Step-up converter modules malfunction with inductive loads

TECHNICAL SUPPORT Batteries & Power
1

Customer:

I built several power supply combinations for my Croduino Damba project for a water level controller. The project requires two operating voltages: 5V for electronics and 10-12V for an electromagnetic valve.

First approach: one 10-12V source used directly for the valve, with a step-down module to 5V for electronics. This works perfectly. The battery must supply current, not just voltage - a 9V alkaline battery cannot power even two relays. I added a diode for reverse polarity protection and another for inductive protection, everything works correctly.

Second approach: 1S Li-Ion with two step-up modules to reach 5V and 10V. Problems started immediately. With a reverse polarity protection diode on the modules, I could not lower the output voltage below 9.5V, even though I could raise it to 50V. Removing the diode fixed it. The step-up modules seem incompatible with reverse polarity protection. When I added a reverse-biased diode on the module output for valve inductive protection, the voltage would not exceed about 2.5V. I cannot explain these issues but accepted them as facts.

Third approach: step-up to 10V powering both the valve and a step-down module to 5V. Without load everything works, but when the valve turns on, the step-up output jumps above 15V and the valve malfunctions. Step-down is unaffected but the valve fails. I had to discard this variant.

Conclusion: when modules share one power source and one load is inductive (and diodes are present), the modules become unstable in any combination - step-down plus step-up or both step-ups.

I tested a third variant where each step-up has its own battery and load - this works without error. I avoided using two separate batteries initially, but kept this configuration to measure consumption: electronics consumption versus valve consumption.

The first variant is most elegant, but I need a compromise between battery size to fit under the cover and having sufficient capacity to supply at least 700mA.

Original message (Croatian)

[name removed] bok!
Napravio sam nekoliko kombinacija napajanja za moj projekt s Dambom za vodokotlić i u nastavku sam opisao što mi se događalo. Zbog mojeg nepoznavanja elektronike neke stvari si ne mogu objasniti ali možda nekome pomogne u sličnim situacijama. Kako cijeli sklop zahtjeva dva radna napona, 5V za elektroniku i 10-12V za el. mag. ventil, imao sam dva pristupa.
Prvi je da imam jedan izvor napajanja 10-12V, što se direktno koristi za ventil i sa step-down modulom se spustim na 5V za elektroniku. Tu nema nikakvih problema, sve radi kako treba, jedino je baterija nespretna za rukovanje. Ili treba biti olovni akumulator ili npr. 3S Li-Po ili Li-Ion. Baterija mora moći dati i struju a ne samo napon. Npr. s 9V alkalnom baterijom ne rade ni releji a samo ih je dva. U ovoj kombinaciji sam stavio diodu za zaštitu od krivog polariteta i diodu za zaštitu od samoindukcije i sve radi kako treba.
Drugi pristup je bio da imam 1S Li-Ion i pomoću dva step-up modula napon dignem na 5V, odnosno na 10V. Tu počinju prvi problemi. Odmah sam na module stavio diodu za zaštitu od krivog polariteta i problem je bio što izlazni napon nisam mogao spustiti ispod 9,5V. Za ventil je ok, ali za elektroniku nije. Napon sam moga dignuti do 50V ali nikako spustiti na 5V. Kad sam maknuo diodu, sve radi super. Možda step-up moduli ne trebaju zaštitu od krivog polariteta pa ta dioda remeti njihovu elektroniku. Drugi problem je bio što sam na izlaznoj strani modula stavio kontra okrenutu diodu radi samoindukcije ventila, ali tada napon nije htio biti veći od cca 2,5V. Ove dvije stvari si ne mogu objasniti ali sam ih prihvatio kao činjenice pa sam malo izmijenio pristup koji možda na prvu ne izgleda logično, ali primarni cilj mi je imati samo jedan izvor napajanja.
Sa step-up modulom sam digao napon na 10V i koristio ga za napajanje ventila i step-down modula koji spušta na 5V. Bez ventila sve radi super, ali kad se ventil uključi step-up podivlja i napon mu skoči iznad 15V, pa onda podivlja i ventil. Step-down modulu to ne smeta ali ventil divlja. Tako sam morao i ovu varijantu odbaciti koja je možda malo nakaradna ali sam se nadao da radi. Tu više nisam imao dodatnih dioda.
Iz ovog zaključujem da je problem kada se moduli napajaju iz istog izvora i jedno od trošila je zavojnica (a s diodama mi ne radi) da moduli podivljaju u bilo kojoj kombinaciji, step-down+step-up ili oba step-up.
Naravno, probao sam i treću varijantu gdje svaki step-up modul ima svoju bateriju i svoje trošilo i naravno to radi bez greške. Htio sam izbjeći dvije baterije, svaka za svoju namjenu, ali sam to za sada ostavio ovako jer me zanima potrošnja. Ovako ću izmjeriti koliko troši elektronika a koliko ventil, pa ću kasnije lakše donijeti konačnu odluku.
Ona prva varijanta je najelegantnija samo gledam kako naći neki kompromis između dimenzija baterije i njenih karakteristika. Trebala bi biti dovoljno mala da stane ispod poklopca a opet da ima neki pristojni kapacitet i da može dati barem 700mA.

