FR9888 oder ein synchroner Step-Down-Wandler-IC

Dieser Testbericht ist die Fortsetzung meiner Experimente mit Abwärtswandlern. Nebenbei erzähle ich ein wenig darüber, was ein Wandler mit synchroner Gleichrichtung ist.

Mit dem Thema Wandler beschäftige ich mich schon lange. Anlass für den Kauf dieser ICs war jedoch ein kürzlich erschienener Testbericht über einen kleinen Step-Down-Wandler-IC. In den Kommentaren dazu wurden mir noch weitere Varianten vorgeschlagen.
Zunächst die Links zu den beiden vorherigen Testberichten.
TRI1461
MP2359DJ

Und hier noch ein paar Links zu meinen Testberichten über ICs und Wandler.
PT4115E
AMC7135
Drosselsatz CDRH104R
LTC4054
einstellbarer DC-DC-Wandler
SC6038
MC34063
ICL7660
DC-DC-Wandler
Ein Paar Step-Up-Wandler und ein kleines Upgrade zu SEPIC
Universeller Spannungswandler oder ein paar Worte darüber, was SEPIC ist
Mehrkanaliger DC-DC-Wandler
ZXY6020S
ZXY6005S
Wandler auf Basis des LTC3780
DC-DC Step Down-Modul mit angegebenem Strom von 10 A

Die ICs werden im Zehnerpack verkauft. Zum Zeitpunkt meines Kaufs kosteten sie 1.67, inzwischen 1.71, aber wahrscheinlich gab es einen Rabatt über die mobile App.
Übrigens ist mir erst heute aufgefallen, dass auf der Bestellseite von Ali die verbleibende Zeit des Käuferschutzes nicht mehr angezeigt wird.

Die ICs kamen in einem kleinen gelben Umschlag an. Darin war ein einfacher Druckverschlussbeutel, und die Stückzahl stimmte mit der Bestellung überein.


Eine kurze Beschreibung auf Englisch.
Kurz gesagt:
Eingangsspannung: 4.5–23 V
Ausgangsspannung: 0.925–20 V
Ausgangsstrom: bis zu 3.5 A
Schaltfrequenz: fest auf 340 kHz eingestellt.
Dazu kommen nützliche Funktionen wie Übertemperaturschutz, Überstromschutz usw.

Hier der Link zum vollständigen Datenblatt.


Der IC steckt in einem SOP-8-Gehäuse. Auf der Unterseite befindet sich eine Fläche zum Auflöten auf die Platine, die für eine bessere Wärmeableitung vom Chip sorgt.


Blockschaltbild des ICs. Bemerkenswert ist die recht ungewöhnliche Referenzspannung von 0,925 V.
In den Kommentaren wurde ich einmal gefragt, warum sich bei einem Wandler die Ausgangsspannung nicht unter einen bestimmten Mindestwert einstellen lässt.
Genau diesen Wert legt die Referenzspannung fest. Das IC vergleicht die Spannung am Messeingang mit seiner Referenzspannung. Ist die Eingangsspannung höher, versucht es, die Impulsbreite zu verringern und so die Spannung zu senken. Umgekehrt versucht es bei einer niedrigeren Eingangsspannung, die Impulsbreite zu vergrößern und die Spannung anzuheben.
Deshalb lässt sich die Ausgangsspannung mit einfachen Mitteln nicht unter die Referenzspannung senken: Das IC versucht immer, die Spannung so weit anzuheben, dass am Eingang 0,925 V anliegen (oder der entsprechende Wert bei anderen ICs). Höher einstellen ist dagegen kein Problem – dafür reicht ein Spannungsteiler aus zwei Widerständen.

Eine weitere ungewohnte Besonderheit dieses ICs: Am Ausgang sitzen nicht ein, sondern zwei MOSFETs.
Das IC hat einen integrierten Synchrongleichrichter. Sicher ist vielen in früheren Tests aufgefallen, dass neben dem IC immer eine kleine (oder auch größere) Diode „herumlungert“. Bei diesem IC braucht man keine externe Diode.

Die dritte praktische Besonderheit ist der SS-Eingang für den Softstart. Nach dem Anlegen der Versorgungsspannung startet das IC nicht sofort, sondern erhöht die Impulsbreite allmählich, bis es in die Regelung übergeht. Das ist bei „schwierigen“ Lasten nützlich, die das IC bei einem abrupten Anlegen der Spannung wegen Überstrom in den Schutzmodus versetzen könnten.


