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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik LM3406 Prototypenaufbau


Autor: Andre N. (fruchttiger)
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Hallo zusammen,

ich plane eine LED-Beleuchtung, bei der ein LED-Teiber 4 in Reihe 
geschaltete LED's vom Typ Luxeon III Star-Hexagon Rd-Or (1,4A / 2,95V) 
ansteuern soll. Als Konstantstromquelle habe ich den LM3406 gewählt.

Mich würde interessieren wer schon mal mit dem LM3406 gearbeitet hat und 
wie die Erfahrungen mit diesem Konstantstromregler sind. Bei Benutzen 
der Forensuche nach dem Stichwort "LM3406" bekomme ich "leider" nur zwei 
Treffer.

Auf der Seite von national.com habe ich mit unter Eingabe aller 
Parameter schon mal ein Refezenz-Schaltplan erstellen lassen.
Vin = 24V
Vout = 4x2,95V @ 1,4A

Bevor ich jedoch eine Prototypenplatine zum ätzen in Auftrag gebe, 
wollte ich eigentlich erst mal einen Freiluft/Lochtraster-Aufbau zum 
laufen bekommen. Leider gestaltet sich dies etwas Schwierig.
Entweder ist nur ein Maximaler Strom von ca. 250mA möglich, oder der 
Strom wird überhaupt nicht begrenzt. Weiterhin klappt das PWM-Dimmen 
nicht immer gleich. Soll bedeuten, das ich nach Spannung Aus/An ein 
anderes Verhalten des LM3406 habe.

Die Frage ist nun ob der Lochrasteraufbau dafür verantwortlich ist, weil 
ich die laut Datenblatt empfohlene Platzierung der Bauteile nicht 
vorgenommen habe/konnte.
"...as close as possible to ic-pins" wäre bei mir ca. 4cm Litze für den 
Abstand von Bauteilen (z.B. Kondensator) zum IC

Weiterhin würde mich interessieren, ob die Bauteilwahl speziell beim 
LM3406 "Kritisch" ist, um überhaupt einen stabilen Betrieb erreichen zu 
können?

Gruß
Andre

Autor: Georg A. (Gast)
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Mit dem LM3406 habe ich keine (hoffentlich bald aber mit dem 3410). Aber 
deine Beschreibung klingt nach den üblichen Effekten wenn man den 
Layoutempfehlungen im Datenblatt eines Schaltreglers nicht glaubt ;-)

4cm Abstand ist viel zuviel bei Schaltfrequenzen >200kHz. Du musst insb. 
folgendes wirklich extrem kurz halten:

Cin an den Vin und GND-Pins
Den ganzen Kreis D1/L1/Co/RNS

Das erste Bildchen im Datenblatt impliziert, dass man keinen 
Ausgangskondensator bräuchte. Geht aber wohl auch nur, wenn die Leds 
direkt am Chip kleben. Auf S.20 steht explizit, dass man einen braucht, 
wenn die Leds "several Inches" entfernt sind.

Die Masse sollte kein dünnes Drähtchen sein, sondern am Besten eine 
ganze Kupferfläche einer Platine. Da kann man den Chip umgedreht 
drauflegen (Dead Bug) und seine GND-Pins auf kürzestem Weg mit der 
Fläche verbinden. Für die Cs sind SMDs am besten, da kauft man keine 
Induktivität mit. Die kann man dann als Grabstein auf die Massefläche 
nah (5mm) am Chip löten und mit Fädeldraht mit den Pins verbinden.

Autor: HildeK (Gast)
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>Für die Cs sind SMDs am besten, da kauft man keine
>Induktivität mit.
Nicht falsch.
>Die kann man [...] mit Fädeldraht mit den Pins verbinden.
Jetzt hast du die nicht gekauften Induktivitäten nachgerüstet!

Autor: Georg A. (Gast)
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"Jetzt hast du die nicht gekauften Induktivitäten nachgerüstet!"

Ja, aber deutlich billiger ;-)

Bei 5mm aber auch weniger als wenn man so ein bedrahtetes Ungeheuer hat, 
das meistens selbst schon grösser als die 5mm ist. 5mm sind auch auf der 
Platine ein realistischer Wert für eine minimal erreichbare 
Leiterbahnlänge wenn man nicht gleich alles in 0402 machen will.

Autor: Andre N. (fruchttiger)
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Hallo,

habe mir Eure Hinweise bzw. meine Vermutung zu Herzen genommen und heute 
das Ganze noch einmal aufgebaut.

Wieder auf einer Lochraster, "Dead Bug" und die Cs so nah wie möglich am 
LM3406 plaziert. Das ganze dabei ohne Litze !

Was soll ich sagen.... Es Lebt !!!!!
Wunderbar...