Originally submitted via email support on 5 May 2018. Migrated to the forum for community visibility.

2

Soldered Support:

I don’t understand why the setup with two step-ups or step-up then step-down doesn’t work either. It’s reasonable to assume that something inside the switcher IC that controls the voltage conversion has a problem with measurements, but I have no idea why that would happen. I’m fairly sure the problem is in that specific IC.

Original message (Croatian)

Hvala na detaljnom objašnjenju!

Ovdje sada ni ja ne razumijem zašto stvar s dva step-upa ne radi ili zašto step-up pa step-down ne radi. Za pretpostaviti je da neki dio unutar switchera(integrirani krug koji upravlja pretvorbom napona) ima neki problem s mjerenjima, ali nemam pojma ništa više od toga i zašto bi se uopće događalo. Prilično sam siguran da je problem u tom specifičnom IC-u..

Ne znam u kojem ti je stanju sada projekt nakon svih emailova, ako hoćeš kad uhvatim vremena, mogu i ja ovo isprobati..

3

Customer:

I noticed pin 5 has a special role but I wasn’t sure, so I switched to pin 4. Good to know for the future.

About the Croduino Damba issue - I think I damaged it. When powered it gets very hot and emits that characteristic burning smell. The Basic2 doesn’t heat up. Yesterday while measuring voltages at various points in the circuit I may have created a short circuit. I’ll order new boards.

I’ve reached the consumption measurement phase. That data will determine which concept to use. Currently electronics use one step-up module and valve uses another, each with its own battery, galvanically isolated. Even in this variant I had to remove the reverse-biased diode on the valve, or on the step-up module output. So far inductive transients aren’t causing problems and the valve has been working for days, several times daily. Electronics are powered from a Samsung Li-Ion battery at 5V, valve from a 2S Li-Po 650mAh at 10V. The valve draws 0.5A. The other variant is the first one I tried: one 11-12V battery and one step-down module. The only complication is battery handling, and since I want to commercialize this, that’s not negligible. I haven’t installed all mechanical parts yet, but they work.

There was a change though. Initially I used reed relays but they would sometimes stay closed, so I replaced them with micro switches. Here’s my interpretation: 12V and about 0.5A flowed through the reed relays as the main switch. With all those wires close together, I assume a magnetic field formed strong enough to keep the reed relay closed. It didn’t always happen, but often enough to remove them.

Original message (Croatian)

