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🇬🇧 [English](README.md) | 🇩🇪 Deutsch
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# Auslegung: 12V auf 3.3V Step-Down mit SY8120IABC
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Dieses Dokument beschreibt das Design eines hocheffizienten, synchronen DC/DC-Abwärtswandlers. Es ist eine moderne Alternative zu älteren Designs wie dem TPS5430.
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## 1. Design-Ziele
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* **Eingangsspannung ($V_{in}$):** 12V (Bereich 10.5V - 14V)
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* **Ausgangsspannung ($V_{out}$):** 3.3V
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* **Ausgangsstrom ($I_{out}$):** Ausgelegt für ca. 0.5A, mit Reserven bis 2A.
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* **Kernbaustein:** Silergy SY8120IABC (Synchron, 1MHz, bis 18V, 2A)
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* **Ziele:** Hohe Effizienz, kompaktes Layout, minimale Anzahl externer Bauteile (keine externe Diode).
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## 2. Auslegung der Bauteile
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Die Berechnung der externen Komponenten basiert auf dem [Datenblatt des SY8120IABC](doc/SY8120I.pdf).
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### a) Feedback-Widerstände (R1, R2) - Optimiert für "Basic Parts"
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Um gängige und kostengünstige "Basic Parts" von JLCPCB zu verwenden, werden Widerstände aus der E24-Reihe gewählt. Das Ziel ist, das für ca. 3.3V benötigte Spannungsverhältnis möglichst genau zu treffen.
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Die Referenzspannung ($V_{FB}$) des SY8120IABC beträgt **0.6V**.
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Eine exzellente Kombination, die als "Basic Part" verfügbar ist, lautet:
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* **`R1` (oberer Widerstand) = 120 kΩ**
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* **`R2` (unterer Widerstand) = 27 kΩ**
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Die resultierende Ausgangsspannung berechnet sich damit wie folgt:
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$V_{out} = 0.6V \times (1 + \frac{R1}{R2}) = 0.6V \times (1 + \frac{120kΩ}{27kΩ}) \approx \mathbf{3.27V}$
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Diese Ausgangsspannung ist ideal und für alle Zielkomponenten absolut sicher.
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### b) Induktivität (L1)
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Durch die hohe Schaltfrequenz von 1 MHz kann eine physisch kleine Spule mit geringerer Induktivität verwendet werden. Das Datenblatt empfiehlt Werte im Bereich von 2.2µH bis 10µH.
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* Wir wählen einen Wert von **`L1 = 4.7 µH`**.
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* **Wichtig:** Der Sättigungsstrom ($I_{sat}$) muss über der Strombegrenzung des ICs liegen (ca. 3A). Eine Spule mit **$I_{sat} > 3A$** wird gewählt.
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### c) Kondensatoren (C1, C2, C3)
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* **Eingangskondensator (C1):** Ein **`10µF / 25V`** Keramikkondensator (0805) ist ausreichend, um die Eingangsspannung zu stabilisieren.
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* **Ausgangskondensator (C2):** Ein **`22µF / 10V`** Keramikkondensator (0805) wird für eine stabile Ausgangsspannung mit geringem Ripple empfohlen.
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* **Bootstrap-Kondensator (C3):** Wie im Datenblatt spezifiziert, wird ein **`100nF`** Kondensator zwischen die Pins BOOT und SW geschaltet.
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*(Anmerkung: C1 und C2 können für eine vereinfachte Stückliste auch durch den gleichen `22µF / 25V` Kondensator ersetzt werden.)*
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## 3. Finale Stückliste (BOM) für LCSC/JLCPCB
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Diese Liste wurde auf Verfügbarkeit geprüft (Stand: 24. Juni 2025).