Hat auf Anhieb funktioniert !
Sogar das Dimmen über den ATMEGA klappt Wunderbar.

Ich habe dabei auch Bermerkt, das dieser Aufbau eher im Sinne von EMV 
ist.
Bei dem ersten Freiluft-Aufbau hat noch das Display meines ATMEGAS 
geflimmert, wenn ich die Konstansstromquelle hinzugeschaltet habe.
Mit dem neuen Aufbau ist auch das Verschwunden !

Danke erstmal für die Hinweise
Gruß
Andre

Autor: HildeK (Gast)
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@Georg A. (Gast)
Ich meinte nicht die 5mm, sondern den Fädeldraht:

>>Die kann man [...] mit Fädeldraht mit den Pins verbinden.
>Jetzt hast du die nicht gekauften Induktivitäten nachgerüstet!

Andre N. (fruchttiger) schrieb:
>Ich habe dabei auch Bermerkt, das dieser Aufbau eher im Sinne von EMV
>ist.
Natürlich. Stromspitzen auf Leiterschleifen, die wie eine Antenne gebaut 
sind, strahlen ab. Und genauso werden fremde Störer eingefangen. Hier 
etwas Mühe investiert zahlt sich mehrfach aus.

Autor: Andre N. (fruchttiger)
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Es kommen natürlich doch noch weitere Fragen auf.... ;-)

1.
Durch die externe Beschaltung wird die interne Frequenz des LM3406 zur
Regelung des Konstantstromes festgelegt.
Laut der Design-Software liegt die bei mir bei ca. 100kHz.
Mein ATMEGA hat an seinem PWM-ausgang eine Freq. von 20kHz
Im Datenblatt habe ich jedoch noch folgenden Satz gefunden:
"In general, fDIM should be at least one order of
magnitude lower than the steady state switching frequency in
order to prevent aliasing"
Also max. 10kHz, damit kein Flakern auftritt ?


2.
Ich möchte mehrere LM3406 an den Microcontroller anschließen,
um alle Parallel dimmen zu können.
Kann auf eine zusätzliche Beschaltung verzichtet werden,
wenn der Ausgang am µC genug Strom liefern kann ?
Oder könnten sich die Eingänge der LM3406 schon selbst ins Gehege 
kommen?
(Da hört nämlich meine Fähigkeit auf, ein Datenblatt zu 
Interpretieren/Verstehen)

Gruß
Andre

Autor: Georg A. (Gast)
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@HildeK:

5mm sind im wesentlichen immer dieselbe Induktivität, egal ob dick oder 
dünn.

@AndreN:

Schön, dass es jetzt geht :-)

1) Das mit der Taktfrequenz musst du ausprobieren, mit einem C an der 
Led müssten die Schwebungseffekte ohnehin schon etwas schwächer sein. Es 
gibt aber IMO keine guten Gründe für besonders hohe PWM-Frequenzen, 
könnte sogar sein, dass die Effizienz drunter leidet. Hauptsache, man 
sieht das PWM-Flackern nicht...

2) Ich würde sagen, dass ein AVR problemlos einige 10 DIM-Pins steuern 
kann, hauptsächlich begrenzt durch die Pin-Kapazitäten. Du solltest aber 
aufpassen, dass alle LM3406-GNDs so niederohmig wie möglich verbunden 
sind. Sonst kann es sein, dass durch den Spannungsabfall der erkannte 
Logikpegel daneben ist. Könnte auch wieder lustige Oszillationen 
produzieren ;-)

Autor: Andre N. (fruchttiger)
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OK !

1.
1.1
Ein C mit 4,7µF ist bereits am Ausgang plaziert (hat die 
Designer-Software vorgeschlagen).
1.2
Da später eine Kamera mit von der Partie ist, dachte ich es sei günstig 
mit der PWM freq. zu hoch wie Möglich zu gehen, um bei einer Aufnahme 
kein Flackern zu sehen.
Wobei ich nicht abgeschätzt habe, welcher Bereich sinnvoll sind.
Ich habe meine Informationen dabei auch nur aus verschiedenen Google 
Treffern. Faustformel: <1kHz Für Mensch ok, >1kHz für Maschine Ok....
1.3
Effizienz: Könnte das erklären warum ich nicht die berechneten 1,4A 
Stromfluß habe, sondern nur 1,28A? (Mal abgesehen von Messfehlern und 
Bauteiltoleranzen ?) Warum frag ich eigentlich... ich werde einfach mal 
die PWM-freq. auf 1kHz setzen ...

2.
Die Befürchtung habe ich auch, das die Cs und Ls der Leitungen in 
Verbindung mit dem Spannungsfall die Probleme bereiten.
Konkret ist eine Platine nur für den µC geplant, von dem aus 24 
hintereinander geschaltette LED-Treiber angeschlossen werden 
(gleichmäßig auf eine Länge von 5m aufgeteilt).
Die 24 Treiber-Platinen sind mit Steckverbindern und ca. 5cm Leitungen 
2,5qmm Verbunden. Die Leiterbahn auf der Platine würde ich so Dick wie 
möglich machen.

