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Forum: Platinen Sternförmige Masse bei mehreren Spannungsebenen?


Autor: Martin (Gast)
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Hallo zusammen,

ich habe ein kleines Verständnisproblem und möchte euch mal um Hilfe 
bitte.

Ich habe eine Schaltung in der ich aus einer Betriebsspannung (8-40V) 
mittels eines Schaltreglers 5V erzeuge. Diese 5V benötige ich an 
mehreren Stellen. Des weiteren habe ich einen weiteren Schaltreger der 
mir aus 5V 10V erzeugt. Auch an dem habe ich mehrere Verbraucher.

Jetzt möchte ich um Störungen zu vermeiden eine Sternförmige Masse 
routen. Muss ich da alle Spannungsebenen auf eine Masse routen oder 
bekommt jede Spannungsebene einen eigenen Massepunkt?

Variante 1:
1. Massepunkt am Eingang - Stern auf Schlaltregler auf 5V und auf 
Leistungsteil

2. Massepunkt am Ausgang 5V - Stern auf Schaltregler, auf uC und weitere 
Verbraucher

3. Massepunkt am Ausgang 10V ....

Variante 2:
Alle Massen auf Stern am Eingang führen...


Wer kann mir plausibel erklären was günstiger ist!

Vielen Dank
Martin

Autor: Profighost (Gast)
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Hallo Martin

Kurz vorweg solltest Du Dir überlegen, ob Du die 10V nicht auch aus den 
8-40V erzeugst, statt sie aus den 5v wieder hochzusteppen;
Stichworte: Gesamtwirkungsgrad und ent. Wärmeverluste (Gerade 
Aufwärtswandler sind recht mies im Wirkungsgrad.)

Weiterer Tipp vorweg:
Schau mal bei www.national.com rum (falls nicht schon geschehen) - unter 
den WEBbenchtools gibt's echt coole und mächtige Tools, die Dir bei 
einem Design helfen können, wenn Du keine grossen Ströme (ca. > 15A) 
fahren willst.
Da gibt's vielleicht auch nen Teil, dass Dir beide Aufgaben in einem 
erledigt.

Okay, zu Deiner Sternpunktfrage:

Letzlich müssen alle Massen auf einen Punkt zurückgeführt werden; also 
verbunden sein.

Du solltest aber nicht nur zwischen den einzelnen Kreisen unterscheiden, 
sondern vor allem auch im jeweiligen Kreis selbst die Massen 
entsprechend trennen.
Also, wo Dampf drauf liegt (viel Strom fliesst) - kurz, direkt und 
breit, und wo die Massepunkte der restlichen Schaltung liegt; also vor 
allem Deine R, die eine Rückmeldung geben, fangen an 'La Paloma' zu 
singen, wenn sie mit ihrem Fuss im Strom stehen oder auch schon die EM 
Einträge davon zu spüren kriegen.

Im Hinterkopf immer überlegen, dass es dem realen Strom relativ egal 
ist, ob eine Cu-Fläche als 'Masse' oder 'GND' bezeichnet wird - er sucht 
sich einfach den kürzesten Weg, zurückzufliessen - und geht dabei in die 
Breite.

Alles, was sensibel (hochohmig, kleinstromig), ist, sollte möglichst 
weit davon entfernt sein, und über einen Umweg - an eine 
'Strom-ruhige-Stelle' angeschlossen werden, damit wieder gleiches 
Potential hergestellt wird.
Als 'Stern' würde ich das in der DC-Technik jetzt nicht unbedingt 
bezeichnen wollen - aber egal.

Auch wichtig:
Schleifen sind auch möglichst zu vermeiden.

Also kurz:
Da, wo die Leistungsströme der Wandler zurückfliessen, möglichst eine 
geschlossene, homogene Cu-Fläche, am besten auf Gegenseite zu den 
Bauteilen, und für jeden Wandler getrennt.
Ich persönlich bevorzuge hier geschlossene Anbindung der Pins in die 
Flächen.

Die anderen Masse-Leiterbahnen weiträumig davon entfernt führen, und an 
einem Punkt, der weit weg vom pulsenden Geschehen liegt, anschliessen.
(Thermofallen sind hier auch nicht kontraproduktiv).