Ein kleiner Exkurs zum Thema Synchrongleichrichtung.
Lange Zeit löste man das Problem der Spannungsstabilisierung mit diskreten Linearreglern. Später kamen integrierte Varianten auf den Markt, als „Vielbeiner“ mit externen Bauteilen und einem externen Leistungstransistor.
Danach kamen die vielen bekannten KR-EN-ICs, genauer gesagt KR142ENxx.
Sie waren alle praktisch: geringe Ausgangswelligkeit und sehr einfach anzuschließen. Dafür produzierten sie jede Menge Wärme. Kühlkörper waren aber billig, und die Wärme störte kaum jemanden.
Ich habe allerdings in einem meiner Tests gezeigt, wie man aus einem KR-EN5 (7805) einen Wandler mit hohem Wirkungsgrad baut.
Parallel dazu entwickelten sich aber auch die Schaltregler weiter. Anfangs waren auch sie diskret aufgebaut (ohne spezielle ICs) und recht kompliziert, was ihre Verbreitung teilweise bremste. Später begann man dann, integrierte PWM-Spannungsregler zu entwickeln – oft wurden sie aus dem Ausland kopiert.

Ein einfacher Schaltregler besteht aus mehreren grundlegenden Baugruppen (hier am Beispiel eines Abwärtswandlers):
dem Controller
dem Schalttransistor
der Diode
der Drossel
dem Ausgangskondensator.

Uns interessieren die ersten drei Punkte.
Jeder weiß, dass an den Übergängen von Bipolartransistoren und Dioden eine feste Spannung abfällt. Bei gewöhnlichen Dioden ist sie höher, bei Schottky-Dioden niedriger.
Diese Lösung ist grundsätzlich einfach und günstig. Später kamen jedoch MOSFETs zum Einsatz. Damit ließ sich der Wirkungsgrad der Wandler verbessern, weil MOSFETs einen geringeren Spannungsabfall am Schaltelement ermöglichen.
Der Wirkungsgrad stieg, aber die Diode blieb. Sie durch einen Transistor zu ersetzen, ist deutlich schwieriger. Schließlich fand man aber auch dafür eine Lösung – genau das zeigt dieser Wandler.

Im Blockschaltbild links ist ein gewöhnlicher Wandler mit externer Diode zu sehen, rechts der aus diesem Test.
Zu Beginn des Wandlungszyklus schaltet der Transistor durch, und in der Drossel wird Energie gespeichert. Nach einer Weile sperrt der Transistor, die Spannung an den Anschlüssen der Drossel kehrt sich um, und der Strom fließt über die Diode zur Last.
Bei diesem IC wurde die Diode durch einen MOSFET ersetzt und im IC untergebracht. Dadurch ist der Wirkungsgrad höher, und der Wandler braucht keine externe Diode mehr. Eine Diode gibt es zwar trotzdem – die parasitäre Diode des MOSFETs –, aber das spielt hier keine wesentliche Rolle.


Damit wäre die Theorie erledigt, jetzt geht es an die Praxis.
Im Datenblatt gab es zwei Schaltungsvorschläge für den Wandler: einen mit Keramik- und einen mit Elektrolytkondensatoren.
Ich habe mich für die erste Variante mit Keramikkondensatoren entschieden, weil sie etwas kompakter ausfällt.


Im Datenblatt des ICs gab es ein Layoutbeispiel, an dem ich mich orientiert habe.


In meiner Version sieht die Platine so aus.


Für dieses Projekt hatte ich einige Bauteile zu Hause. Auf dem Markt kaufte ich zusätzlich eine 5,2-µH-Drossel, wie sich später herausstellte, völlig umsonst. Sie kostete fast einen Dollar – selbst für einen Laden vor Ort sehr teuer.


Die Drossel hätte ich mir sparen können, denn ich wollte eine Ausgangsspannung von 5 V einstellen. Laut Tabelle muss die Drossel dafür eine Induktivität von 10 µH haben.
Übrigens enthält die Tabelle auch die Widerstandswerte des Teilers für bestimmte feste Ausgangsspannungen.
Ich habe etwas andere Werte aus der E24-Reihe verwendet: 9,1 kΩ für den unteren und 39 kΩ für den oberen Widerstand. Berechnet hatte ich für den oberen 40 kΩ, aber da ich keine exakte Spannung brauchte, habe ich es dabei belassen.


