwijze in wisselstroom). Bij andere golfvorm neemt de stroom toe. Je weerstand gaat meer moeten verstoken dan berekend. hoeveel, hangt af van de golfvorm. blokgolf?

blackdog

Golden Member

Hi fatbeard,

Het gaat natuurlijk om de energie inhoud van je schakel frequentie die optreed in jouw doelschakeling.
Geen idee hoe de golfvorm er uit ziet in jouw schema.

Je zou een test kunnen doen met een functie generator en de twee componenten die je aangeeft, gebouwd met korte draden op een stukje blanke print.

Heb je een differnetial probe, zodat je onder je variabele belasting, de golfvorm over je snubber circuit kan aanschouwen? :)

Groet,
Bram

Waarheden zijn "Illusies waarvan men vergeten is dat het illusies zijn"
EricP

mét CE

Stel je zet DC op die weerstand. Welke stroom moet er dan gaan lopen om de maximaal toelaatbare (wenselijke?) dissipatie te krijgen?

Kun je die stroom op enige tijd op enige wijze halen? Nee? Probleem opgelost...

Andere insteek: Die condensator is op een bepaalde spanning geladen. Wordt nu hard ontladen. Daarna weer geladen. Dan doe je 0.5x je schakel frequentie. Als je aanneemt dat die condensator 'helemaal vol' en 'helemaal leeg' wordt, dan weet je hoeveel lading je per seconde transporteert binnen die aanname. En daarmee de gemiddelde stroom.

Je hebt er natuurlijk geen moer aan (want het geeft geen getalletjes), maar... Mijn onderbuik zegt dat dissipatie (in tijd) niet zo'n punt is. Piekstroom wel. Ik hoop dat jij nu uit gaat leggen waar mijn onderbuik verkeerd zit :)

fatbeard

Honourable Member

Tsja, ik vroeg om het worst-kaas geval (ik heb ook een beetje honger ;)).
Metingen kunnen niet gedaan worden (spul staat op de zaak en ik zit thuis). Wat wel (een beetje) bekend is: de ingangsspanning, die zit tussen de 7 en 19V (nominaal 12).
En ja, ik weet dat wanneer de ingangsspanning groter wordt dan de uitgangsspanning zou moeten zijn de uitgangsspanning de ingangsspanning volgt; dat is geen probleem voor hetgeen door de schakeling wordt gevoed (3 RGB LEDs in serie, aangestuurd met een stroombron). In dat geval is de duty-cycle 0% (of is het 100%?) en dus de dissipatie nul mW.

Zoals ik het bekijk staat op de anode van de diode in een boost converter een blokgolf met de amplitude van de ingangsspanning, waarvan de duty-cycle (hoofdzakelijk) bepaald wordt door de uitgangsstroom en het verschil tussen de in- en uitgangsspanning.
Op de kathode staat dan een soort zaagtand, waarvan de amplitude bepaald wordt door de uitgangsstroom.
Die laatste is ook een blokgolf, met variabele duty-cycle en stroom (tussen de 0 en 96mA, in stappen van 32mA) en een frequentie van rond de 1 kHz (als ik me goed herinner 1/512e van de switcher frequentie).

@EricP: mijn onderbuik geeft aan leeg te zijn...

[edit]
Een bescheiden lunch verder, met een tevreden onderbuik:
Aannemende dat de condensator van 470pF volledig geladen en ontladen wordt met 8V (7V in, 15V uit) loopt er een piekstroom van grofweg 1.2A, gedurende een nanoseconde of twee. Tenminste, als de blokgolf aan de ingang daar snel genoeg voor is...
Ik geloof nooit dat die blokgolf zo snel is, dus de piekstroom zal bepaald worden door de schakelsnelheid van de switcher (en misschien die van de diode). En daar kan ik dus nix over vinden...

[Bericht gewijzigd door fatbeard op 7 april 2020 13:31:40 (17%)]

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.

