Hallo Forenten und Stromversorgungspfleger
Ich möchte Euch an einigen Erfahrungen mit einer Stromversorgung für ein Motherboard teilhaben lassen.
Netz -> Lenovo 16V/4.5A-Laptop Schaltnetzteil -> Längsregler 12V -> PicoPsu
respektive
Netz -> Lenovo 16V/4.5A-Laptop Schaltnetzteil -> Serien-L -> Längsregler 12V -> PicoPsu
Bild 1: Aktueller Stand des Prototypen mit Schaltnetzteil, Drossel (s.u.), Längsregler und PicoPSU
Das Schaltnetzteil und der Längsregler stammten wie viele andere Komponenten dieses Projekts aus der Wühlkiste.
Schaltungdetails:
Der Längsregler ist ein LM317, gemäss TI-Datenblatt bestückt:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm117.pdf. Da die spezifizierten 1.5A Ausgangsstrom für einen PC nicht ausreichen, habe ich eine zusätzliche Beschaltung mit einer CFP-Leistungstransistorenbeschaltung gemäss Fig. 39 des besagten Datenblatts vorgenommen.
R1=2.2 Ohm parallel mit 6.8 Ohm ist so gewählt, dass konstant 350mA durch den LM317 fliessen (gemäss Fig. 19 des Datenblatts ist dies der optimale Strom mit der höchsten Ripple-Unterdrückung)
R2=100R (gemäss den Werten der CFP's der Endstufen von Douglas Self)
R3=100R (gemäss den Werten der CFP's der Endstufen von Douglas Self)
R4=240R
R5=1k2 / 33K parallel
C1=3.9mF
C2=22mmF
C3=220mmF
2N2905 -> MJE15031 (Wühlkistenwahl)
3*LM195 -> MJL4281A (Wühlkistenwahl)
Für die Abwärme des LM317 genügt ein kleiner Kühlkörper. Für den MJL4281 habe ich einen ausrangierten Intel-CPU-Kühler huckepack auf den CPU-Kühler des Mainboards montiert. Der MJE15031 wird ohne weitere Massnahmen kaum lauwarm.
Ich habe versuchsweise C2 mit 2.2mF bewusst massiv überdimensioniert. Mit dem Resultat, dass das Ganze wild oszillierte. Auf dem Datenblatt sind 10mmF eingetragen, hatte ich aber nicht. Mit 22mmF aus der Wühlkiste läuft alles sehr stabil.
Messwerte I - DC:
Das Ganze funktoniert sehr hübsch und erwartungsgemäss.
Zunächst einmal die Dyynamik der Gleichspannungen am Ausgang des Schaltnetzteils, am Ausgang der Linearreglerplatine und am Molex-Stecker des Pico-PSU. Ausgemessen wurde der Boot-Vorgang von Win 8.1 vom Einschalten des PC bis zum ruhenden Desktop:
Ausgang Lenovo Schaltnetzteil:
V_out_PC_ausgeschaltet=16.432V
V_out_min=16.369V
V_out_max=16.400V (ruhender Desktop)
V_out_delta_min_max=63mV
Ausgang der Platine mit dem Längsregler:
V_out_PC_ausgeschaltet=12.085V
V_out_min=12.087V
V_out_max=12.082V (ruhender Desktop)
V_out_delta_min_max=5mV
Molex-Stecker des Pico-PSU:
V_out_min=12.011V
V_out_max=12.050V (ruhender Desktop)
V_out_delta_min_max=39mV
Eigentlich macht der Strom-geboostete LM317 seine Arbeit hervorragend. Überrascht hingegen hat der unerwartet grosse Unterschied der Spannungsschwankungen direkt am Ausgang der Linearreglerplatine und am Molex-Stecker des Pico-PSU.
Messwerte II - AC-Komponente:
Dann noch was zum schlechten Ruf der Schaltnetzteile. Wie steht es nun damit in der vorliegenden Bastelei?