Danach ging es an den Zusammenbau.
Da der IC mit seiner Unterseite auf die Kupferfläche der Platine gelötet werden muss, bin ich zunächst wie auf dem Foto vorgegangen:
1. Etwas Lötzinn unter dem IC aufgetragen.
2. Die Kupferfläche erwärmt und den IC eingesetzt, dann noch einmal von beiden Seiten erhitzt und dabei den IC mit einer Pinzette angedrückt.
3. Geprüft, ob die Unterseite des ICs tatsächlich verlötet war, indem ich versucht habe, ihn abzuhebeln. Danach habe ich die übrigen Anschlüsse verlötet.
4. Die Platine gereinigt und mit der Bestückung der übrigen Bauteile weitergemacht.
Mit Heißluft wäre das Verlöten des ICs natürlich einfacher gewesen – später habe ich es auch so gemacht. Aber nicht jeder hat eine Heißluftstation.


Am Ende hatte ich diese kleine Platine.
Die Drossel ist nicht verlötet, sondern nur zur Veranschaulichung so platziert, wie es ursprünglich gedacht war. Man kann die Platine aber auch so verwenden, allerdings nur bei niedrigen Ausgangsspannungen.


Ich hatte eine baugleiche Drossel mit 10 µH, aber sie war ungeeignet, weil sie für einen geringeren Strom ausgelegt ist. Mit zunehmender Induktivität sinkt nämlich der zulässige Betriebsstrom der Drossel (bei gleichen Abmessungen). Die 5,2-µH-Drossel war vom Strom her noch geeignet, die 10-µH-Drossel dagegen nicht – zumindest nicht aus der Serie, für die ich die Platine entworfen hatte.

Also musste ich zu Hause verschiedene Drosseln zusammensuchen und eine davon neu wickeln, um die benötigte Induktivität zu erhalten.
Die Drossel ist mit zwei Drähten mit 0,63 mm Durchmesser gewickelt.


Ein Foto zum Größenvergleich und zum Vergleich mit den Platinen aus den beiden vorherigen Tests.


Aus der Nähe.


Als Testaufbau habe ich dieselbe Ausstattung wie beim letzten Mal verwendet
Netzteil
Elektronische Last
Multimeter
Noch ein Multimeter
Oszilloskop
Berührungsloses Thermometer

Beim Einschalten gab es allerdings eine böse Überraschung.
Der Wandler lief an, ging bei einem Laststrom von 0.7 A aber in den Schutzmodus und senkte die Ausgangsspannung fast auf null.
Außerdem lag die Ausgangsspannung etwas unter dem berechneten Wert. Nach ein paar Experimenten gab der IC zunächst 6 V am Ausgang aus und weigerte sich anschließend ganz, weiterzuarbeiten :(
Ich habe den IC mit Heißluft ausgelötet und einen neuen eingelötet (ebenfalls mit Heißluft). Nichts funktionierte, am Ausgang lag keine Spannung an, die Stromaufnahme betrug 90 mA.
Schließlich habe ich auch den zweiten IC ausgelötet und einen dritten eingelötet. Mit diesem entsprach die Ausgangsspannung den Erwartungen, und der IC arbeitete anschließend einwandfrei.
Das erste Foto zeigt den ersten IC, das zweite den dritten.


Der erste Test: Messung der Stromaufnahme ohne Last am Ausgang.
Wenig ist das nicht gerade; ich hatte erwartet, dass der IC weniger Strom aufnimmt.
23 mA bei 10 V und 28 mA bei 20 V


Testablauf:
1. Ausgangsstrom 1 A, Eingangsspannung 10-15-20 V
2. Ausgangsstrom 2 A, Eingangsspannung 10-15-20 V
3. Ausgangsstrom 3 A, Eingangsspannung 10-15-20 V


Ich zeige nicht alle Oszillogramme, sondern nur den Leerlauf und die maximale Last bei 20 V Eingangsspannung.
Die Welligkeit ist praktisch nicht vorhanden. Ich habe sogar überprüft, ob der Tastkopf-Teiler auf 1:1 eingestellt ist.


Prüfung der minimalen Eingangsspannung bei verschiedenen Lastströmen: 1-2-3 A.
Die Ausgangsspannung liegt dabei bei etwa 4.75 V.