De stapresponsie zou moeten zijn:

Vr = Vin * e^-t / τ

De worst case dissipatie per transitie zou dan moeten zijn:

\int\limits_{0}^{\infty}(Vin * e^{-\frac{t}{\tau}} )^2/R dt

\tau=RC

Dat moet je even in je grafische rekenapparaat inkloppen, ik heb mijn integratiepet even niet op, maar dat zou makkelijk moeten zijn.

Gewoon vermenigvuldigen met het aantal transities (900.000 dus). Volgens mij is de spanning over de diode trouwens gelijk aan de uitgangsspanning en niet de ingangsspanning. De anode zal immers telkens naar massa worden getrokken, en net boven de uitgangsspanning kunnen komen. Scheelt wel als je flink 'boost'.

Overigens zal je op de tijdsschaal dat de overgangen hier plaatsvinden er makkelijk vrij ver naast zitten, als de flanken net wat minder steil zijn heb je meteen een klap minder grote stroompulsen.

Fatbeard,
Je formule klopt enkel als je de snubber over een sinusvormige spanning van 15V plaatst. Maar dan heb je helemaal geen snubber nodig.
Die plaats je juist omdat je spanning niet sinusvormig is.

Stel dat je spanning een blokgolf is, dan bestaat die uit de grondfrequentie + een groot aantal oneven harmonischen.
Hoe groot het aantal en de amplitude daarvan is hangt af van de steilheid van de flanken van je signaal.

Hoe steiler de flanken hoe meer hoge frequenties .
De snubber zorgt ervoor dat de flanken wat minder steil worden door de hogere harmonischen te dempen. Die demping zal natuurlijk sterker zijn naarmate de frequentie van je grondgolf stijgt maar vooral de hogere harmonischen zullen meer gedempt worden dan de lagere.(1/2πfC) voor de 3e harmonische is de reactantie al maar 1/3 meer, enzovoort.

Dus zonder de exacte mathematische beschrijving van de vorm van je signaal kun je daar geen enkele zinnige berekening rond maken.
En zelfs met wordt het een berekening met van die lelijke accolades.
Misschien bestaat er een ergens programma voor die het wat makkelijker maakt.
Kruimel heeft net een bruikbare tip gegeven, maar dan moet je toch nogde flanksteilheid van je signaal kennen.

Je moet bedenken dat een zo kleine condensator vooral invloed zal hebben op de hogere harmonischen die op zich al een pak minder energie bevatten. Ik denk dat je je daarover weinig zorgen moet maken.

De kans is heel groot dat je je met berekenen vastrijdt op nogal moeilijke wiskunde en daardoor fouten maakt of zaken over het hoofd ziet die je niet meteen ziet.

Het makkelijkst zou zijn een proefopstelling te maken en met een warmtebeeldcamera kijken hoe heet je weerstandje wordt.

Rust roest, en nog geen klein beetje, ik kan er van meespreken.

GD .. Als het een blokgolf is wordt het net héél gemakkelijk. Basisformule van opladen C via R volgens e macht kan dan toegepast worden. Weet je de energie per halve cyclus..

en als T lang genoeg tov RC is gaat alle energie van C (1/2 * U²C) gewoon op in de R.

Simpel toch?

fatbeard

Honourable Member

Dank!
Het begint me te dagen... In elk geval waarom ik op zo'n belachelijk lage dissipatie uitkwam.

Uit ervaring weet ik dat het meten aan zo'n switchnode niet gemakkelijk is, de gemiddelde probe beïnvloedt de meting nogal met zijn 10pF. Een low capacitance probe staat wel op mijn verlanglijstje, maar die is er nu nog ff niet.

Het probleem waar ik mee zit is dat de gebruikte weerstand (Panasonic ERJPA2F6R80V, een 0.2W 0402) niet meer gemaakt wordt en de alternatieven van Vishay niet verkrijgbaar zijn. Die Panasonic werkt, er staan op het moment al een slordige 8000 units in het veld.
Dus als zou blijken dat ik met een 62.5mW weerstandje (standaard 0402) uit de voeten kan hoeft ik niet op zoek te gaan naar unobtanium.
Voorlopig is het beste wat ik heb kunnen vinden 167mW, van KOA Speer en Susumu. Is meer dan de 125mW uit de Webench, maar toch...