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| Bauteil (Ref) | Wert | LCSC Part # | Gehäuse | JLCPCB Status | Hinweis |
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| **U1** | **SY8120IABC**| `C479076` | SOT23-6 | Extended Part | Synchroner Step-Down Regler. |
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| **L1** | **4.7 µH** | `C520348` | 5x5mm | Extended Part | Ceaiya CR5040-4R7M 4.7uH, 3.5A sat, 30mΩ. |
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| **C1 (Eingang)**| **10 µF, 25V** | `C15850` | 0805 | Basic Part | Samsung CL21A106KAYNNNE. So nah wie möglich an VIN/GND des ICs. |
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| **C2 (Ausgang)**| **22 µF, 10V** | `C45783` | 0805 | Basic Part | Samsung CL21A226MAQNNNE. Nah am Ausgang der Spule platzieren. |
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| **C1 & C2 (Alternative)**| **22 µF, 25V** | `C45783` | 0805 | Basic Part | Samsung CL21A226MAQNNNE. Platzierung siehe **C1** und **C2** oben. |
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| **C3 (Bootstrap)**| **100 nF, 16V** | `C1525` | 0402 | Basic Part | Yageo CL05B104KO5NNNC. Direkt zwischen BOOT und SW Pins. |
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| **R1** | **120 kΩ, 1%**| `C25808` | 0603 | Basic Part | UNI-ROYAL 0603WAF1203T5E. Feedback-Widerstand (oben). |
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| **R2** | **27 kΩ, 1%**| `C22967` | 0402 | Basic Part | UNI-ROYAL 0603WAF2702T5E. Feedback-Widerstand (unten). |
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## 4. Wichtige Hinweise zum Layout
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Für einen hochfrequenten Wandler (1MHz) ist ein gutes Layout noch wichtiger als sonst.
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1. **Kritischer Loop (Eingang):** Der Pfad vom Eingangskondensator `C1` zum `VIN`-Pin des ICs und vom `GND`-Pin des ICs zurück zu `C1` muss absolut minimal sein. Kurze, breite Leiterbahnen sind hier Pflicht.
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2. **SW (Schaltknoten):** Der Pin `SW` (Switch) führt die hochfrequent geschaltete Spannung. Die Leiterbahn von diesem Pin zur Spule `L1` sollte kurz und breit sein, aber von empfindlichen Signalen (wie der Feedback-Leitung) ferngehalten werden.
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3. **Feedback-Pfad:** Die Widerstände `R1` und `R2` sollten nah am `FB`-Pin des ICs platziert werden. Die Leiterbahn vom `FB`-Pin zum Widerstandsteiler sollte kurz sein und nicht parallel zu lauten Leiterbahnen (wie SW) geführt werden.
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4. **Masseführung:** Eine durchgehende Massefläche unter den Komponenten ist die beste Lösung, um die Rückströme kurz zu halten und die thermische Anbindung zu verbessern.
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## 5. Berechnung des Wirkungsgrads
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Dieses Kapitel analysiert die Verlustleistung und den Gesamtwirkungsgrad der Schaltung für verschiedene Lastfälle.
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### 5.1 Verlustleistung des Feedback-Netzwerks
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Das Feedback-Netzwerk zur Einstellung der Ausgangsspannung hat einen permanenten, aber sehr geringen Stromverbrauch.
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* **Widerstände:** $R_{total} = R1 + R2 = 120kΩ + 27kΩ = 147kΩ$
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* **Leistung:** $P = V^2 / R = (3.27V)^2 / 147000Ω = 10.69W / 147000Ω \approx 0.0000727W$
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Der statische Verlust im Feedback-Netzwerk beträgt somit nur ca. **73 µW** und ist für die Gesamteffizienz vernachlässigbar.
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### 5.2 Gesamtwirkungsgrad
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Die Berechnung basiert auf den typischen Werten aus dem SY8120IABC-Datenblatt und den gewählten externen Komponenten.