Abschätzung für den Spannungsfall der Leitungswege, ohne 
Kontaktübergangswiderstand:
Leitungslänge zur Entferntesten Platine: 5m
Ausgangsstrom am ATMEGA PWM-Ausgang 10mA (worst case)
Leitungsqerschnitt: 0,5qmm (worst case)

(2*5m*10mA)/(58(Kupfer-Leitfähigkeit,Einheit?)*0,5qmm)= 3,44mV
-> Vernachlässigbar.

Selbst bei 40mA und 0,2qmm läge der Spannungsfall "nur" um Faktor 10 
höher (34,4mV)

Bleiben noch die Pin-Kapazitäten.


schönen Sonntag noch
Andre

Autor: Andre N. (fruchttiger)
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Hier mal ein Bild, wie ich mir ein Platinen-Layout vorstelle.

Die Bahnen der Haupt-Spannungsversorgung muss im worst-Case fall 16,8A 
bei 24V aushalten können.

Autor: Andre N. (fruchttiger)
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Bildupload hat nicht geklappt...

Autor: Georg A. (Gast)
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"-> Vernachlässigbar."

Das ist klar, die DIM-Leitung selbst ist völlig egal. Du hast aber das 
Problem, dass das GND-Potential, auf das sich alles bezieht, das 
Power-GND ist. Da entsteht ein Spannungsabfall. Da kann es sein dass 
ein vermeintlicher 3V-Pegel am Anfang der Kette gegenüber dem lokalen 
GND auf einmal -1V wird, weil GND 4V verloren hat...

So wie das Layout aussieht, wird es die 16A aber ohnehin nicht lange 
aushalten. Die Leiterbahn für VCC ist schon kritisch, die Thermals an 
den Schraubanschlüssen werden wahrscheinlich so heiss, dass sich der Pin 
auslötet und dann in einem kleinen Lichtbogen das Zimmer verpestet ;)

http://www.multipcb.de/ger/sites/pool/index.html?/...

Autor: G_dal (Gast)
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Das ist Blödsinn, die Temperatur der thermal Anschlüsse wird sich zwar 
stärker erhöhen als die der restlichen Bahn, aber die wird sich auf die 
umliegende Fläche spreizen.
Ich  würde jedoch trotzdem auf min 50µ Kupfer gehen.

Autor: Andre N. (fruchttiger)
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ok...

hab den Entwurf überarbeitet.

1. die Thermals hab ich entfernt und "ringsrum" angeschlossen.
2. GND als Bottom-Layer sollte genug Querschnitt bieten - oder nicht ?
3. +24V ist gleichermaßen als Top & Bottom-Polygon realisiert.
4. Die Anschlußstecker können 16A/250V. Da diese zum Einlöten sind, gehe 
ich davon aus das sich die Entwickler der Stecker schon Gedanken gemacht 
haben.

Ich hab eine Tabelle zur Strombelastbarbeit von pcb-pool benutzt.
dort kann man bei 60°C, 16A über eine 6,8mm Breite 35µm Leiterbahn 
schicken...

Da die Platine nicht größer werden darf, bleibt nur die Kupferauflage zu 
verstärken, oder zwei Stränge an Platinen (2x12 anstatt 1x24) 
aufzubauen. Dann wird der Strom "nur" 8A sein.

Den Spannungsfall an GND hab nicht berücksichtigt - Mist !
Ohne genauer drüber Nachzudenken:
Spannungsfall an GND -> (1!!!!*5m*16A)/(58...*2,5qmm)=0,55V
Richtig ???

Autor: Andre N. (fruchttiger)
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...ich überarbeite mal meinen vorherigen Beitrag nicht, damit andere 
auch die Möglichkeit haben etwas daraus zu lernen...:


Denn, wer lesen kann ist klar im Vorteil.
Ich Idiot hab die Tabelle zur Strombelastbarkeit falsch interpretiert.
Die Temperaturangabe bezieht sich natürlich auf die ERHÖHUNG der 
Leiterbahnen (delta t) und nicht auf die Umgebungstemp.

Da bleibt mir also wirklich nur das Aufteilen auf zwei Stränge -> 8A
Spätestens bei vier Strängen sollte es kein Problem mehr sein.

hehe


Wenigstens sollte sich die Tatsache, das die Platine Ganzflächig auf 
einem Alu-Träger geschraubt wird, positiv auswirken und einen Teil der 
Wärme ableiten können.

