KSQ mit bis zu 5A - XL3005

  • Hallo,


    hier ein neuer Versuch,für eine "dicke" KSQ, die bis maximal 5 Ampere liefern kann und somit auch in der Lage ist, solche "Brummer", wie die Osram Ostar Stage LE RTDUW S2W, oder die Cobra 25, hier aus dem Shop, richtig auszureizen.

    Die Wahl fiel auf den chinesischen IC XL3005 von XL Semi.

    http://www.xlsemi.com/datashee…5%20datasheet-English.pdf

    Dieser ist zum einen vom Gehäuse her recht handlich mit TO263, zum anderen kostet er aus China nur ein paar Cent und mit 220 KHz Schaltfrequenz ist er auch noch einigermaßen handhabbar. Dazu kommen lediglich 0,22V Drop über den Shut.

    Ich habe mir mal 10 Stück geordert und ein Board entworfen und in China fertigen lassen.

    Das Ganze ist SMD mit bedrahteten Bauelementen, wo es Sinn macht. Die 5A Drossel und die Elkos habe ich bewusst als bedrahtete Variante gewählt, da sich diese so besser bestücken lassen.

    Zunächt hatte ich nur einen einzigen 0,22 Ohm Widerstand bestückt um zunächst mal mit unbedenklichen 1 Ampere zu starten. Leider mutierte das Zeil zum Knallfrosch und es sprengte das IC :/

    Nach kurzer Suche fand ich dann den Grund, und der war kein Guter!

    Mein Entwurf hatte einen ganz fiesen Bug, der sich auch nicht mal eben schnell fixen ließ. Pin 3 des XL3005 (der Ausgang) lag auf Masse, da ich über die Thermal Via's die Kühlfahne mit Masse verbunden hatte. Das mochte er nicht 8o

    Nur war es hier nicht so einfach, einfach getan, mit einem Leiterzug zu durchtrennen und den umzuverdrahten. Das IC muß gekühlt und trotzdem isoliert montiert werden und die restlichen Schaltungspunkte mit Masse verbunden bleiben, damit der Schaltregler noch vernünftig arbeitet.

    Für den Prototypen habe ich eine Lösung gefunden. Die Massefläche habe ich an strategisch günstiger Stelle durchgedremelt, den Masseleiterzug vom Eingangselko durchtrennt, Pin 1 (Masse) abgelötet und hochgebogen, genau wie die 2 Beine der Schottky Diode. Den 1µF Kerko über der Betriebsspannung des IC habe ich abgelötet und hochkant gestellt. Masse habe ich dann mit 1 Quadrat Litze auf kürzestem Weg vom Elko auf alle hochgebogenen Pins gelegt und im hinteren Teil auf die Durchkontaktierung unter den Shuts.

    Diesmal startete ich mit einer kleinen 12V 1A Wandwarze, die nicht soviel Kollateralschaden anrichten kann :saint:

    Siehe da, die Schaltung gab lebenszeichen von sich, nichts wurde warm und das Multimeter zeigte ziemlich genau 1 Ampere Strom auf der LED Leitung. Also bestückte ich stufenweise weitere 0,22 Ohm Widerstände. Jeder erhöhte den Ausgangsstrom um ein weiteres Ampere. Bei 3 Ampere ist bei diesem Provisorium die momentane Grenze, wo er instabil wird.

    Nach dem Wochenende fahre ich erst mal in den Urlaub. Danach werde ich mir noch die Dimm-Option vornehmen.

    Da das IC keinen Dimm - Pin besitzt, wurde im Datenblatt auf einen Kunstgriff zurückgegriffen und das Potential des Kontenpunktes der Messwiderstände verschoben.

    Der Pferdefuß an der Sache ist, das der Spannungsteiler auf den Logikpegel des steuernden µC angepasst werden muß. Also 3,3 oder 5V. Wenn das Prinzip so funktioniert, werde ich das Ganze mit einem kleinen Schalttransistor entkoppeln und mir eine Referenzsspannung auf der KSQ erzeugen, so das über den Transistor dann der Dimmeingang per PWM pegelunabhängig funktioniert. Wenn das der Fall ist, wird ein neues Board designt und bestellt und dann wird erneut getestet.

