Ripple am Schaltregler

OP (Firma: OpenKNX) #6469240
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Hallo,

ich hab eine KNX Transceiver Schaltung auf einem kleinem PCB gemacht.
Siehe auch hier: Beitrag "Mein KNX Breakout  Shield  Busankoppler"

Der Schaltregler ist in den NCN5120 integriert und die äußere 
Beschaltung hab ich nach Datenblatt 
(https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwjl_f7h9_TsAhWPTcAKHbqUALMQFjAAegQIAhAC&url=http%3A%2F%2Fwww.onsemi.com%2Fpub%2FCollateral%2FNCN5120-D.PDF&usg=AOvVaw1kEeX4bMsM2ZQQDl9yNeht) 
vorgenommen.

Die Frequenz des Buck Converters ist im DB nicht angegeben, habe aber 
von 300kHz gelesen.

Mein Schaltplan, siehe Anhang.


Hinweise dazu:
C41 ist nicht bestückt bzw in dem Layout noch nicht vorgesehen, das kam 
erst später dazu, das Datenblatt hat den im Referenzlayout leider nicht 
drin, nur den Elko.

L1+L2: TDK VLS5045EX-221M 
https://product.tdk.com/info/en/catalog/datasheets/inductor_commercial_power_vls5045ex_en.pdf

C10+C11: Samsung CL10A106KP8NNNC 
http://weblib.samsungsem.com/mlcc/mlcc-ec-data-sheet.do?partNumber=CL10A106KP8NNN

Ergebnis ist das mit 160R auf der 3V3 ein Ripple von ca. 200mV zu sehen 
ist. (Anhang) Ein bischen viel. Vor allem auch, weil auf dem käuflich zu 
erwerbenden Testboard mit dem NCN5130 (Nachfolger) die 3V3 ziemlich 
sauber rauskommen..

Bzgl. Schaltregelerdesign bin ich bloody beginner. Könnte ihr mir 
vielleicht weiterhelfen?
Angehängte Dateien:
Gast #6469248
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Wie kommst du auf den Induktivitätswert für L1 und L2 ?

gelesen ? :

"When
using low series resistance output capacitors on DC2, it is
advised to split the the current sense resistor as shown in
Figure 12 to reduce ripple current for low load conditions."

Das Ding hat also sowieso Probleme mit Ripple und möchte wohl lieber 
high ESR Kondis.
OP (Firma: OpenKNX) #6469266
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Die Werte für L1 und L2 sind aus dem Datenblatt. Table 6, Seite 15.

Das "Problem" ist, dass die Schaltung Einsatzfälle von ~10ma bis 100mA 
abdecken soll.

Ich verstehe gerade auch nicht, was der von dir zitierte Hinweis 
bedeutet. Figure 12 finde ich nämlich keine passende. Er betrifft 
außerdem explizit DC2, und tatsächlich hab ich auf den 5V keinen 
Ripple...
OP (Firma: OpenKNX) #6470570
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Gast #6470914
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ja zwei Layer. Der Buck Converter soll eigentlich "gutmütig sein".
Ich bin bloody Beginner, ja. Ich mache Fehler. Ich möchte dazu lernen.

Nunja, ich hab nun aber auch ein paar Erkentnisse gewonnen.
Die obige Messung im ersten Beitrag hat jemand anders gemacht. Gleiches 
EuT, aber nicht das selbe. dort sieht man doch 200mV Ripple, oder?!

Ich komme da erstmal auf "nur" 20mV Ripple mit ca. 30kHz. bei 160R Last 
und 3.3V.
Keine Ahnung wie der Kollege da gemessen hat.

20mV bei 3,3V sind nicht toll, aber doch eigentlich noch tolerabel, 
oder?

So, weiter.
Ich hab auf den C10 nochmal einen 10µF oben drauf gepackt.

Resultat: Ripple geht auf 10mV runter.

Was kann ich daraus schließen?

C zu klein? ESR zu groß ? Beides ?

Ich lass bei JLCPCB bestücken, da ist die Bauteilauswahl auch 
beschränkt...