![Bild](http://abload.de/thumb/2_in_direkt_c7s5c.jpg)
Bild 2: Spannung am Ausgang des Lenovo-Schaltnetzteils, resp. beim Eingang der Linearregler-Platine beim ruhenden Desktop (Zeitachse 0.1ms/Div, Amplitude 50mV/Div, Bandbreite 20MHz).
Das Schaltnetzteil taktet mit einer Grundfrequenz von ca. 10kHz. Der hochfrequente Ripple beträgt ca. 50mV.
Bild 3: Spannung am Ausgang der Linearregler-Platine bei direktem Anschluss des Schaltnetzteils am Linearregler (d.h. ohne ein dazwischen eingefügtes Serien-L als passives Tiefpassfilter).
Erwartungsgemäss schlagen vor allem hochfrequente Anteile des Ripples durch, da der LM317 sein Maximum an Unterdrückung bei 120Hz aufweist und für höheren Frequenzen zunehmend weniger effizient ist (Fig. 18 des Datenblatts). Das Lenovo-Schaltnetzteil taktet zwar "bloss" mit 10kHz, wo der LM317 eine bestmögliche Unterdrückung von noch 70dB aufweisen sollte. Aber es handelt sich nicht um 10kHz Sinus, sondern um ein "eckiges" Signal mit zahlreichen harmonischen Oberwellen wohl bis weit in den MHz-Bereich, wo der LM317 Störungen nicht mehr effizient unterdrückt.
Bild 4: Spannung am Ausgang des Molex-Steckers beim selben Setup (Wie in Bild 3 ohne Serien-Induktivität resp. Tiefpassfilter, Zeitachse 0.1ms/Div, Amplitude 50mV/Div, Bandbreite 20MHz).
Die Aktivität von Motherboard und Pico-PSU einerseits und die Kabelinduktionen andererseits verursachen ca. 50mV höherfrequente Schweinigeleien.
Bild 5: Spannung am Eingang der Linearreglerplatine, nachdem eine Serien-Induktivität (0.27mH / 0.15R), d.h. ein Tiefpassfilter zwischen Schaltnetzteil und Linearregler-Platine eingefügt wurde (Zeitachse 2ms/Div, Amplitude 50mV/Div, Bandbreite 20MHz).
Die Serien-Induktivität mit dem Eingangselko (3.9mmF) des Linearreglers wirken als Tiefpass 2.Ordnung. Die Ausgangsspannung ist nun frei von den Schaltartefakten des Schaltnetzteils, doch es zeigt sich nun eine überlagerte Störung, welche in etwas dem Netzbrumm entspricht.
Bild 6: Resultat am Ausgang der Linearreglerplatine (Version mit Tiefpassfilter gemäss Bild 5).
Bingo.
Bild 7: Spannung am Ausgang des Molex-Steckers, selbes Setup wie in Bild 5 und 6 (Zeitachse 0.1ms/Div, Amplitude 50mV/Div, Bandbreite 20MHz).
Die Störungen sind mit jenen wie in Bild 4 praktisch identisch.
Bild 8: Ditto, mit 10-fach gestreckter Zeitbasis
Fazit:
- Es kann sich durchaus lohnen, in die Wühlkiste zu greifen, um sich ein taugliches, kleines PC-Netzteil aufzubauen (räusper... nachdem man sich ein PicoPsu besorgt hat).
- Aufgrund der hochfrequenten Störanteile eines Schaltnetzteils sollte an dessen Ausgang ein passives Tiefpassfilter geschaltet werden (Das ist an und für sich nichts Neues; es wurde hiermit bloss nochmals bestätigt).
- Eine stabile Stromversorgung eines Motherboards garantiert keine AC-minimierte Versorgung der Komponenten (Auch dies ist eigentlich eine Binsenwahrheit).
Vergnügt-bastelnde Grüsse
Simon