    Hier mal ein Bild vom Testaufbau. Ich habe 4 Stck Toshiba LEDs auf Starplatinen auf dem KK parallelgeschaltet, um die entsprechenden Ströme umsetzen zu können.

    Wenn das Ganze auf der nächsten Platine stabil läuft und safe ist, dann kommt auch die Cobra 25 zum Einsatz. Die habe ich vorsorglich schon geordert 8)



  • Ich bewundere deine Einsatz hierbei. Die Drossel kann 220kHz?

    Als Last kannst du auch eine Mosfetschaltung einsetzen (gab es hier irgendwo mal, müsste ich suchen). Den Mosfet auf einen KK, dann sind da genügend Watt verheizbar im Testeinsatz.


    Ich würde mir für den Einsatz mit teuren LEDs eher nach einem fertigen Modul mit XL4015 und Strombegrenzung schauen. Den chinesischen Entwickler vertraue ich da mehr als mir selber. Aber selber entwickeln ist ganz klar cooler 8)

  • Die Drossel kann 220kHz?

    Die kann DC - 300 KHz lt. Datenblatt

    https://www.tme.eu/Document/5e…0b740a4d552df9f569/27.pdf


    Ich würde mir für den Einsatz mit teuren LEDs eher nach einem fertigen Modul mit XL4015 und Strombegrenzung schauen

    Die XL3xxx (KSQs) und 4xxx (Spannungsregler) werden vermutlich auf dem selben Chipdesign beruhen. Ich habe mir bloß mal flüchtig von XL4015 das Datenblatt angeguckt. Die Kindensatoren sind identisch und die Drossel hat bei der KSQ 100µH und beim Spannungsregler 47µH.

    Die Instabilität bei größeren Strömen kann auch mit der größéren Ub zusammenhängen. Da mein 12V 1A Netzteil bei 3A am Ausgang blinkte, habe ich 24V 2A genommen. Werde das in 3 Wochen mal mit 12V 3,33A verifzieren. Außerdem zirpt im instabilen Betrieb was. Eventuell "lückt" der Schaltregler. Muß ich mal mit dem Oszi gucken.

    Der XL4015 hat eine Referenzspannung von 1,25V, der XL3005 von 0,22V. Gerade bei den Hochstromreglern, wo man meist nur die Flusspannung einer LED hat, wären 1,25V Spannungsabfall am Messwiderstand ziemlich räudig.

    Jedenfalls habe ich bei dem XL ein besseres Bauchgefühl, als bei dem LED2001, den ich nie über 2 Ampere bekommen habe. Selbst wenn es keine 5A werden, aber 4 oder 4,5 würde schon reichen.

    So, jetzt werde ich erstmal in den Urlaub düsen. Wobei ich das Läppi mithabe, sofern ich WLAN und Stom zum Laden habe 8o

  • Das mit der unterschiedlichen Referenzspannung der beiden dachte ich mir fast, und ist ein gutes Argument für den XL3005.

    Da aber Xlsemi nur Applikationsbeschaltung aber keine Referenzdesigns anbietet, würde ich zumindest "Anleihen" von einem fertigen Modul nehmen. Nicht umsonst haben die neben zumeist großflächige Masseflächen und Leiterbahnen auch eine Vielzahl an Vias um die Verbindungen kurz und niederohmig zu halten.


    Viel Spaß. im Urlaub, hoffentlich zirpen da nur die Grillen ^^

  • Es gibt aber von XL Semi ein Demo-Board für den XL3005. Dafür gibt es ein chinesisches PDF.

    Dieses Board gefällt mir vom Format aber eher weniger, da ich dann nur ein Board auf dem preisgünstigen 100x100 hinbekomme. Ich dagegen habe auf 100x100 3 Subboards untergebracht, was sich für RGB anbieten würde. Die Spannungsversorgung der 3 Module hatte ich gleich durchgebrückt, so das bei einem Boardnutzen nur 1x eingespeist werden braucht.