Weitere interessante Erkentnis: mit einem sehr ähnlichen Layout mal den 
NCN5120 gegen das Nachfolgemodel 5121 verglichen. 25mV vs. 5mV.
Angehängte Dateien:
#6470922
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HansImLot schrieb:
> Welchen Ripple garantierst du ihm denn, wenn du ihm das routest? :-)

Je nachdem wie er es braucht garantiere ich ihm mehr als 500 mV oder 
weniger als 50 mV ;) :D

Schau dir nur mal die Strompfadkreuzungen an. Ich denke das bekäme ich 
besser hin und ich bin auch kein Experte. Aber oben wurden ja schon 
Guidelines angegeben zu Schaltreglerdesigns ;)
#6470941
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Zum Layout:
Die Spule und IC auf unterschiedlichen Seiten der Platine zu platzieren 
und nur über ein Via und dünne Leiterbahnen zu verbinden finde ich sehr 
Grenzwertig. Gut, kann man vielleicht machen, würde ich aber nicht 
machen weil man da eben ohne Not etwas eindesignt was Ärger machen 
könnte.

Das hier sieht bis auf die dünnen Leiterbahnen ganz gut aus:
https://www.onsemi.com/pub/Collateral/EVBUM2338-D.PDF

hinz schrieb:
> Nur zwei Layer? Das wird ehr nichts.

Das geht schon, ist aber nicht so einfach.
(Firma: vyuxc) #6470987
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Gustl B. schrieb:
> Zum Layout:
> Die Spule und IC auf unterschiedlichen Seiten der Platine zu platzieren
> und nur über ein Via und dünne Leiterbahnen zu verbinden finde ich sehr
> Grenzwertig. Gut, kann man vielleicht machen, würde ich aber nicht
> machen weil man da eben ohne Not etwas eindesignt was Ärger machen
> könnte.

Gerade sowas ist doch kein Problem. Die Induktivität des Vias addiert 
sich zur Spuleninduktivität.

Was wird denn eigentlich erwartet? 20mV S-S ist bei einem Elko am 
Ausgang nichts ungewöhnliches.
Die Stabilität sieht man am Switchnode.
#6471002
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Michael X. schrieb:
> Gerade sowas ist doch kein Problem. Die Induktivität des Vias addiert
> sich zur Spuleninduktivität.

Stimmt, danke! Ich finde die Platzierungen trotzdem nicht toll. 
Betrachte alleine mal diese dünne Masseleitung die da eine schöne 
Schleife bildet und zwar auch teilweise über einer Spule. Das kann man 
definitiv besser machen auch wenn es vielleicht so funktionieren sollte.
OP (Firma: OpenKNX) #6471139
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Michael X. schrieb:
> Was wird denn eigentlich erwartet? 20mV S-S ist bei einem Elko am
> Ausgang nichts ungewöhnliches.

Eingangs standen noch 200mV im Raum. Das hat jemand anderes gemessen, 
wie, keine Ahnung.
Ich sehe nun 20mV, und das wäre denke ich ok, aber wenn man mit 
einfachen Mitteln noch etwas runter kommt nehm ich das gerne mit.


hinz schrieb:
> Er hat aber X5R dran.
richtig

Pandur S. schrieb:
> Das ist so ein Dielektrikum, welches bei Nennspauung noch 20% der
> Nennkapazitaet hat ...

ok - wären 22uF dann besser... ?

als 0603 noch verfügbar. oder auch 0805 (dann wird der ESR 
wahrscheinlich besser, oder?
Oder lieber 2 0603 parallel? bisserl Platz finde ich noch.

Gustl B. schrieb:
> Michael X. schrieb:
>> Gerade sowas ist doch kein Problem. Die Induktivität des Vias addiert
>> sich zur Spuleninduktivität.
>
> Stimmt, danke! Ich finde die Platzierungen trotzdem nicht toll.
> Betrachte alleine mal diese dünne Masseleitung die da eine schöne
> Schleife bildet und zwar auch teilweise über einer Spule. Das kann man
> definitiv besser machen auch wenn es vielleicht so funktionieren sollte.

Die Masseleitungen sind eigentlich nicht so dünn. habe es mal orange 
einskizziert.

Gustl B. schrieb:
> Du hast einen Fehler in deinem Schaltplan:
>
> V20 und VFILT sind verbunden und sollten nicht verbunden sein, siehe
> https://www.onsemi.com/pub/Collateral/EVBUM2186-D.PDF Seite 8.

Danke fürs mitdenken! Aber tatsächlich gibt es eine kleine Randnotiz, 
die bei Nichtnutzung des V20 ein short auf VFILT erlaubt. Table 6, Note 
14: "It’s allowed to short this pin to VFILT−pin."
Angehängte Dateien:
OP (Firma: OpenKNX) #6471142
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H. B. schrieb:
> VFILT muss mit Vin verbunden sein und braucht einen ca. 100µF
> Abblockkondensator.
>
> V20 darf nicht mit VFILT und Vin verbunden werden.
>
> V20 braucht einen ca. 1µF Abblockkondensator.

Seite 17:

"Whenthe V20V regulator is not used, no load capacitor needs tobe 
connected  (see  C7  of  Figures  13,  14  and  15).  ConnectV20V−pin 
with VFILT−pin in this case"
OP (Firma: OpenKNX) #6471998
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Gustl B. schrieb:
> So, es geht auch einseitig mit zwei Lagen.

Respekt, dass du sowas mal aus dem Ärmel schüttelst.
An meinem Layout, an dem ihr ja wenig Gutes lasst, hab ich 2 Wochen 
optimiert... Lehrjahre sind keine Herrenjahre.

Nunja, deinen Vorschlag zu übernehmen ist nicht drin, ich muss auf ein 
19x23er PCB...
Ich kann auch niemanden dafür bezahlen, das ist ein Non-Profit-Projekt 
für eine Open-Source Entwicklung.

Bei etwas googlen hab ich das hier gefunden:
http://www.lothar-miller.de/s9y/archives/2012/03/C40.html

Und ich hab mal versucht die kritischen Strompfade in meiner Schaltung 
zu identifizieren.

Ist das so richtig (siehe Anhang)?
Angehängte Dateien:
#6472076
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Sir S. schrieb:
> Nunja, deinen Vorschlag zu übernehmen ist nicht drin, ich muss auf ein
> 19x23er PCB...

Das sind dann Millimeter? Kein Problem, das kann man schon noch kleiner 
bauen. Im Anhang habe ich das mal versucht. Dazu musste ich den 100 uF 
Elko auf die Unterseite setzen. Der Rest ist noch oben.

Sir S. schrieb:
> An meinem Layout, an dem ihr ja wenig Gutes lasst, hab ich 2 Wochen
> optimiert... Lehrjahre sind keine Herrenjahre.

Das war bei mir am Anfang auch nicht anders. Da musst du durch. Aber: 
Aus Fehlern lernt man. Das nennt sich "Emporscheitern".
Angehängte Dateien:
OP (Firma: OpenKNX) #6472242
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wow, Danke. Ich werde mir dein Layout mal vornehmen und nachbauen und 
sehen was ich davon übernehme!
Spulen auf der einen, Elko auf der anderen macht das fertige Modul zu 
dick.

Aber die Spulen auf die andere Seiten bringen dürfte nicht das Problem 
sein... vorher hieß es ja mal die Vias sind kein Thema, weil deren 
Induktivität nicht stört.

Kannst du zu den skizzierten Strompfaden was sagen? Habe ich die korrekt 
identifiziert?
#6472352
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Sir S. schrieb:
> Spulen auf der einen, Elko auf der anderen macht das fertige Modul zu
> dick.

Hm, du könntest einen flachen SMD Elko/Tantal nehmen.
https://www.mouser.de/ProductDetail/Vishay-Sprague/T52M1107M035C0055?qs=sGAEpiMZZMsh%252B1woXyUXj%2F4%252BIY%252Bzcg7uGeIzSJByrHA%3D

Sir S. schrieb:
> Kannst du zu den skizzierten Strompfaden was sagen? Habe ich die korrekt
> identifiziert?

Sorry, ich habe mich nicht weiter mit dem Baustein beschäftigt.

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