[name removed] bok! O, da, Beč. Dugo nisam bio tamo, ne bi bilo loše malo obnoviti sjećanja. Nadam se da je sajam bio od koristi. Pošto je tu bilo više mailova a i svašta se događalo u međuvremenu, pokušat ću napraviti sažetak nekim redom. Primijetio sam da pin 5 ima neku posebnu ulogu ali nisam bio siguran. Jednostavno sam se prebacio na 4-ku, ali dobro je znati za ubuduće. Što se tiče onog problema s Dambom, mislim da sam je ipak skurio. Kad je stavim na napajanje jako se zagrije a i osjeti se onaj karakterističan miris. Dok je Basicu2 ne grije se. Sva sreća jer bi možda skurila i Basic2. Jučer sam mjerio napone na nekim točkama cijelog sklopa i možda sam napravio kratki spoj. Nema veze, naručit ču nove. S projektom sam došao do faze da zapravo mjerim potrošnju. Taj podatak će presuditi koji koncept bude prevladao. Trenutno je setup takav da elektronika koristi jedan step-up modul, a ventil drugi, i svaki ima svoju bateriju pa su galvanski odvojeni. Ali i u toj varijanti samo morao maknuti kontra okrenutu diodu na ventilu, odnosno izlazu iz step-up modula. Za sada samoindukcija ne radi nikakav problem a ventil već radi danima i naravno nekoliko puta dnevno. Elektronika se napaja iz one Samsungove Li-Ion koju sam nedavno uzeo, a ventil iz 2S Li-Po 650mAh. Elektronika je na 5V, a ventil na 10V. Kad završim ovo mjerenje spustit ću ventil na 8V pa ću vidjeti ima li kakve uštede. Pri ovim uvjetima ventil vuče 0,5A. Druga varijanta je zapravo ona koju sam prvo probao, a to je jedna baterija od 11-12V i jedan step-down modul. Jedino u toj varijanti je nešto kompliciranije rukovanje s baterijom a kako stvar mislim komercijalizirati, to mi nije zanemarivo. Zbog toga još nisam sve mehaničke dijelove ugradio na poziciju, ali su u funkciji. I tu je došlo do promjene. Na početku sam koristio reed releje ali iz nekog razloga bi ponekad ostali uključeni pa sam ih zamijenio mikro prekidačima. Ja sam si to ovako protumačio. Kroz reed releje bi teklo 12V i struja nešto veća od 0,5A jer su služili kao glavna sklopka. Kako su sve te žice vrlo blizu jedna druge, pretpostavljam da je oko njih stvoreno magnetsko polje dovoljno da reed relej ostane uključen. To se nije događalo uvijek, ali dovoljno često pa sam to maknuo. I to bi uglavnom bilo to. Ovdje je sažeta cijela kronologija događanja i mislim da sam blizu konačnog rješenja, samo da završim mjerenja. A sad da malo trgujemo. J S Brunom sam se dogovorio da ću buduće narudžbe obavljati preko web shopa jer tako ostaje trag u sustavu. I sad bi napravio tako ali za jedan artikl ne znam koji odabrati pa onda moram ovako kroz mail. Naručio bi: 1. Punjač za Li-Ion sa zaštitom (101408), kom. 1 2. Kabel za gore navedeni punjač, kom. 1 (ne znam je li na punjaču mini ili mikro konektor pa mi stavi kabel koji odgovara) 3. Croduino Damba, kom. 3 (da mi ne fali ako je opet skurim J) 4.

4

Soldered Support:

If Damba gets hot when just connected to power and you smell that characteristic smell - there’s no question, the magic smoke escaped.

About the reed switches: I learned something new about this at the trade show in Vienna recently. When current flows through switches they have contact bounce resistance. The higher the current, the higher the resistance. The thinner the wire, the higher the resistance. Reed switches have relatively thin wires, so it’s quite possible that 0.5A creates such a problem. Reed switches are not designed to carry large currents. Micro switches have bigger contacts and are designed for higher currents, so it all makes sense!

I’m only sorry you need to use two step converters. If you like, I can try to replicate your setup over a weekend or something and maybe figure something out.

Original message (Croatian)

Sajam je bio super, a Beč preporučam svakome posjetiti. Pa što, od Zagreba je i relativno blizu? :slight_smile:

Ako je Damba vruća kad je priključena samo na napajanje i osjeti se miris - nema rasprave, napustio ga je bijeli dim..

Ovo s reed switchevima sam evo, vjeruj, tek naučio na ovome sajmu u Beču nekidan. Naime, kada kroz prekidače prolazi struja oni imaju otpor od otkapčanja. Što je veća struja, veći je otpor. Što je tanja žica, veći je otpor. U reed switchu je relativno tanke žice, pa je sasvim moguće da 0.5A pravi takav problem.. reed switchevi nisu dizajnirani da bi vodili neke velike struje. U mikroprekidaču već bi trebali biti veći kontakti te su oni namjenjeni za veće struje, pa to sve ima smisla!

Žao mi je jedino što moraš koristiti dva step konvertera. Ako želiš, mogu probati replicirati setup preko vikenda ili nešto pa možda nešto skontam?

Što se tiče narudžbi, definitivno je bolja ideja preko web shopa, cijeli proces je onda automatiziran i brže će sve biti obrađeno - a što i sam kažeš, ostaje nam trag :slight_smile: tako da, ako ti nije problem, za punjač je potreban micro USB kabel - pa onda to složiš na web shopu!