  • So, im Hintergrund bin ich nach wie vor an dem Projekt dran ;)

    Hier ein weiterer Milesone 8)



    Ich habe mit dem alten Board die Dimmbarkeit getestet. Kleiner Schönheitsfehler ist. Das die Spannung des PWM Signales Einfluss auf das Dimmen hat, weil die PWM an einem Kondensator in eine Analogspannung integriert wird und in den Adj Eingang zur Stromregelung des IC mit eingekoppelt wird.

    Ich habe daraufhin mittels Z-Diode meine eigene 5V Referenz erzeugt und über 2 Transistoren vom Pegel des Eingangssignales entkoppelt.

    Nächster Pferdefuß war ein Aufblitzen der LED, wenn man die KSQ bei der Inbetriebnahme am Dim Eingang abgeschaltet hatte. Auch das habe ich gefixt, indem ich das Potential beim Einschalten mit dem 47µ Elko kurzzeitig runterziehe.

    Darauf basierend habe ich einen weiteren Leiterplattenentwurf in China fertigen lassen



    Blöderweise ist mir ein Flüchtigkeitsfehler unterlaufen. Ich habe von den Messwiderständen zur Einstellung des Ausgangsstromes die Verbindung zu den daraunterliegenden Durchkontaktierungen nach Masse vergessen ;(

    Na es gibt Schlimmeres. Was ich auch nicht so prickelnd finde, das die Chinesen den 3er Boardnutzen "netterweise" in Eigenregie zum Vereinzeln geritzt haben. Dadurch ist die durch alle 3 Platinen im Boardnutzen durchgebrückte Spannungsversorgung an der Bruchstelle unterbrochen ||

    Aber durch den Schussligkeitsfehler bedingt, muß ich eh nochmal eine 3. Revision fertigen lassen.

    zuvor will ich aber noch die Dimmfunktion meiner Schaltung testen. Das habe ich zuvor lediglich auf dem Steckbrett an der 1. Version getestet.



    Ich habe mich beim Testen in 1A Schritten vorgetastet, bis zur vollen Ausbaustufe für rechnerisch 5A.

    Als Last habe ich eine Cobra Platine hier aus dem Shop genommen :D

    https://www.led-tech.de/de/Cobra-25-Kupferplatine

    Versorgt wird das Ganze aus einem 24V 2A Schaltnetzteil

    Vom Dimmen Test werde ich zu einem späteren Zeitpunkt gesondert berichten.

  • Und der Bausatz soll kosten? :D


    0-5A - aber welcher Spannungsbereich?

    Könntest du zusätzlich zu den Sense-Widerständen auch noch ein kleines SMD-PoTi anbringen, damit man etwas Varianz hat abseits vom neu einlöten?

    Eine SMD Alternative zu der dicken Spule gibt es wohl nicht?


    Und es ist schön zu sehen, dass dein Basteltisch genauso aufgeräumt ist wie meiner :D

    A Christian telling an atheist he is going to Hell is about as scary as a small child telling an adult they wont get any presents from Santa.

    Bin kein RGB-Freund

  • Und es ist schön zu sehen, dass dein Basteltisch genauso aufgeräumt ist wie meiner :D

    Das gehört so. Sonst findet man ja nicht was man sucht ^^



    Könntest du zusätzlich zu den Sense-Widerständen auch noch ein kleines SMD-PoTi anbringen, damit man etwas Varianz hat abseits vom neu einlöten?

    Typischerweise haben die Sense-Widerstände <1Ohm. SMD-Potis mit dem Wert wären mir nicht geläufig.

  • Das IC kann laut Datenblatt von 8 bis 36V.

    Kondensatoren haben 50V Spannungsfestigkeit. Ich muß mal testen, wie weit vom Spannungshub meine Referenzspannungs fürs Dimmen stabil bleibt. Unter 12V müßte unter Umständen der Vorwiderstand der 5,1V Z-Diode angepasst werden. Habe ich aber mit berücksichtigt und einen 2. Wert mitbestellt.