Auch den Kurzschlussschutz am Ausgang habe ich getestet.
Der Schutz funktioniert hervorragend, wechselt aber nicht in einen zyklischen Modus, sondern bleibt in einem Zustand ähnlich der Konstantstromregelung.


Mit dem Ausgangsstrom gibt es allerdings ein kleines Problem.
Bei einem Laststrom von 3 A schaltet sich der IC nach einiger Zeit wegen Übertemperatur des Gehäuses ab. Wenn man den IC etwas anbläst, funktioniert alles einwandfrei.
Der Grund ist wahrscheinlich, dass unter dem IC Durchkontaktierungen zur Platinenunterseite vorgesehen sein sollten und die Platine selbst zweiseitig hätte sein müssen. Ich habe jedoch eine dünne, einseitige Platine verwendet, die die Wärme einfach nicht ausreichend abführen konnte.


Der IC selbst kann aber Lastströme bis zu 4.5 A liefern; darüber greift die Ausgangsstrombegrenzung.
Natürlich kann der IC 4-4.5 A nur kurzzeitig liefern, aber trotzdem ist das ein gutes Ergebnis.
Auf dem Foto ist der Eingangsstrom bei einem Ausgangsstrom von 3.5-4-4.5 A zu sehen.


Und natürlich überprüfe ich auch den Wirkungsgrad.
Der Hersteller gibt für eine Ausgangsspannung von 5 Volt folgendes Diagramm an. Ich habe zwar bei Eingangsspannungen von 10, 15 und 20 Volt gemessen und nicht bei 12 und 23 Volt wie im Datenblatt, aber ich glaube nicht, dass das entscheidend ist.


Was soll man sagen: Den angegebenen Wirkungsgrad habe ich nicht erreicht, auch wenn die Effizienz bei diesen Ausgangsströmen natürlich recht ordentlich ist.
Als Temperatur des ICs bei 3 A ist die Auslösetemperatur des Überhitzungsschutzes angegeben.
Außerdem ist deutlich zu sehen, dass der Wirkungsgrad bei einer Eingangsspannung von 10 V klar höher ist als bei 20 V.
Übrigens habe ich mich nach den Experimenten noch weiter mit dem IC beschäftigt. Dazu habe ich es mit der Heißluftstation ordentlich erwärmt und mit einer Pinzette fest auf die Platine gedrückt. Danach löste der Überhitzungsschutz deutlich seltener aus, aber 3 A schaffte der Wandler trotzdem nicht; bei 2,5 A funktionierte er einwandfrei.


Und was lässt sich nun abschließend sagen?
Vorteile
Preis
Zuverlässiger Schutz vor Kurzschluss, Überlast und Überhitzung.
Gute Überlastfähigkeit
Sanftanlauf vorhanden.
Sehr geringe Restwelligkeit der Ausgangsspannung.

Nachteile
Wirkungsgrad niedriger als angegeben
Unklare Zuverlässigkeit beim Einlöten der ICs auf die Platine.

Meine Meinung: Das IC hat meine Erwartungen nicht ganz erfüllt, irgendwie hatte ich mehr erwartet. Natürlich habe ich nicht alle Vorgaben des Herstellers eingehalten und das IC eingelötet, ohne die Wärme auf die Rückseite der Platine abzuleiten. Trotzdem hat mich der Wirkungsgrad mehr enttäuscht. Im Bereich von 10 bis 15 V ist er zwar höher als bei den vorherigen Exemplaren, deshalb hier ein kleiner Vergleich bei 2 A:
Links das hier getestete Modell, rechts TRI1461
10 V — 89,7/86
15 V — 87,4/86.1
20 V — 84.9/86.1

Alles in allem kann man sagen: Bei Strömen bis 2,5 A lässt sich das IC verwenden; bei bis zu 2 A kann man sogar auf einen Kühlkörper verzichten. Der Aussetzer beim ersten Exemplar gibt mir allerdings zu denken. Bis heute kann ich nicht verstehen, was da los war. Das hat mich sogar enttäuscht – ich bin es irgendwie schon gewohnt, etwas zusammenzubauen und dass es dann funktioniert :)
Übrigens sind ICs mit Flansch in dieser Hinsicht viel praktischer: Flansch erwärmen, IC ist eingelötet. Beim hier getesteten Modell ist das deutlich umständlicher.

Ich hoffe, die Informationen sind hilfreich. Ich glaube, ich habe alles erzählt, was ich konnte. Fragen und Anregungen sind wie immer in den Kommentaren willkommen.