Weiterhin sind die möglichen 16A kein Dauerbetrieb.
Alle 3min für ca. 5sec.
Aber natürlich darf diese Besonderheit bei der Benutzung nicht eine 
mangelhafte Konstruktion rechtfertigen.

Autor: Andre N. (fruchttiger)
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Habe mal die Frage mit den parallel geschalteten Dim-Eingängen an 
National gestellt...

Hier die Antwort....

Dear Customer,

Thank you for your interest in National Semiconductor products.

At the moment we have no test made in the specified configuration, 
therefore we can't guarantee any performance/behavior.

What we can expect is, first of all, a problem due to the current 
capability of the microcontroller; when you put 24 devices in parallel 
the equivalent impedance seen from the microcontroller is 1/24 of the 
single LM2306 DIM pin input impedance. This could be fixed with series 
resistances.

Even excluding this issue, please note that you will have lags and 
differences between the signals due to the different trace lengths.

You need to test it in the LAB, taking in account of the DIM pin 
requirements which you find on the part datasheet.
"The DIM pin is a TTL compatible input for PWM dimming of the LED. A 
logic low (below 0.8V) at DIM will disable the internal MOSFET and shut 
off the current flow to the LED array. While the DIM pin is in a logic 
low state the support circuitry (driver, bandgap, VCC) remains active in 
order to minimize the time needed to turn the LED array back on when the 
DIM pin sees a logic high (above 2.2V)"

Kind Regards,

Your National Support


könnte jemand dazu eine kurze Deutsche Übersetzung liefern... bin mir 
nicht so ganz sicher...
1. µC kann evtl. den geforderten Strom nicht bereitstellen
2. Gesamtimpedanz beträgt 1/24zigstel... und kann durch Widerstände 
ausgeglichen werden ... wie geschaltet?. Einer vor jedem Eingang ?
3. Timingprobleme dahingehend das nicht alle Lm3406 Syncorn arbeiten. 
Hervorgerufen durch die High-Schwelle von 2,2V die nicht zur selbem 
Zeitpunkt an jedem LM3406 anliegt. Verzögerung im ms Bereich ?
4. Test it in a LAB? Ein reales... oder meinen die eine Software auf der 
national-WebSeite, die ich noch nicht entdeckt hab?!

Autor: Georg A. (Gast)
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1+2) Der AVR hat wohl für die Pins genügend Strom, allerdings kommt die 
Kabelkapazität noch dazu. Aber das und die Sache mit der Impedanz halte 
ich bei den PWM-Frequenzen eher für nebensächlich. Ob jetzt da der 
Anstieg/Abfall etwas verbeult ist oder klingelt, sollte egal sein. Wenn 
das Signal über grössere Strecken läuft, sollte man beim AVR aber 
ohnehin so 47-100R ins Signal schalten, strahlt weniger.

3) K.A. was die meinen.

4) Heisst nur, dass sie nicht wissen, wie es bei dir laufen wird und 
dass du es gefälligst selbst ausprobieren musst...

Autor: Ralf K. (ralf82k)
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Ich würde C1 um 90° rechts drehen, damit er noch näher an den Chip kommt 
und das Via näher an den Kondensator. Besser noch mit irgendeinem 4µ7 
Keramik Kondi stützen. Ebenfalls würde ich die Drossel um 90° links 
drehen. Die Wärmefallen kannst ruhig wieder rein machen. Hab das auf der 
Arbeit damals ausgerechnet. Das ist so gut wie nichts was da anfällt. Da 
gehen auch 16A drüber... Erwärmt sich vll um 1-2°C.

Autor: Andre N. (fruchttiger)
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...zwischenzeitlich sind die 3 Prototypenplatinen angekommnen.

Aufbau hat auf anhieb geklappt.

Stromaufnahme für den DIM-eingang liegt bei 78µA !!!

Bei zwei Platinen steigt der Strombedarf auf erwartete 156µA

Das Bedeutet für mich, das der ATMega auch bei 24stk. nur Müde lächeln 
wird. 24x78µA -> 1,5mA

Autor: Andre N. (fruchttiger)
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@Ralf:
welchen Kondensator meinst Du mit C1 ?
welches Via ?

Die Spule drehen ist ungünstig,
da die Spule dann mit den Leiterbahnen ins Gehege kommt.
Die Maße der Platine sind vorgegeben.

Autor: Andre N. (fruchttiger)
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Rückmeldung zu dem Projekt

24 Platinen je 4 LEDs ergeben 96LEDs die mittlerweile wunderbar bei 1,4A 
leuchten.
Alle 24 sind mit jeweils einem 100Ohm widerstand parallel an den 
PWM-Ausgang des µC angeschlossen. Strombedarf für das PWM-Signal liegt 
bei 1,4mA

vielen Dank Euch allen
Wer noch fragen bei ähnlichen Projekten hat darf sich gerne melden.

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