8.3 Energieversorgung – Netzteil und Ladeger¨ at
8.3.2 Schaltpl¨ ane
F¨ur die Erstellung des Netzteils wird der IC LM2576-Adj f¨ur jeden der drei Kan¨ale verwendet, wel-cher daf¨ur sorgt, dass die Ausgangsspannungen der Kan¨ale bei wechselnder Last konstant bleibt (regulated ouput voltage). Der kleine Ripple der Eingangsspannung ist dabei nicht weiter schlimm, da der IC im Bereich von 8 V bis 40 V arbeiten kann. F¨ur die Ausgangsspannung von 5 V ist in Abbildung 82 die Schaltung exemplarisch dargestellt.
Um sicherzustellen, dass sowohl der LM2576-Adj als auch der Tiefsetzsteller richtig arbeiten, so-lange die anliegende Spannung noch nicht auf 15 V gewachsen ist, wird die Schaltung um einen Undervoltage-Lockout erweitert, der daf¨ur sorgt, dass sich der IC erst bei einer bestimmten Span-nung einschaltet. Die EinschaltspanSpan-nung kann dabei ¨uber die Zenerdiode variiert werden. Da die maximale Ausgangsspannung 12 V betragen soll, soll auch die Zenerdiode eine Durchbruchspan-nung von mindestens 12 V besitzen. Die Erweiterung um den undervoltage-lockout ist in Abbildung 83 zu sehen.
Abbildung 82: Schaltung des 5 V-Kanals in LTspice (Eigene Abbildung)
Abbildung 83: Undervoltage-Lockout f¨ur den LM2576-Adj mit Tiefsetzsteller ( [12] S. 6)
Die Schaltschwelle des Undervoltage-Lockouts kann ¨uber die Gleichung 3 ( [55] S. 20) festgelegt werden.
Vth =VZ1+ (1 +R2
R1)·VBE(Q1) (3)
An VIN befindet sich neben der 15 V Eingangsspannung der KondensatorCIN, welcher die
Span-nung stabilisieren und puffern soll. Am Output-Pin h¨angt ein Tiefsetzsteller (TSS) bestehend aus D, L und COU T, der mithilfe eines Spannungsteilers (Widerstand R und Potentiometer P) die gew¨unschten Ausgangsspannungen bereitstellt. Da der einstellbare LM2576 verwendet wird, muss die Spannung am Spannungsteiler abgegriffen und auf den Feedback-Pin gef¨uhrt werden. Um den LM2576 im aktiven Modus zu betreiben, muss der entsprechende ON/OFF-Pin auf Masse gezogen werden, was dann eintritt, wenn der Bipolartransistor Q1 des Undervoltage-Lockouts einschaltet.
Nachfolgend ist in Tabelle 6 die Dimensionierung der Bauteile f¨ur alle drei Kan¨ale gegeben.
Bauteil 3.3 V-Kanal 5 V-Kanal 12 V-Kanal CIN 100µF 100µF 100µF
CIN wird so gew¨ahlt, wie es im Datenblatt vorgegeben ist. Die Diode muss so gew¨ahlt werden, dass die Durchbruchspannung mindestens 1.25 mal so groß ist wie die Eingangsspannung von 15 V und das Vorw¨artsstromrating mindestens 1.2 mal so groß ist wie der maximale Load-Strom. Die Spule wurde ¨uber die Abbildung 84 bestimmt. Die n¨otige Formel daf¨ur ist in Gleichung 5 ( [12]
S. 23) dargestellt. F¨ur eine stabile Funktionsweise wird COU T mit der Gleichung 4 ( [12] S. 23) berechnet. Ein gr¨oßerer Kondensator verringert dabei den Ripple, ist jedoch auch tr¨ager als ein kleinerer Kondensator. Beim Spannungsteiler ist die Vorgabe vom Datenblatt, dass der Widerstand zwischen 1 kΩund 5 kΩliegen soll. Der einstellbare Widerstand des Potentiometers ergibt sich dann
¨uber die Gleichung 6 ( [12] S. 22). Der Gesamtwiderstand des Potis muss dementsprechend gr¨oßer gew¨ahlt werden.