5

Customer:

I returned the water level controller setup to the first variant (12V battery and step-down module) because I noticed the step-up module delivers 11-15V instead of 5V on startup. At that voltage Croduino Damba gets damaged and if you don’t notice and leave it on too long, it’s gone. Interestingly, this only happens if the circuit has been off for a long time. Sometimes the voltage returns to 5V on its own, sometimes it stays high. If I turn it off immediately and back on, it’s 5V. I’m now testing this step-up module with a notebook cooling fan, which doesn’t mind 12V. Since I’m focused on measuring consumption and the valve is the power hog, I need the system to work stably. I’ll investigate this later.

Original message (Croatian)

[name removed] bok!
Trenutno sam setup vodokotlića vratio na onu prvu varijantu (12V baterija i step-down modul) jer sam primijetio da mi iz nekog razloga step-up modul umjesto 5V pri uključenju isporuči 11-15V. Pri tom naponu Damba se zblesira i ako ne primijetiš i ostane uključena predugo, ode ća. Interesantno, to se javlja samo ako je sklop bio isključen duže vrijeme. Nekada se taj napon sam vrati na 5V a nekada ostane tako visok. Ako ga odmah ugasim i upalim napon je 5V. Sada taj step-up modul testiram s ventilatorom kojim hladim notebook, a njemu ne smeta jer je za 12V. Pošto sam koncentriran na mjerenje potrošnje, a ventil je taj koji ždere, onda mi je bitno da sustav radi stabilno, a ovo ću s vremenom provjeriti.

6

Soldered Support:

Is this only with that one step-up, or with every module with that chip? This is truly unusual.

Original message (Croatian)

Hvala ti na update-u.

Jel to samo s tim step-upom, ili svakim modulom s tim chipom? Zaista je neobično da to radi.. definitivno onda ni nema primjenu u tom slučaju.

7

Customer:

I did more testing with a second step-up module (same model, different unit) and the issue is even more pronounced. I set the voltage without load in all variants. With this second unit, voltage jumps to 20V, drops to 15V and stays there. Turn off and on the module, voltage is at 5V. I didn’t measure timing precisely, but if I turn the module back on within a few minutes the voltage is 5V, and if the time between is longer it jumps to 20V and settles at 15V. I used a small 12V PC fan as load. Although I have the fan, I don’t have a reverse-biased diode because when I add one I can’t adjust the output voltage at all.

Then I tried the same thing with 10V output. Something even stranger happens. Voltage immediately jumps to 16V and stays there. In this version, the duration between power cycles doesn’t matter - it goes straight to 16V. This made me suspicious, so I disconnected the fan while the module was running and voltage immediately dropped to 10V. When I reconnected the fan it went to 16V. So without load the output voltage is whatever I set it to, but when I connect the load it goes to 16V. I could try a non-inductive load, maybe a bulb or diode, though I doubt the result since Damba showed the voltage went to 15V. It’s easiest for me to try with a diode, so I’ll report back.

Original message (Croatian)

[name removed] bok!
Evo, napravio sam još neka mjerenja s drugim step-up modulom (isti model samo drugi primjerak) i kod njega je stvar još uočljivija. Trebam samo napomenuti da sam napon u svim varijantama namjestio bez trošila. U ovom drugom slučaju napon skoči na 20V, pa padne na 15 i tu ostane. Ugasim i upalim modul, napon je na 5V. Nisam točno mjerio vremena, ali ako unutar par minuta ponovo uključim modul napon je na 5V, a ako je to vrijeme duže, skoči na 20 i vrati se na 15 gdje ostane. Kao trošilo sam koristio mali 12V ventilator od PC napajanja. Premda je ventilator nemam suprotno okrenutu diodu jer kad je stavim izlazni napon uopće ne mogu namjestiti.
Onda sam probao istu stvar ponoviti ali s izlaznim naponom od 10V. Tu se događa nešto još čudnije. Napon odmah skoči na 16V i tu ostane. U ovoj verziji više nema ulogu dugo ili kratko vrijeme između paljenja, odmah ide na 16V. To mi je pobudilo sumnju pa sam pri uključenom modulu isključio ventilator i napon je odmah pao na 10V. Kad vratim ventilator ode na 16. Dakle, bez trošila je izlazni napon onakav kakav sam namjestio a kad priključim trošilo ode na 16. Mogu probati s trošilom koje nije induktivno, možda kakva žaruljica ili dioda, mada sumnjam u rezultat jer je Damba bila priključena pa je napon otišao na 15V. Najlakše mi je probati s diodom, pa se javim.