    Regelbarkeit ließe sich vielleicht machen. Parallel zum niederohmigen Sense-Widerstand ein Poti, als Spannungsteiler. Nur würde dann der Spannungsabfall am (den) Sensewiderständen steigen und damit deren Verlustleistung und der Wirkungsgrad sinken. Mit dem Platz könnte es auch kritisch werden.

    Bausatz ist in Planung, nur muß ich dazu erst ausgiebig testen. Es soll keine "Bananenware" werden :P

    An eine SMD-Induktivität habe ich auch schon gedacht. Nur ergeben sich dadurch wenig Vorteile. Die Panasonic-THT Elkos sind fast genauso hoch, wie der Ringkern. Außerdem ist die Spule der größte Kostentreiber. Die jetztige (preiswerteste) verschlingt rund 2,20€, danach kommen die hochwertigen Panasonic-Elkos. Für eine SMD Induktivität wären nochmal 1-2€ Aufpreis fällig 8|

    Eine 3A Variante wäre sicherlich stressloser mit SMD Spule machbar. Wenn man die Eingangsspannung nicht ausreizen will, wären sicherlich auch flachere Polymer-Elkos möglich.

    Klemmen habe ich die WAGOs im 4mm Raster. Allerdings sind die eher für 1x Zusammenbauen und nicht für den Laborbetrieb geeignet. Darum habe ich bei meiner Testplatine 5mm Raster THT-Schraubklemmen gekippt mit den Stiften parallel zu den Pads aufgelötet :saint:

    Eagle ist da bei kleinen Änderungen in etwa so flexibel, wie eine Brechstange <X

    Bausatzpreis peile ich nen Zehner an. Nur kann ich dafür keine 5€ Drossel verbauen. Dafür kommen mir aber bei den Elkos auch keine "Knallfrösche" aufs Board :D

  • So, ich habe ein bisschen mit dem Modul rumgespielt und es unter verschiedenen Szenarien getestet.


    - der Dim Eingang ist tatsächlich unabhängig vom Eingangspegel. Egal ob ich 3,3V Logik, 5V Logik oder 12V draufgebe, funktioniert er gleichermaßen.


    - Elko C7 (47µ), der das Blitzen beim Einschalten bei High Pegel am Dim Eingang (LED aus) verhindern soll, habe ich auf 4,7µ verkleinert, da Tau ursprünglich um die 2 Sekunden rum beträgt und so die LED somit ziemlich träge reagiert.

    Je kleiner dieser Kondensator, desdo schneller reagiert die LED mit Stromänderungen. Wenn das kurze Aufblitzen nicht stört, kann man ihn auch weglassen.


    - Ich habe jetzt rausgefunden, warum der Ausgangsstrom bei rechnerischen 5A ca. 5% geringer ausfällt. Bei 1A stimmt er noch sehr genau.

    Ursache ist, das das IC keine getrennte Analog-Masse und Power-Masse hat. Obwohl ich die Leistungsleiterzüge breit und mit vielen Vias versehen habe, wo ich die Lage wechsele, habe ich bei Vollast 10 mV Potentialdifferenz zwischen IC Pin 1 GND und Masse unmitttelbar am Sense Widerstand.

    Das mag erstmal nicht nach viel klingen, aber bei 220 mV Spannungsabfall am Sense Widerstand habe ich ziemlich genau meine 5% Abweichung ;)

    Wenn man weiß, wo es herkommt, kann man das bei der Dimensionierung des Messwiderstandes mit berücksichtigen


    - weiterhin bekommt man unter Vollast ohne Kühlung thermische Probleme, das das IC nach wenigen Sekunden den Strom auf ca. 3,5 Ampere runterfährt. Ich habe auf die Rückseite der Platine mit doppelseitigen Thermoklebeband mal provisorisch einen kleinen Rippenkühlkörper mit 37x30x13 mm draufgepappt. Damit bekomme ich stabil den Maximalstrom auf Dauer raus. Allerdings pegelt sich die Oberflächentemperatur des KK nach mehrenen Minuten auf 60°C ein. Ich werde das noch mit BGA Chipsatzkühlkörpern testen. Deren aktive Oberfläche besitzt statt Rillen, Stifte und ist dadurch größer.