Letzlich dann alle Masse-Bereiche (sollten in Deinem Fall ja dann zwei 
werden), mittels einer dünnen Leiterbahn an einer abseitigen Stelle 
miteinander verbinden.


Letzter Tipp:
Layout bei Spannungswandlern ist eine Spezialität für sich.
Nicht frustriert sein, wenn's nicht auf Anhieb stabil läuft.
Orientier Dich am besten an Layouts bestehender Wandler.

Grüsse

Autor: Mine Fields (Gast)
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Die Masse verteilt man am besten über eine einzige Fläche.

Wenn die Versorgungsspannungen in verschiedenen Schaltungsteilen 
verwendet werden, kann man über Masseinseln nachdenken, aber in der 
Regel ist eine einzige Fläche eine gute Lösung.

Autor: Profighost (Gast)
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Im Anhang mal skizziert, wie ich das meine.

Klar wäre eine einzige Massefläche letzlich am besten.

Man sollte aber einfach sicherstellen, dass kein grosser Strom aus dem 
Leistungsteil direkt am Massepin des Spannungsteilers oder des uC 
vorbeiströmt, weil die somit eben keinen sauberen, stabilen, definierten 
Massepunkt mehr besitzen - und das geht eben mit am einfachsten mit 
einer eigenen Leiterbahn....

Sonst "tanzt der Referenzpunkt wie eine Boje auf den Wellen".
Und das endet schnell bei singenden oder pfeifenden Schaltungen (sieht 
u.U. auch auf dem Oszi lustig aus) :-)))

Und wenn man Referenzlayout sieht (Einfach auch mal hier ein paar Seiten 
im Forum stöbern; gefühlt die Hälfte aller Layout-Feedback-Anfragen 
beziehen sich auf Schaltwandler) erkennt man schnell, dass sensible 
Leiterbahnen getrennt von der anderen Massefläche geführt werden - und 
ich bin bisher damit auch am besten gefahren.

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Profighost schrieb:
> Im Anhang mal skizziert, wie ich das meine.
>
> Klar wäre eine einzige Massefläche letzlich am besten.
>
> Man sollte aber einfach sicherstellen, dass kein grosser Strom aus dem
> Leistungsteil direkt am Massepin des Spannungsteilers oder des uC
> vorbeiströmt, weil die somit eben keinen sauberen, stabilen, definierten
> Massepunkt mehr besitzen - und das geht eben mit am einfachsten mit

Ja schon. Aber wenn man die Wahl hat zwischen einer Massefläche oder 
einzelnen Leiterbahn ist die Massefläche vorzuziehen, denn per 
Daumenformel wird hier die Spannungsschwankung niedriger sein am Masse 
Pin (trotz dem höheren Strom), da der Widerstand einer Massefläche 
WESENTLICH geringer ist als eine Leiterbahn (zumindest, wenn sie keine 
Engstellen aufweist).

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Simon K. (simon) Benutzerseite

>Pin (trotz dem höheren Strom), da der Widerstand einer Massefläche
>WESENTLICH geringer ist als eine Leiterbahn (zumindest, wenn sie keine
>Engstellen aufweist).

Nö, wenn hohe, geschaltete Ströme im Spiel sind, gilt immer noch Old 
School Sternverdrahtung. Hab ich vor kurzem auch wieder erfahren müssen 
:-0

MfG
Falk

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Falk Brunner schrieb:
> @  Simon K. (simon) Benutzerseite
>
>>Pin (trotz dem höheren Strom), da der Widerstand einer Massefläche
>>WESENTLICH geringer ist als eine Leiterbahn (zumindest, wenn sie keine
>>Engstellen aufweist).
>
> Nö, wenn hohe, geschaltete Ströme im Spiel sind, gilt immer noch Old
> School Sternverdrahtung. Hab ich vor kurzem auch wieder erfahren müssen
> :-0

Dann aber am besten jeden Ast als eigene Massefläche ausführen, oder 
halt als fette Leiterbahn.
Ein Problem, das in einem anderen Thread stand war, dass man sich leicht 
Schlitzantennen baut, wenn man Leiterbahnen mit stark pulsierenden 
Strömen aufteilt.

Kommt natürlich außerdem immer drauf an, was sonst noch an der Masse 
ist. Wenn nur Digitalgedöns dran hängt, dann ist das wohl erst bei 
höheren Strömen kritisch.
Aber bei Audioverstärkern mit Schaltregler aus dem Auto zum Beispiel 
sieht das wieder ganz anders aus, weil man da eine noch viel höhere 
Anforderung an die Masse-"Reinheit" setzt.

Autor: Profighost (Gast)
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Also ich rede aus praktischer Erfahrung und von Wandlern mit Strömen zw. 
10A @ 1MHz bis 30 A @ 100kHz - so, was ich so bisher so gebaut habe.

Wenn so gepulste 20A @ 150kHz sach ich jetzt einfach mal so, auf ihrem 
Rückweg von der Ausgangkapazität zur Eingangskapazität vor dem 
schaltenden FET direkt den 'Fusspunkt' des Spannungsteilers (Rückführung 
Regelkreis) und Massebasis des Schalt-IC (wegen mir uC) umspülen, dann 
ist's egal ob die mit einer Wärmefalle oder nicht an die Massefläche 
angebunden sind.
Das Masseströmchen dieser Baugruppen wird im Rauschen der fetten 
Stromschnellen schön verwirbelt - um's mal ein wenig bildlich 
auszudrücken.
Da kann dann man froh sein, wenn das Teil überhaupt quietscht, also 'La 
Paloma' singt; im Regelfall wird es vermutlich einfach rein gar nix tun,
weil der Schaltregler IC vor lauter 'Seegang' und Störungen überhaupt 
nicht mehr weiss, wo überhaupt 0V liegt, und gegen was er ansteuern 
soll...

In meiner Skizze ist übrigens ein kleiner Fehler drin:
Natürlich müssen beide Schaltkreise mit einer dicken Massenverbindung 
Fläche! - ich hab das in der Skizze lediglich mit Linien dargestellt, um 
'dick' und 'dünn' und die Trennung der Schaltkreise hervorzuheben - mit 
dem Eingang angebunden werden.

Aber die GND-Punkte der Messleitungen und Massepunkte der ICs sollten 
nicht auf derselben Fläche liegen.

Theoretisch wär das natürlich am besten.
Aber praktisch wird man beim Layout feststellen, dass von der Anordnung 
der Bauteile und der Lage der Pins der volle Leistungstrom bei einer 
einzigen massiven Kupferfläche voll durch sensibles Gebiet dröhnt - und 
eben dieses ist absolut zu verhindern.

Denn die relative hohen Strompulse erzeugen Spannungsschwankungen - auch 
in grossen Kupferflächen - die nicht unerheblich sind, wenn man sich die 
Werte anschaut, mit welcher der sonstige Regelkreis läuft respektive 
seine Regelgrössen weitergegeben werden.

Noch mal nen Hinweis an Martin:
Vielleicht solltest Du zunächst eine Stufe bauen, die Deine 8...40V auf 
Deine 10V bringt und aus diesen dann nochmals Deine 5V abzweigen; wo ich 
so drüber nachgedacht habe, könnte das den besten Gesamtwirkungsgrad 
ergeben - aber Okay, das hängt natürlich auch von den jeweiligen Strömen 
für die beiden Spannungsbereiche ab.

Du solltest das aber mal durchrechnen - zumindest überschlagsmässig.
Dein Wirkungsgrd verbrät Dir ja nicht nur Eingangsleistung - was z.B. 
bei einem Batteriebetrieb sehr unvorteilhaft wäre - sondern erzeugt Dir 
auch jede Menge Abwärme -> Kühlung -> Kühlkörper -> Platz -> Belüftung

Und noch ein Tipp:
Setz diesen Schaltwandler unbedingt möglichst weit weg von all Deinen 
anderen Schaltkreisen.
Hast Du sensibles Zeugs drauf (Analogmesseingänge oder sowas) überleg 
Dir da auf jeden Fall, ob Du da nicht noch nen Schirm drüberziehst 
(wenn's ne Hobby-Bastelei ist tut's schon ne Keksdose ;-)
Steile Flanken (hohe Frequenz) und hohe Ströme (so ab 2...3A) und das 
Teil brummt Dir durch die ganze Bude
- nicht dass Du Dich nachher vielleicht wunderst:
"Mann, was ist das denn da für ein Dreck auf dem Bus?" ;-))

Autor: Martin (Gast)
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Hallo zusammen,

vielen Dank für die vielen Antworten. Hätte gar nicht gedacht, dass es 
dazu eine so gute Diskussion zu Stande kommt. Ich denke ich habe sehr 
gut verstanden. Im Anhang mal etwas näher zu meinem Beispiel.

Auf der unteren linken Seite ist die Einspeisung.
Der große Chip auf der Unterseite ist eine komplette Vollbrücke für 3 
Phasen. Es soll ein Steller/Regler für BL-Motoren werden...!

Die 5V benötige ich für den uC und weitere Sachen auf dem aufgesetzten 
Steuerteil. Die 10V nur für die FET Treiber. Wir reden bei den 10V von 
max. 20mA. Bei den 5V von 500 - 1000mA.

Martin

Autor: Theo G. (Gast)
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Wenn Du keine Firmen- oder Militärgeheimnisse ausplaudert, wäre ein 
Schaltplan dazu nicht ganz unvorteilhaft; muss nicht unbedingt alles 
voll im Detail drauf sein, aber so die Größenordnungen der Cs und Rs 
wären  schonmal hilfreich, um Spekulationen zu minimieren ;-)

Wenigstens nen Bestückungsplan mit Bauteilgrössen wär schon mal eine 
Hilfe.

So auf den ersten oberflächlichen Blick kommen mir die 4 Kondensatoren 
links vielleicht ein wenig übertrieben für die paar Milliamperchen vor - 
aber ich mag mich da auch täuschen, da anhand des Lauyouts keine 
wirklichen Bauteilwerte eingeschätzt werden können.
Andererseits:
Wenn Dir Wirkungsgrad und Kosten egal sind, kannstes bei Schaltwandlern 
mit Kapazitäten fast nicht übertreiben :-))

Weiter:
Ich find's auf den ersten Blick ein wenig 'um die Kurve' geroutet, wenn 
Du verstehst, was ich meine.
Das könnte bei höheren Frequenzen evtl. unschön werden....

Ist die Form und Grösse des PCB so fix vorgegeben, oder dürfte es auch 
schmaler und dafür länger werden?

Was liegt denn auf den beiden schmalen Leiterbahnen links, die unter den 
vier dicken Elkos drunter her gehen?
Doch hoffentlich keine Mess- oder Steuerleitung oder?
(die innere sieht mir ziemlich nach Masse  aus.... aber die andere?)
Unter den Jungs gehts im Betrieb nicht gerade rauscharm zu ;-)

Apropos:
Mit welcher Frequenz willst Du das Teil denn betreiben?

Gerade bei höheren Frequenzen empfiehlt es sich, zu den ElKos noch etwas 
schnelleres, hochqualitativeres parallezuschalten: Tantal oder nen 
dicken Keramik-C....

...aber ich schau mir das, wenn ich dazu komme, die Tage mal genauer an.

Autor: Theo G. (Gast)
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moin.

Ich geh mal davon aus, dass die vier grossen C auf der linken Seite in 
Deinem Layout die Eingangskapazitäten darstellen - je 2 für Deine beiden 
Spannungskreise.
Diese müssen unbedingt so dicht als irgendmöglich an die Schalter 
platziert werden!

Anbei mal ein, zwei Vorschläge meinerseits, wie mit der 
Bauteilplatzierung vielleicht schon ein günstigeres Layout erreicht 
werden könnte.
Wie gesagt:
Alles unter Vorbehalt, da ich ja gar nicht weiss, welche Bauteil da wo 
welche Aufgaben bzw. welche Grösse haben.

Frage:
Was sind denn das für Dioden?
Sind das Freilaufdioden?
Dann sollten Die auch unbedingt:
1.) so dicht an den Schalter als irgendmöglich
und 2.) auf mit großzügig Cu angeschlossen werden, und nicht nur mit 
einer Leiterbahn.

Alles, was den Strom der wandelnden Spannungen führt (Eingang & 
Ausgang),
ob + oder GND, mit möglichst breiten, aber kurzen und direkt-geraden 
Kupferflächen verbinden - den Kreis so klein, kompakt und eng wie 
irgendmöglich halten.
Alles andere davon möglichst weit weg.


...ausserdem vermisse ich noch Induktivitäten....


Wie gesagt:
Ohne Schaltplan/Bauteilbezeichnungen ist das mehr Spekulation,
als wirklich hilfreich.

Grüsse

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