8

Soldered Support:

This is truly unusual, and it’s even worse that different units of the same model behave differently. Something really doesn’t add up here!

Thank you for the detailed feedback - it seems it’s time for us to design a higher quality step-up converter.

Original message (Croatian)

Stvarno je neobično, a još je gore da se različiti primjerci istog modula ponašaju drukčije :)) tu stvarno nešto ne štima!

Hvala ti na povratnim info - čini se da je vrijeme da mi dizajniramo neki malo kvalitetniji step-up konverter…

9

Customer:

Here are more details about the step-up module behavior. The issue is interesting and you might be able to detect the cause. I have a theory but I’m not sure.

Behavior in the following tests:

  • voltage set to 10V without load
  • I connected a small 12VDC fan and voltage jumped to 20V then dropped to 15V and stayed there
  • then I tried a small car bulb and it works correctly. I assume the bulb is treated as a resistive load
  • then I connected the bulb and fan in parallel and it works correctly in that combination
  • finally I connected just the fan and when voltage stabilized at 15V I turned on the bulb and voltage dropped to 10V. When I turned off the bulb voltage went to 15V. The circuit ran the whole time and as I switched the bulb it would settle at the set value. The moment the bulb was off, it went to 15V.

From this I would conclude that inductive loads are causing the problem. It confused me that Croduino Damba is not an inductive load, but it has a relay module, so maybe that caused the issue. Perhaps this is not a poorly designed step-up module but just one not intended for inductive loads. What do you think?

Original message (Croatian)

[name removed] bok!
Evo još par detalja u vezi ponašanja step-up modula. Stvar je zanimljiva a ti bi možda mogao detektirati uzrok. Imam neku teoriju ali nisam siguran.
Ponašanje nakon slijedećih testova:

  • napon je bez trošila namješten na 10V
  • prije sam stavio mali 12VDC ventilator i napon bi skočio na 20V pa se vratio na 15V i tako bi ostao
  • onda sam probao s malom auto žaruljom i s njom radi kako treba. Pretpostavljam da se žarulja tretira kao ohmsko trošilo
  • nakon toga sam paralelno spojio žarulju i ventilator i u toj kombinaciji radi kako treba
  • na kraju sam opet spojio samo ventilator i kada se napon stabilizirao na 15V uključio bi žarulju i napon bi pao na 10V. Žarulju bi isključio i napon ode na 15V. Sklop je cijelo vrijeme radio i kako bi žarulju uključivao napon bi se postavio na definiranu vrijednost. Čim žarulje nema, ode na 15V.
    Po ovom bi zaključio da ga zafrkava induktivno trošilo. Zbunilo me što Damba nije induktivno trošilo ali je relejni modul, pa ga je možda to zafrkavalo. Možda se ovdje ne radi o krivo konstruiranom step-up modulu već samo da nije predviđen za induktivna trošila. Što misliš?
10

Soldered Support:

Your experiments prove that when inductance is higher in the circuit (we use coils) the step-up has problems, while with resistive loads there are no problems.

I’m not familiar with this problem. I’ve tried searching but can’t find anything useful - no one suggests that “inductive load” would be a problem for a “boost converter”/“step-up switcher”. What I know: a boost converter charges a coil which then discharges to the load, and it does this many times per second (150,000 times/s, 150kHz), and maybe there’s some problem here if the resistance (impedance) is too small. Maybe :slight_smile: I have one book about these kinds of issues, I’ll stick my nose in it over the weekend and maybe we’ll figure out what the problem is.

Original message (Croatian)

tvoji eksperimenti dokazuju da kada je induktivitet veći u krugu(koristimo zavojnice) da step-up ima problema, dok sa ohmskim trošilila nema problema.

Meni ovaj problem nije poznat.. pokušavam izguglati, ali ne pronađem ništa pametno, nitko ne sugerira da bi “inductive load” bio problem za “boost converter”/“step-up switcher”.
Ono što znam: boost converter puni zavojnicu koja se onda prazni na trošilu, i to jako puno puta u sekundi(150 000 puta/s, 150kHz), i tu možda ima nekakav problem ako je premal otpor(impendacija).. možda :slight_smile: imam jednu knjigu za ovakve zavrzlame, zabodem malo nos u nju preko vikenda, pa možda otkrijemo u čemu je problem.