RT eilwiderstand,P oti =R·(VOU T Vref
−1), mit Vref =1.23 V (6)
Abbildung 84: Wahl der richtigen Spule ( [12] S. 21)
In Abbildung 85 ist die in Eagle aufgebaute Schaltung mit allen drei Ausg¨angen zu sehen.
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Abbildung 85: Schaltplan f¨ur das Netzteil in Eagle (eigene Abbildung)
Fabio Buchwald
Schaltplan Ladeger¨at
Zum Aufladen der Batteriezellen wird ein CC-CV-f¨ahiges Ladeger¨at ben¨otigt. Das Ladeger¨at besteht dabei aus zwei Teilschaltungen. Die erste Teilschaltung besteht aus dem IC TL494 mit Hochsetzstel-ler, der aus 15 V Eingangsspannung 24 V Ausgangsspannung erzeugt. Die 24 V erh¨alt anschließend die zweite Teilschaltung, dessen Funktion das Umschalten zwischen Konstansstrom und Konstant-spannung sowie das Heruntersetzen der Spannung ist, als Eingang.
Die Schaltung f¨ur das IU-Ladeverfahren ist in den Abbildungen 86 und 87 dargestellt.
Yannik Butzlaff
SpiceOrder 1SpiceOrder 2
Abbildung 86: Teilschaltplan (Hochsetzsteller) f¨ur das Ladeger¨at in Eagle (eigene Abbildung)
Der Hochsetzsteller besteht aus dem MOSFET T3, der Diode D4 und der Spule L, welche den Kondensator C13 auf 24 V aufladen. Der MOSFET wird dabei von den Bipolartransistoren NPN und PNP getrieben. Der TL494 ist ein PWM-Controller und verf¨ugt ¨uber zwei Error-Amplifier, von denen einer daf¨ur sorgt, dass bei einer zu geringen Eingangsspannung durch ¨Uberlastung der Eingangsspannungsquelle (unter 10 V) der MOSFET nicht mehr schaltet, w¨ahrend der zweite f¨ur die Regulierung der Ausgangsspannung zust¨andig ist. ¨Uber die Deadtime-Control wurde ein Soft-Start realisiert, wodurch einer ¨Uberlastung im Einschaltmoment entgegengewirkt wird, indem die Einschaltdauer langsam erh¨oht wird. Die Oszillatorfrequenz wurde auf 25 kHz eingestellt. [56]
Fabio Buchwald
SpiceOrder 1SpiceOrder 2
Abbildung 87: Teilschaltplan (IU-Switch mit Tiefsetzsteller) f¨ur das Ladeger¨at in Eagle (ei-gene Abbildung)
Die Kapazit¨aten C1 und C2 sorgen f¨ur ein reduziertes Eingangsrauschen. D1, L1, C3, C4 und PS1 stellen die typischen Tiefsetzsteller Bestandteile dar. C3 und C4 werden als 2 parallele Kapazit¨aten der Schaltung hinzugef¨ugt, um einen geringeren ESR-Wert (Equivalent-Series-Resistance) in der Gesamtkapazit¨at zu erhalten. Die parallelen Widerst¨ande R1 bis R8 im rechten Teil der Schaltung dienen als Shunt-Widerstand, durch den ein minimaler Strom fließt und ¨uber den somit nur ei-ne geringe Spannung abf¨allt. Um Einfluss auf den Feedback-Pin zu haben, muss diese Spannung verst¨arkt werden, was mit dem Operationsverst¨arker IC1 realisiert wird. Dabei handelt es sich um einen Nicht-Invertierenden Verst¨arker. REG1 sorgt f¨ur eine feste 9 V Versorgung an dem IC1. Das Potentiometer (Poti-I) regelt die Verst¨arkung und bestimmt somit den Ausgangsstrom. Poti-U re-gelt hingegen die Ausgangsspannung. Die Diode D2 blockiert die Feedback Spannung zum IC1. Die Kondensatoren C5, C6, C7 und C15 sind zur Verminderung des Rauschens angelegt. [57]
Yannik Butzlaff
8.3.3 Layout Layout Netzteil:
In der Abbildung 88 ist das Boardlayout f¨ur das Netzteil dargestellt.