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**Parameter für die Berechnung:**
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* Eingangsspannung ($V_{in}$): 12 V
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* Ausgangsspannung ($V_{out}$): 3.27 V
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* Tastverhältnis ($D$): $3.27V / 12V \approx 0.273$
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* $R_{DS(on)}$ High-Side MOSFET: 130 mΩ (0.13 Ω)
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* $R_{DS(on)}$ Low-Side MOSFET: 105 mΩ (0.105 Ω)
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* Induktor-Widerstand (DCR): 30 mΩ (0.03 Ω) (für die `CR5040-4R7M`)
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* Ruhestrom ($I_Q$): ca. 200 µA (0.0002 A)
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#### Fall 1: Laststrom $I_{out}$ = 100 mA (0.1 A)
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* **Ausgangsleistung ($P_{out}$):** $3.27V \times 0.1A = \mathbf{327\ mW}$
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* **Hauptverluste ($P_{loss}$):**
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* IC Leitverluste (High-Side): $(0.1A)^2 \times 0.13Ω \times 0.273 \approx 0.36\ mW$
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* IC Leitverluste (Low-Side): $(0.1A)^2 \times 0.105Ω \times (1-0.273) \approx 0.76\ mW$
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* Spulenverlust (DCR): $(0.1A)^2 \times 0.03Ω = 0.3\ mW$
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* IC Ruhestromverlust: $12V \times 200µA = 2.4\ mW$
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* Schalt- & Treiberverluste (geschätzt): ca. **15 mW**
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* **Gesamtverlust:** $\approx 0.36 + 0.76 + 0.3 + 2.4 + 15 = 18.8\ mW$
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* **Gesamteffizienz ($\eta$):** $\frac{327mW}{327mW + 18.8mW} \times 100\% \approx \mathbf{94.5\%}$
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#### Fall 2: Laststrom $I_{out}$ = 300 mA (0.3 A)
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* **Ausgangsleistung ($P_{out}$):** $3.27V \times 0.3A = \mathbf{981\ mW}$
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* **Hauptverluste ($P_{loss}$):**
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* IC Leitverluste (High-Side): $(0.3A)^2 \times 0.13Ω \times 0.273 \approx 3.2\ mW$
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* IC Leitverluste (Low-Side): $(0.3A)^2 \times 0.105Ω \times (1-0.273) \approx 6.8\ mW$
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* Spulenverlust (DCR): $(0.3A)^2 \times 0.03Ω = 2.7\ mW$
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* IC Ruhestromverlust: $12V \times 200µA = 2.4\ mW$
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* Schalt- & Treiberverluste (geschätzt): ca. **35 mW**
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* **Gesamtverlust:** $\approx 3.2 + 6.8 + 2.7 + 2.4 + 35 = 50.1\ mW$
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* **Gesamteffizienz ($\eta$):** $\frac{981mW}{981mW + 50.1mW} \times 100\% \approx \mathbf{95.1\%}$
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#### Fall 3: Laststrom $I_{out}$ = 500 mA (0.5 A)
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* **Ausgangsleistung ($P_{out}$):** $3.27V \times 0.5A = \mathbf{1635\ mW}$
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* **Hauptverluste ($P_{loss}$):**
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* IC Leitverluste (High-Side): $(0.5A)^2 \times 0.13Ω \times 0.273 \approx 8.9\ mW$
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* IC Leitverluste (Low-Side): $(0.5A)^2 \times 0.105Ω \times (1-0.273) \approx 19.1\ mW$
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* Spulenverlust (DCR): $(0.5A)^2 \times 0.03Ω = 7.5\ mW$
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* IC Ruhestromverlust: $12V \times 200µA = 2.4\ mW$
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* Schalt- & Treiberverluste (geschätzt): ca. **60 mW**
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* **Gesamtverlust:** $\approx 8.9 + 19.1 + 7.5 + 2.4 + 60 = 97.9\ mW$
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* **Gesamteffizienz ($\eta$):** $\frac{1635mW}{1635mW + 97.9mW} \times 100\% \approx \mathbf{94.4\%}$
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### 5.3 Zusammenfassung der Effizienz
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| Laststrom | Geschätzter Gesamtwirkungsgrad |
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| :--- | :--- |
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| **100 mA** | **~ 94.5%** |
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| **300 mA** | **~ 95.1%** |
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| **500 mA** | **~ 94.4%** |
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Der Wirkungsgrad des synchronen Designs ist durchgehend exzellent und übertrifft den eines vergleichbaren nicht-synchronen Wandlers deutlich. Der Hauptgrund sind die massiv geringeren Leitverluste, da anstelle einer Diode mit hohem Spannungsabfall ein MOSFET mit niedrigem $R_{DS(on)}$ als Freilaufelement dient.
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