    Es ist natürlich blöd, das die Bauelemente auf der Bestückungsseite Platz benötigen, die plane Fläche für den KK aber auf der Rückseite ist. Platzmäßig wäre oben besser.

    Ich werde testen, ob ich mit einer Kombination aus 2 kleinen Chipsatz-KK auf IC und Schottky-Diode und einem flachen KK für die Rückseite das Ganze noch platzmäßig optimieren kann.

    Außerdem werde ich testen, mit welchem Maximalstrom die KSQ ungekühlt noch stabil arbeitet. Ich schätze, das wird bis 3 Ampere Dauerstrom der Fall sein.


    Gebt mal bitte Rückmeldung, für welche Ströme da Bedarf besteht. KK und "dicke Drosseln" sind die hauptsächlichen Kostentreiber.

    Eine platz- und kostenoptimierte Variante für 2,5 oder 3 Ampere sollte möglich sein.

  • Bis 3A ist zumindest für mich am Praxisnähesten.

    Mehr knallt man eher selten in eine LED, da nimmt man dann doch eher höhere Spannungen und weniger Strom.


    Ich hätte übrigens Bedarf für einen Boost-Treiber.

    24V rein, bis 60V oder so raus - also nur, wenn du nichts zu tun hast :D

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  • Surprise, Surprise, XL6006, ein StepUp mit Input 12 bis 36V und Ausgangsspannung bis 60V und maximalem Eingangsstrom von bis zu 5A, sind 20 Exemplare vom Chinamann aufgeschlagen.

    Das ist quasi der Bruder zum XL3005. Ich hoffe, die Leiterplatte mit geringen Änderungen anpassen zu können.

    Wenn ich mit den Tests des 3005 durch bin, erstelle ich auch eine Version für den 6006 ;)

  • Kann es so viel Zufall geben?

    Das ist ja großartig. Die Suche nach Netzteilen über 36V ist eine Qual, aber die 12-24V bekommt man beim Pollin nachgeworfen.

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  • 24V 10A Hutschienenetzteile fallen bei Verschrotten von alten Anlagen an, so das ich die zum Nulltarif kriegen kann.

    eine 100W LED sollte sich mit so einem StepUp betreiben lassen von 24V aus.

    Aber eins nach dem anderen ;)

  • So, ich habe mal wieder 2 Muster aufgebaut, die ich nach Strich und Faden "gefoltert" habe und dabei Messreihen aufgenommen habe.




    Angefangen habe ich mit der 3A Variante. Darauf ist eine 100µH 3A Induktivität von Ferrocore verbaut. Typ DTPU100A3.

    Die 3A Ausgangsstrom stimmen sehr gut. Allerdings bricht nach mehreren Sekunden der Ausgangsstrom um ca 200 mA ein. IC und Schottkydiode werden spuckheiß. Die Messung mit dem Digitalthermometer ergibt rund 60°C Oberflächentemperatur. Nach den Aufkleben eines kleinen KK auf jeweils beide Bauteile sinkt der Strom gerade noch um 15 mA und die Temperatur pendelt sich auf knapp 40°C ein.

    Ohne C7, den Elko, der das Einschaltblitzen verhindert, zwitschert der Regler ziemlich hässlich im Ultraschallbereich. Mit 4,7µF erfüllt er seinen Zweck und der Regler ist mucksmäuschenstill :thumbup:


    Die 5A Variante ist mit einer 100µH 8A Indukitvität von Feryster Typ DTMSS-27/0,1/8.0-V aufgebaut. Die kleinen KK auf IC und Schottky habe ich gleich draufgepappt. Der Strom startet mit 5,17A, bricht aber schnell auf rund 4,4A ein.

    Also kommt auf die Unterseite des Boards noch ein 31x31x6 mm BGA KK von Fischer. Nach einer Einlaufzeit von mehreren Minuten errecht der KK 52°C und der Ausgangsstrom 4,83A.