R16
Abbildung 88: Boardlayout des Netzteils in Eagle (eigene Abbildung)
F¨ur das Layout seien folgende Regeln zu beachten:
•Leitungen, die mehr als 1 A Strom f¨uhren, m¨ussen wegen ihren Widerstand dicker oder ein Polygon sein, um nicht zu schmelzen.
•Eingangkondensator m¨oglichst nahe an den LM2576-Adj ( [58] S:1)
•Die Schottky-Diode m¨oglichst nahe an den LM2576-Adj und moglichst weit weg von mag. Quellen (zB. von der Spule)( [58] S:5)
•Feedbackleitung und Poti weit weg von der Spule( [58]S:7), um keine St¨orung, die sich auf die Ausgangsspannung auswirkt und destabilisiert, and den Signalen der R¨uckkopplung zu erhalten.
•unter der Spule soll sich keine Masse befinde( [58] S:5).
•Ausgangkondensator weit weg von Eingangkondensator mit mindestens 1 cm( [58]S:3), um keine hochfrequenten Signale des Eingangs zum Ausgang zu leiten.
M. Tarek Al Dakkak
F¨ur den 15 V Eingangsspannungsbereich wurde ein großes Polygon auf Bottom verwendet, das gleich ungef¨ahr ein Viertel der Polygonfl¨ache ist. Dadurch werden alle drei Kan¨ale mit genug Strom versorgt, ohne das Polygon zu schmelzen. Danach wurde ein Ground Polygon erstellt, das gleich so groß wie die Platine ist, damit alle Bauteile ganz einfach mit Ground verbunden werden k¨onnen.
Da das Ground Polygon auf Bottom von Leitungen unterbrochen wurde, wurde auch ein Ground Polygon auf Top erzeugt. Die beiden Ground Polygone sind miteinander mittels viele Vias ver-bunden. Weil der Ausgangsstrom großer als der Eingangsstrom in einem Tiefstzsteller ist, wurden in den drei Kan¨ale Polygone zwischen dem IC und der Spule, und zwischen der Spule und dem Ausgangskondesator, verwendet. Die Leitungen, die zum Ausgang(Bus) gehen, sollen auch so groß wie m¨oglich sein. Deshalb wurde bei dem 12 V Kanal ein Polygon, bei dem 5 V Kanal ein 2.5 breite Leitung und bei dem 3.3 V Kanal ein Leitung mit Breite 1 verwendet. Es wurde auch beachtet, dass alle Leitungen, die mit den Bauteilen und dem Bus verbunden sollen, auf Bottom stehen. Der Grund daf¨ur ist, dass die Bauteile auf Bottom gel¨otet wurden. Es wurden auch Messpins entlang Leitungen und Polygone platziert, damit belibige Spannungen einfach gemessen werden k¨onnen.
Llambro Kokedhima
Layout Ladeger¨at:
Abbildung 89 zeigt das Boardlayout des Ladeger¨ats in Eagle. Dabei ist auf ausreichend dicke Lei-tungen (Polygone) f¨ur den Hoch- als auch f¨ur den Tiefsetzsteller zu achten. Weiterhin sollte darauf geachtet werden, dass das TSS-Polygon (zwischen D1, L1 und PS1) m¨oglichst nahe an dem ent-sprechenden LM2576-Pin liegt. Die Feedbackleitung muss m¨oglichst weit weg von Leitungen mit hohen Frequenzen gehalten werden, damit sich diese Frequenzen nicht auf den Feedback auswirken.
C1
Abbildung 89: Boardlayout f¨ur das Ladeger¨at in Eagle (eigene Abbildung)
Fabio Buchwald
8.3.4 Platine Platine Netzteil:
Die fertige Platine ist in Abbildung 90 zu sehen. Bei dem Prozess des Bohrens muss man sich an die Dimensionen der Bauteilpins halten. Außerdem muss beim l¨oten darauf geachtet werden, dass keine Kurzschl¨usse zwischen den Bauelementen oder Polygonen entstehen.
Abbildung 90: Platine des Netzteils
Beim Testen der Platine wurden die in der Tabelle 7 festgehaltenden Werte aufgenommen.