@kris van damme:
Kijk, daar heb ik wat aan (geloof ik). Nog steeds niet zo simpel als ik gehoopt had, maar "doable". Bij 500kHz is de halve periodetijd 1µs, de RC tijd is daar nog geen 4% van...

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.

Op 7 april 2020 14:10:42 schreef kris van damme:
...
Simpel toch?

Dat is een deel van de energie die in de snubberweerstand verstookt wordt. Over de snubber staat een gedempte sinus. Tenslotte heb je de snubber nodig om energie die in een zelfinductie zit weg te stoken. Een deel van de energieinhoud van die zelfinductie wordt ook weggestookt in de snubberweerstand.

Bezoek mijn neefjes' site: www.tinuselectronics.nl

Op 7 april 2020 20:20:22 schreef ohm pi:
[...]Dat is een deel van de energie die in de snubberweerstand verstookt wordt. Over de snubber staat een gedempte sinus. Tenslotte heb je de snubber nodig om energie die in een zelfinductie zit weg te stoken. Een deel van de energieinhoud van die zelfinductie wordt ook weggestookt in de snubberweerstand.

De snubber waar het hier over gaat staat over de gelijkrichtdiode. Die zit er vooral om de diode wat minder hard te doen schakelen, ander straalt dat vrolijk in het rond.
De energie restenergie uit de spoel wordt ergens anders opgevangen, en hopelijk gerecupereerd. tijd van wegdempen uitstervende sinustrilling over de spoel met diode en RC combinatie klinkt zeer jaren 80.

Op 7 april 2020 11:17:54 schreef fatbeard:
Nu dan de vraag: hoeveel vermogen wordt er nou echt (worst case) in die weerstand opgestookt?

Energie in de condensator, maal freqeuntie. bijvoorbeeld 100kHz schakelen * 1 µJ in de condensator -> 0.1W.

Ik vind inderdaad genoeg gegevens in jou openingspost, dus ik kom op 23mW.

Edit: Als je denkt dat ik formules uit m'n hoofd leer, heb je mij verkeerd begrepen. hoe lang het duurt, hoeveel de tau is maakt allemaal niet uit, in essentie gaat alle energie uit de condensator in de weerstand zitten.

Oeps. Dat doet ie twee keer per cyclus. Het wordt dus 48mW.

[Bericht gewijzigd door rew op 7 april 2020 21:38:19 (27%)]

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

Honourable Member

Zoals mijn natuurkunde leraar op de HTS altijd zei: "Je hoeft alleen te onthouden waar je de formule kunt vinden. Ohja, en waar hij voor dient, natuurlijk. >:) "...
Van hem mocht je letterlijk alle naslagboeken gebruiken tijdens een tentamen: als je niet wist waar een formule voor diende had je er toch nix aan...

_/-\o_ Dank allen _/-\o_    en rew in het bijzonder

Ik heb nu een goed gevoel (daar heb je die onderbuik weer) dat het allemaal wel heel zal blijven met een 100mW (de standaard 62.5mW heeft net te weinig reserve) weerstand, zelfs bij 66° omgevingstemperatuur.

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.

Op 7 april 2020 21:35:46 schreef rew:
[...] hoe lang het duurt, hoeveel de tau is maakt allemaal niet uit, in essentie gaat alle energie uit de condensator in de weerstand zitten.

Daar maak je een vergissing... (overkomt mij ook vaak)

Stel dat Tau veel langer is dan T. Dan blijft C gewoon ongeladen en kan hij zijn energie niet overdragen op de R .. Maar dat maakt het nog makkelijker om de energie verstookt in R te berekenen, want alle spanning staat dan gewoon altijd over R.. :-)

Hoeben

Golden Member

Bij een snubber haal je bijna altijd de condensator helemaal leeg. En dan is de energie 1/2*CU2. Dat 450.000 keer per seconde.