    Nach dem Austausch gegen ein 31x31x10mm Modell erreiche ich nach dem Burn in 49°C und 4,86A



    Kamera und die gemultiplexte LED Anzeige haben so ihre Problemchen miteinander :P

    Und noch ein weiteres Detail fällt mir negativ auf. Der Eingangs-Siebelko wird recht heiß, der Ausgangselko dagegen bleibt kühl.

    Der Eingangselko ist ein Panasonic EEUFC1H221 220µF/50V. Nach Konsultation des Datenblattes hat das Teil 90 Milliohm Innenwiderstand.

    Der Ausgangselko ist ebenfalls ein Panasonic, aber ein EEUFM1H331L 330µF 50V - der hat bloß 22 Milliohm, lt DB.

    Also versuchsweise mal einen der 330µ an den Eingang, statt des 220'ers gesetzt und wieder Testlauf... Surprise, Surprise, jetzt bleibt auch der Eingangselko handwarm 8)


    So langsam näheren wir uns dem Punkt, wo man das Teil langsam "anbieten" kann. :D

    Allerdings werde ich dazu noch geringe Anpassungen am Board vornehmen. Die weiter oben angesprochene fehlende Verbindung zwischen Messwiderständen und Masse und dann werde ich die 4mm Wago-Klemmen runterschmeißen und durch 5,06mm normale Schraubklemmen ersetzen. Der Platz gibt das her, da die Elkos etwas schmaler um die Hüfte sind. :S

  • Der Eingangselko ist ein Panasonic EEUFC1H221 220µF/50V. Nach Konsultation des Datenblattes hat das Teil 90 Milliohm Innenwiderstand.

    Der Ausgangselko ist ebenfalls ein Panasonic, aber ein EEUFM1H331L 330µF 50V - der hat bloß 22 Milliohm, lt DB.

    Also versuchsweise mal einen der 330µ an den Eingang, statt des 220'ers gesetzt und wieder Testlauf... Surprise, Surprise, jetzt bleibt auch der Eingangselko handwarm 8)

    Dieser Unterschied erstaunt mich. Kannst du den ESR auch selber messen? Mein Cs aus der Grabbelkiste haben nämlich alle kein Datenblatt :D

  • Nö, kann ich nicht. Aber die Relation macht schon Sinn. Der Messwiderstand hat 5x 220 Milli parallel. Das macht 44 Milliohm Gesamtwiderstand. Bei 5 Ampere fallen daran 1,1 Watt ab.

    Der Innenwiderstand vom "Hitzkopf" ist in etwa doppelt so groß. Auch wenn die Impulsströme nicht die ganze Zeit fließen, ist das schon ordentlich. Über die Leiterzüge wird er auch keine Wärme los, sondern wird eher noch mehr aufgeheizt. Die rund 50° heißen KK sind ebenfalls in der Nähe. Ist nicht schön, aber vom Design her nicht zu ändern. Die Schleife der akiven Teile im Schaltregler soll ja so klein wie möglich sein.

    Entspannung würde allenfalls noch die Verdoppelung der Dicke der Leiterzüge von Standard 1 Unze auf 2 Unzen bringen. Damit schnellt aber der Preis der Leiterplatte wiederum hoch :rolleyes:

    Es ist ja lediglich beim 5 Ampere Worst Case Szenario, wo das zum Problem wird. Bei 3A Ausgangsstrom tun es auch noch die 90 Milliohm Elkos. Man könnte auch mehrere kleine Elkos parallel schalten. Das ist gute schaltungstechnische Praxis. Deren Innenwiderstände bilden eine Parallelschaltung und sind geringer, als die von einem einzigen Großen. Weiterhin ist das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bei mehreren kleinen günstiger, so das mehr Wärme abgeführt werden kann.

    Nur reicht dann nicht mehr der Platz und ich könnte keine 3 Subboards auf 100x 100mm, der "subventionierten" Fertigungsgröße , unterbringen :saint: