Schaltregler entstören und Messungen

Am 23.11.2012 08:57, schrieb Edzard Egberts:

Diese fertigen DCDC-Wandler sind EMV-Technisch häufig eine riesige Katastrophe. Ungeschirmte Drosseln, an Filterkondensatoren nur das nötigste. Die Schaltgeschwindigkeit ist auf Wirkungsgrad und nicht auf EMV hin optimiert.

Erstmal: Wer misst, misst Mist. Das Masseschwänzchen am Tastkopf bildet zusammen mit Leiterplatte und Tastkopf selbst eine Leiterschleife und ist eine super Antenne für induktive Störer. Du siehst also Sachen, die gar nicht vorhanden sind. Lösung: Masseschwänzchen abklemmen. Vorne die Tastkopfisolation abziehen und spiralförmig Draht um die Tastkopfmasse wickeln. Dieses Stück Draht lötest Du dann unmittelbar neben die gewünschte Messstelle an Masse an und baust Dir dadurch so eine Art Coax-Buchse, in die Du den Tastkopf stecken kannst.

Der Unterschied in den Messergebnissen ist gewaltig.

Weiter gehts auf der Leiterplatte: Wenn Du da keine durchgehende Massefläche (doppelseitiges Layout) hast, hast Du vermutlich Leiterschleifen geroutet, die die Streufelder des DCDC-Wandlers super empfangen und diese Störspannungen erzeugen. Das wird dann schwierig. Man kann versuchen, die Masse dann eng mit vielen Drahtbrücken zu vermaschen, so dass sich über die komplette Leiterplatte ein Massenetz legt, welches die induktiven Einflüsse kurzschließt.

Weiterhin sollte der DCDC etwas abseits sitzen und seine Ein- und Ausgangsströme sollten nicht über Teile der Leiterplatte fließen können, wo auch kleine Spannungen gemessen werden sollen.

ungeschirmte Filterdrosseln sind übrigens auch super Antennen für das Streufeld des DCDC. Sie verlieren dadurch einen Großteil ihrer Wirkung. Man muss sie also so platzieren, dass die Feldlinien aus dem DCDC-Wandler nichts induzieren können, also irgendwie rechtwinklig zur DCDC-Drossel.

Kurze Spikes sind sehr hochfrequent. Standarddrosseln haben häufig Eigenresonanzfrequenzen im einstelligen MHz-Bereich. Darüber nimmt die Filterwirkung dramatisch ab. Weiterhin arbeiten auch Elkos im MHz-Bereich nur noch sehr schlecht. Will man im 2-3stelligen MHz-Bereich vernünftig filtern, muss man Drosseln nehmen, die auch da oben noch induktiv sind. z.B. Ferritperle, SMD-Ferrite, ... Kerkos sind auch Pflicht, das Layout und die kurze Anbindung sind aber wichtig, auf einer Leiterplatte ohne Massefläche aber kaum oder nur mit viel Erfahrung zu machen.

Michael

Michael S schrieb:

Na ja, mit 80% ist noch nicht einmal der Wirkungsgrad so toll.

Das funktioniert, so sieht nicht mehr alles gleich aus, sondern ich kann jetzt vor und nach der Drossel Unterschiede sehen. Allerdings auch, dass diese Bursts da glatt durchwandern.

Nein. Ich verwende Hühnerfutter mit einer briefmarkengroßen Massefläche auf der Rückseite. Der 78L05 sitzt da am Rand und von der Stelle gehen zwei Leiterbahnen los auf die beiden Kondensatoren. Von da aus weiter zum Wandler, wobei die Leiterbahnen nicht mehr parallel, sondern übereinander auf Vorder- und Rückseite geführt sind.

Also mein Layout-Fehler war ziemlich dämlich, denn statt an der Briefmarke hatte ich den Anschluss der Optokoppler vorne an der Zuführung angeschlossen, weil die da vorbeiläuft.

Aha, habe mir schon gedacht, dass die Drossel wohl nicht so toll ist. Da muss ich noch mal gucken, was es so an Bauteilen gibt.

Was ist mit "kurzer Anbindung" gemeint? Der DC/DC-Wandler hängt so hinter etwa 4cm Leiterbahn, 78L05 und die Kondensatoren sind dann allerdings ganz nahe an der Massefläche. Die Bezugsmasse wird eigentlich sowieso eher durch den Ausgang festgelegt, ich hatte sogar daran gedacht, den Wandler durch Drosseln in beiden Leitungen zu trennen.

Edzard Egberts schrieb:

Und die Drossel sitzt ganz am Ende direkt vor dem Wandler.

Am 23.11.2012 10:07, schrieb Edzard Egberts:

Er wäre noch schlechter, wenn man langsamer schalten würde. Damit man bei den kleinen Dingern aber nennenswert Leistung durchbekommt, liegt die Schaltfrequenz sehr hoch. Da muss man dann auch schnell schalten, sonst bist Du ganz schnell bei 60% Wirkungsgrad.

Je nach Drossel gehts da halt kapazitiv durch. lange Stabkerndrosseln haben das Problem nicht, dafür koppeln sie super mit Streufeldern anderer Drosseln.

Das ist schonmal nicht schlecht.

Stimmt, ziemlich dämlich.

Schau Dir vor allem die Eigenfrequenz an, die ist häufig auch als Graph in den Datenblättern abgebildet.

Wenn Du einen 100nF-Kerkos über eine 1cm Stichleitung anschließt, dann filtert der keine HF mehr. Du musst die zu filternden Leitungen im Prinzip durch das Pad der Kerkos durchführen. Nur dann wirken sie wirklich gut. Wenn Du eine Massefläche hast, muss das Via direkt am Kerko nach unten gehen.

Das kann Sinn machen. Warumm hast Du keine durchgehende Massefläche? Durchgehende Masseflächen schließen HF-Felder kurz und sind die erste Maßnahme für solche Probleme.

Michael

Michael S schrieb:

Das Ding sieht aus, wie ein etwas dickerer Widerstand.

Man könnte das eigentlich sogar als besonders dämlich bezeichnen. :o)

Wo sollte die denn liegen, besser hoch oder niedrig?

Das ist der Fall.

Aber doch wohl eher gegen Gleichtaktstörungen, die von außen durch den Wandler gehen - um den Strom zu filtern sollte das eigentlich nichts bringen?

Es ging mir darum, dass keine Versorgungs-Ströme quer durch die Schaltung gehen, deshalb habe ich eine "Zuführungsseite" und eine "Signalseite" definiert. Ich habe erwähnt, dass der Ausgang die Bezugsmasse definiert und da komme ich auch mit der Versorgung an - so eine Art Sternpunkt. Es wäre kein Problem, die komplette Unterseite als Masse auszulegen und den Wandler an diese Fläche anzuschließen.

Am 23.11.2012 11:32, schrieb Edzard Egberts:

Da könnte es sein dass das blöd gewickelt ist. Näheres sieht man an der Eigenfrequenz.

hoch.

Auch DCDC-Wandler erzeugen Gleichtaktstörer, insbesondere im hochfrequenzen Bereich.

Die Erfahrung zeigt: Massetrennung macht mehr Probleme als eine einzige große Massefläche. Man muss nur die Bauteile so platzieren, dass keine großen Ströme mitten unter der Messtechnik durchfließen. Also alles mit Leistung auf eine Seite der Leiterplatte, Messtechnik auf die andere. Dann fließt auch kein großer Versorgungsstrom quer durch die Leiterplatte durch.

Michael S schrieb:

Ach, sieh' an! Gibt es da einen speziellen Wirkmechanismus oder ist das irgendwie "parasitär"? Meine geistige Idealvorstellung des DCDC-Wandlers gibt das nicht her, obwohl ich Dir das glaube.

Ich wollte es mit dem Schlangenöl auch nicht übertreiben, aber jetzt will ich ja wissen, warum es trotzdem nicht ging. ;o)

Aha, Betriebsblindheit! Mein DAC ist natürlich schön logisch in Reihenfolge Spannungsversorgung, DAC, Ausgangstreiber angeordnet, aber es gibt keinen Grund, den Treiber-OpAmp nicht direkt neben die Spannungsversorgung zu platzieren. Die Leitungen zum Ausgang wären unkritisch.

Edzard Egberts schrieb:

Was auch manchmal sehr gut hilft(kommt auf den DC/DC an), ist ein

Gruß Andreas

Nicht nur dass. Aufgrund der Drosseln oder Uebertrager da drin spruehen die auch gut Magnetfeld rum welches dann gern in Bonddraehte und Metal Layer Strukturen benachbarter ICs einkoppelt. Das uebliche, Kern ungeschirmt, Ferritmaterial aus dem Tiegel von Onkel Chen's Baustoffhandel.

Dem kann ich nur beipflichten.

Wenn es noch machbar ist und wenigstens zwei separate Flaechen vorhanden sind lege sie mal mit breiter Kupferfolie zusammen, nicht mit einem Draht.

Edzard: Ansonsten muesstest Du Schaltbild und Layout irgendwo ins Web stellen damit die Leute hier in der NG gezieltere Tips geben koennen.

Am 23.11.2012 13:19, schrieb Edzard Egberts:

Ein Kondensator zwischen den zwei Leitungen wandelt Gegentaktstörer in Gleichtaktstörer um. Stell Dir das wie folgt vor: Die Zuleitungen sind ja kleine Induktivitäten. Kommt nun aus der Plus-Leitung ein Spannungspuls raus, führt der zu einem Strom durch den Kondensator. Dadurch steigt auch die Spannung in der Minus-Leitung. Weil zwischen Minus-Anschluss des Kondensators und Deinem DCDC noch ein Stück-Leitungsinduktivität liegt, kann die Spannung kurzzeitig auch problemlos auf der Masseseite mitansteigen. Und schon hast Du Deinen Gleichtaktstörer. Im oberen Frequenzbereich ist eigentlich fast alles ein Gleichtaktstörer, denn es gibt in den Schaltungen ja massig Kerkos, die das schön umwandeln. Gleichtaktstörer sind für die Schaltung selbst aber häufig gar kein Problem, denn sie merkt ja gar nicht, dass sich Ihr Potential ändert. Solange alle Signale relativ zueinander ungestört bleiben funktioniert die Schaltung wie gewollt. Führt allerdings ne Leitung aus Deiner Schaltung raus irgendwo hin, kann sein ein Gleichtaktstörer ganz schnell wieder Probleme machen.

Genau das siehst Du dann auf dem Oszi, denn dessen Masse hängt auf PE. Die Spikes, die Du auf dem Oszi siehst müssen gar kein Problem sein und sind es vermutlich auch nicht. Die Schaltung selbst merkt von den Spikes vermutlich gar nichts.

Das beste Rezept gegen Eigenstörer ist fast immer eine durchgängige Massefläche. Hat man mehr als 2 Lagen zur Verfügung kann man auf einem weiteren Layer Vcc als Fläche ausführen und hat dann eine HF-Technisch sehr gute Spannungsversorgung.

Störungen durch DCDC-Wandler sind häufig Störungen, die über Felder gekoppelt werden. Da machst Du mit reiner Schaltungstechnik nicht mehr viel. Da ist Platzierung, Layout und mechanischer Aufbau entscheidend.

Anders sieht es aus, wenn man den DCDC selbst entwickelt, da kann man viele Probleme von vorner herein vermeiden. Dazu brauchts aber Erfahrung.

Moment, die Schaltung läuft jetzt einwandfrei, den Rest hatte ich richtig gemacht. Die eigentliche Elektronik hat ja auch eine durchgehende Massefläche, die ganze Sache entspricht einer Briefmarkenplatine mit zwei Drähten Spannungszuführung. Der besonders dämliche Layout-Fehler (weil ich sonst alles richtig gemacht habe) ist mir ja schnell aufgefallen. :o)

Aber der hat mir auch gezeigt, dass die Drossel nix taugt, ansonsten wären die Störer trotz des Fehlers nicht aufgetreten. Da werde ich in naher Zukunft noch ein paar Bauteile ausprobieren - rein aus Prinzip, ich könnte die Drossel auch ganz weglassen.

Und die Sache mit den Gleichtaktstörungen ist interessant, so ein Kondensator würde bei meiner Anwendung zumindest nicht stören (Schlangenöl ;o). Also ich denke, ich habe das jetzt im Griff und bedanke mich für die Anteilnahme.

Hmpf! Den letzten "Störer" habe ich nicht wegbekommen, mein

Das mit den Drosseln hat ansonsten geklappt, ich habe so ab 100 MHz Resonanzfrequenz mit meinen Mustern angefangen und eine Minidrossel vorm Eingang von ADC und Regelschleife hat ordentlich gebügelt...

Am 06.12.2012 16:00, schrieb Edzard Egberts:

Batterien rauschen auch. Wenn Du in einer Schaltung mit Schaltregler 16 Bit schaffst, bist Du schon richtig gut dabei.

Die Drosseln machen natürlich die Versorgungs- und Referenzspannungen weicher. -> Gut abblocken und auch die dadurch entstehenden Resonanzen bedämpfen.

Prüfe auch mal, welches Eigenrauschen Deine Referenz überhaupt hat. Du kommst jetzt in Gegenden, wo Widerstandsrauschen usw. eine Rolle spielt.

Na ja, ich plage mich damit schon etwas länger und habe meine 12 A jetzt temperaturkompensiert langzeitstabil ziemlich gut in einem

Ja, ziemlicher Blindflug, die letzten Maßnahmen habe ich nur noch über die Standardabweichung der Messwerte verifizieren können - so richtig sehen tut man schon lange nichts mehr...