Op 7 april 2020 23:08:45 schreef Hoeben:
Bij een snubber haal je bijna altijd de condensator helemaal leeg. En dan is de energie 1/2*CU2. Dat 450.000 keer per seconde.

dat staat ver hierboven al.. en het is 450.000 x 2.. (blokgolf)

maar we zaten even bij het belang van Tau. als die te groot is dan blijft W = 1/2*U²C =0... (of er dicht genoeg bij om het zo te beschouwen)

Op 7 april 2020 22:47:14 schreef kris van damme:
Stel dat Tau veel langer is dan T.

Ja, dat bedacht ik me vannacht ook...Het enige is: Dan heb je de snubber verkeerd gedimensioneerd. In de afleiding van de formule in het boek zal dan iets staan van: "omdat tau << T geldt in dit geval: ... "

En dan kan je gaan lopen discusseren of als de PWM periode ineens extreem wordt, je formule nog wel geldt.... Klopt... Maar waarom wil je dit vermogen weten? Om de vereiste vermogens-rating van de weerstand uit te rekenen. En die moet het "PWM=50%" geval ook gewoon aankunnen.

Kortom: De aannames die tot de vereenvoudiging hebben geleid die kan ik verantwoorden.

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

Op 7 april 2020 22:47:14 schreef kris van damme:
[...]

Daar maak je een vergissing... (overkomt mij ook vaak)

Stel dat Tau veel langer is dan T. Dan blijft C gewoon ongeladen en kan hij zijn energie niet overdragen op de R .. Maar dat maakt het nog makkelijker om de energie verstookt in R te berekenen, want alle spanning staat dan gewoon altijd over R.. :-)

Maar hier hebben we een C = 470pF en R = 6.8Ohm.
De RC constante is dan 0.034µs terwijl de halve periode 1µs bedraagt bij 500kHz frequentie.
De condensator heeft dan ruim de tijd volledig op en te ontladen. na 5RC= 0.17µs of 1/5 van de halve periode is dat reeds het geval.

De opgeslagen energie is dan 1/2xCU2 = 52nJ.
Ik kom dan bij 0.5MHz frequentie op 52mW. Wat overeenkomt met de berekening van Rew.
Maar je had wel gelijk dat het in dit geval niet zo moeilijk te berekenen valt. juist omdat de RC constante zo laag is.

Rust roest, en nog geen klein beetje, ik kan er van meespreken.

Voor kleine SMD weerstanden is het gemiddeld op te nemen vermogen bij piekbelastingen vaak een stuk kleiner als bij grotere en TH weerstanden.
Zelfs als het gemiddeld vermogen onder de max. van de weerstand blijft, kan die op den duur toch kapot gaan. (ik vermoed door de kleine massa van de weerstand)
Bijv. een puls van 200%,1mS gevolgd door 25%,4mS zit gemiddeld wel ruim onder max vermogen van de weerstand, maar ik heb er al een flink aantal zien overlijden.

(een weerstand met meer massa heb je dan weinig problemen)

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

Op 8 april 2020 11:19:12 schreef grotedikken:
na 5RC= 0.17µs of 1/5 van de halve periode is dat reeds het geval.

Ik heb zo'n hekel aan dit soort onzin. D'r is iemand die uit z'n duim heeft gezogen dat "als ie voor 99% vol is dan is ie wel ongeveer vol". Dat resulteert dan in "na 5 tau is ie vol". Je doet alsof je een regeltje uit je hoofd geleerd hebt en dat opdreunt zonder het te begrijpen. Eens gaat dat tot ongelukken leiden.

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

Golden Member

Op 7 april 2020 23:33:27 schreef kris van damme:
[...]

dat staat ver hierboven al.. en het is 450.000 x 2.. (blokgolf)

maar we zaten even bij het belang van Tau. als die te groot is dan blijft W = 1/2*U²C =0... (of er dicht genoeg bij om het zo te beschouwen)

Om het compleet te maken, ja klopt. Maar wel 450.000 keer per seconde komt die puls voorbij. Een keer opladen, een keer ontladen.