Werte 3.3 V-Kanal 5 V-Kanal 12 V-Kanal
Ausgangsspannung 3.22 V 5.10 V 12.3 V
Ripple der Ausgangsspannung 80 mV 400 mV 400 mV
Ausgangsstrom 0.91 A 1.86 A 2.588 A
Ausgangsleistung 2.930 W 9.486 W 31.832 W
K¨uhlk¨orper-Temperatur 32.4◦C 41.3◦C 65.5◦C Temperatur der Lastwiderstand 63.9◦C 98.3◦C 228.4◦C
Tabelle 7: Testmessungsergebnisse der Netzteil-Platine
Die gesamte Ausgangsleistung berechnet sich dann zu 44.25 W, w¨ahrend die Eingangsleistung 53.71 W bei einem Strom von 3.58 A und einer Spannung von 15.02 V betr¨agt.
Damit berechnet sich der Wirkungsgrad nach Gleichung 7 zu 82.39%.
η = Ausgangsleistung
Eingangsleistung = 44.25 W
53.71 W =82.39% (7)
Unter Volllast ¨andert sich die Ausgangsleistung wie Gleichung 8 zeigt.
12.3 V·3 A+5.1 V·2.5 A+3.22 V·1 A=52.87 W (8) Geht man vom worst-case-Fall aus (80%Effizienz), so betr¨agt die mindestens ben¨otigte Eingangs-leistung 66.09 W, die beinahe den 67 W entspricht.
Der Wert der Effizienz liegt im dem Bereich, den auch das Datenblatt angibt und in der Abbildung 91 gezeigt wird.
Abbildung 91: Effizienz des Netzteils ( [12] S. 9)
Mit den Ausgangsspannungen 12 V, 5 V und 3.3 V kommt man auf die folgenden Wirkungsgrade:
•zwischen 70%und 75%f¨ur 3.3 V-Kanal
•zwischen 77%und 80%f¨ur 5 V-Kanal
•zwischen 80%und 87%f¨ur 12 V-Kanal
Basierend auf der Tatsache, dass die Leistung zwischen den drei Kan¨alen nicht gleich geteilt wird und der 12 V-Kanal die meiste Ausgangsleistung wandelt (ca. 71.9% der Ausgangsleistung), kann
man die Effizienz, die ca. 82.4% betr¨agt, als eine gute N¨aherung verwenden.
M. Tarek Al Dakkak
Platine Ladeger¨at:
Die Platine f¨ur das Ladeger¨at besteht aus zwei Teilschaltungen, welche nebeneinander auf der Pla-tine angeordnet sind. Die PlaPla-tine beherbergt sowohl den vom TL494 angesteuerten Hochsetzsteller als auch den nachfolgenden LM2576 gesteuerten Tiefsetzsteller, welche beide zur Dimensionierung und Umsetzung des I-U-Ladeverfahrens ben¨otigt werden. Der Produktions- und Aufbauprozess lief dank der sorgf¨altigen Entwicklung in Eagle, reibungslos ab. Bis auf die etwas gr¨oßere Spule, wie auch bei dem Ladeger¨at, konnten alle Bauteile der Schaltung problemlos hinzugef¨ugt werden. Die Bordanschl¨usse im rechten Teil der Schaltung sind obsolet und dienen lediglich der Befestigung.
Nachdem beim ersten Testverfahren ein zu geringer Ausgangsspannungswert von 13 V - ben¨otigt werden 21 V Batteriespannung - ermittelt wurde, wurde nach Neuberechnungen das zu klein di-mensionierte 10 kΩ Potentiometer mit einem neuen 50 kΩ Potentiometer ersetzt, welches nun die gew¨unschte Spannungsversorgung am Ausgang kalibriert.
Yannik Butzlaff
8.3.5 Zusammenfassung
Es wurden zwei Schaltungen - ein Netzteil und ein IU-Ladeger¨at - mit LTspice simuliert, mit Eagle erstellt und anschließend als Platine aufgebaut und getestet. Das Netzteil liefert f¨ur die folgen-den Schaltungen 3.3 V, 5 V und 12 V. Das Ladeger¨at kann die Batterien der Batteriemanagement-Gruppe mit einem konstanten 0.5 A Strom versorgen, bevor mit Erreichen der Ladeschlussspannung auf eine konstante Spannung (21 V) gewechselt wird. Sowohl Netzteil als auch Ladeger¨at erhalten dabei als Eingangsspannung die 15 V des verf¨ugbaren Netzteils.
M. Tarek Al Dakkak