De weerstand is het enige element in de snubber die de energie absorbeert. En die weerstand moet passen bij de impedantie van de schakeling. Klein bijvoorbeeld in een H-brug.

Die condensator beperkt het verspild vermogen in de snubber. In combinaties met diodes in de snubber wordt hij echter ook als tijdelijke opslag gebruikt met een serieweerstand en een parallelle die hem weer langzaam laat leeglopen.

In dit geval van de boost converter zeg ik uit ervaring een weerstand van ergens tussen de 30 en 50 Ohm of zo. Het is te berekenen maar veel handiger is gewoon uitproberen. En kies een capaciteit zodanig klein dat zodra de ringing weg is, de condensator vol/leeg is. Dan heb je het minste verlies. Een oscilloscoop laat je dat wel zien. Lukt je dat niet binnen de pulsbreedte dan heb je de weerstand te groot gekozen. Een kleinere weerstand dempt sneller. Dan mag de capaciteitswaarde ook omlaag.

En dan heb je de condensator inderdaad volledig vol/leeg.

Op 7 april 2020 21:35:46 schreef rew:
[...]hoe lang het duurt, hoeveel de tau is maakt allemaal niet uit, in essentie gaat alle energie uit de condensator in de weerstand zitten.
Oeps. Dat doet ie twee keer per cyclus. Het wordt dus 48mW.

Inderdaad is hier 1/2 C U2 2 f = 47,6 mW.
Dat is als je op de RC-serieschakeling een blokgolf van 0 naar 15 V zet, van 450 kHz (dus 900 000 flanken per seconde), met een stijg- en valtijd van 0.

(Theoretisch) interessant kan het nog zijn hoeveel die stijg- en valtijden nog uitmaken. Dat blijkt vrij veel te schelen. Die 48 mW is een limietwaarde die je zelfs bij flanken van zo kort als 1 ns (licht legt in die tijd 30 cm af :)) nog slechts benadert; je zit dan op 43 mW. Met flanken van bijvoorbeeld 10 ns kom je op 21 mW in de weerstand.

(klik voor groter) (Simetrix)

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Op 8 april 2020 14:22:52 schreef rew:
[...]Ik heb zo'n hekel aan dit soort onzin....

Snap ik niet. GD heeft hier op dit punt gewoon gelijk. Hier is de periodeduur veel groter dan 5RC. Bij 1% spanning zit maar 0,01% energie tov een volle condensator in de condensator. Voor mij is dat gewoon leeg. Ik kan me niet voorstellen dat de afwijking kan leiden tot een ongeluk. Hoogstens tot een minuscuul vonkje op een moment dat je dat niet verwacht.

Bezoek mijn neefjes' site: www.tinuselectronics.nl

Op 8 april 2020 14:22:52 schreef rew:
[...]Ik heb zo'n hekel aan dit soort onzin. D'r is iemand die uit z'n duim heeft gezogen dat "als ie voor 99% vol is dan is ie wel ongeveer vol". Dat resulteert dan in "na 5 tau is ie vol". Je doet alsof je een regeltje uit je hoofd geleerd hebt en dat opdreunt zonder het te begrijpen. Eens gaat dat tot ongelukken leiden.

Leg eens uit aan een dommekloot als ik wat je daarmee precies bedoelt.
Ik snap je punt niet
Als ik twee kilo appelen koop maak ik me niet sappel of ze het flinterdunne plastic zakje van 2 gram al of niet meegerekend hebben. Gewoon omdat het er niks toe doet. Maar ik ben dan ook een Belg :-)

@Ohmpi
Zelfs van een volle condensator van 0.00047µF verwacht ik bij 15V geen zichtbare vonk. Misschien dat je er enkele coronavirussen mee kunt doden, maar wat met die miljoen andere in je druppel snot? :-)

Rust roest, en nog geen klein beetje, ik kan er van meespreken.