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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Störspitzen aus einer Spannung filtern


Autor: Gregor Rudorfer (Gast)
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Hallo

Ich hab mir einen Schaltregler mit einem TPS5430 Schaltregler von TI 
zusammengebastelt. Ausgangsspannung 5V 1,5Amax.

Nun hab ich die Ausgangsspannung einmal mit meinem Oszi nachgemessen und 
siehe da es gibt nadelförmige Impulse auf der sonst eigentlich perfekten 
Ausgangsspannung. Diese nadelförmigen Impulse haben wie könnte es anders 
sein die genau gleiche Frequenz wie der Schaltregler selbst (es handelt 
sich um einen Schaltregler mit fixer 500kHz Schlaltfrequenz).

Ich hab nun schon einige verschiedene Kondensatortypen, Tantal 
Elektrolyt kleinerer Kapazität (wegen der kurzen Impulsdauer) 
ausprobiert, jedoch ohne Erfolg.

Am Ausgang hängen derzeit folgende Kondensatoren parallel

vom Schaltreglerausgang beginnend:

220uF/ 6,3V Tantal Low ESR
100nF X7R Standard
3,3uF/ 50V Tantal Low ESR
10nF X7R Standard
dann ein ferrit in Reihe
danach:
3,3uF/ 50V
100nF XR7 Standard
3300uF/ 16V

Hat jemand einen Tipp wie ich die hochfrequente Störung filtern kann?
Oszibild im Anhang!

Autor: A. K. (prx)
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Autor: Gregor Rudorfer (Gast)
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Das glaub ich weniger!

Hab das ausprobiert. Die Spannungsspitzen sind jetzt zwar kleiner, das 
Signal ist aber mehr verrauscht wie vorher (siehe Bild).

P.S.:
Die Spannungsversorgung versorgt eine µC Schaltung (ATMEGA32) und ein 
Display mit Hintergrundbeleuchtung. Ist die Hintergrundbeleuchtung an 
ist der Schaltregler schon gut belastet, ich vermute mal so um 85% der 
Maximallast.

Autor: A. K. (prx)
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50mVpp sind nicht wirklich ein Drama und werden weder den Controller 
noch das Display stören.

Autor: Dennis (Gast)
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Was für ein Ferrit?

Autor: Stefan Wimmer (wswbln)
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...wie sieht das Layout aus und wo klemmst Du beim Messen die Masse an?
Welche Bauteile (Diode, Spule) verwendest Du?

Stören Dich die Spitzen nur persönlich oder machen die sich auch in der 
Schaltung bemerkbar?

Autor: Gregor Rudorfer (Gast)
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Hallo

A.K. hatte Recht. Ich hab das mit der Massefeder probiert, ist bei mir 
jedoch leider fehlgeschlagen, da ich alles in sehr kleiner fuzzeliger 
SMD Bauweise aufgebaut hab. So hab ich einen Workaround gefunden. Ich 
hab einfach an die vorderste Massefläche des Tastkopfs einen kurzen 
Draht hewickelt und damit den Ausgangselko kontaktiert. Somit hab ich 
eine Schleife von max. 1cm gehabt, sodass sich die Störung nicht 
ausgewirkt hat.

Jetzt ist mir auch klar wo ich mir die steilen Spannungsspitzen 
eingefangen hab. Ich hab den Ground Clip direkt an den Minuspol der zu 
Platine führenden Stomversorgungsleitung geschlossen. Blöderweise führte 
bei dieser Kontaktierungsart die ca. 10cm lange Leitung des Ground Clips 
direkt über die nicht geschirmte Leistungsinduktivität des Schaltreglers 
was die hochfrequenten Störungen einkoppelte.

Im Anhang die perfekte Ausgangsspannung mit nur mehr 7,5mV ripple!

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Gregor,

das Problem dürfte beim Ferrit liegen. Erstens, haben diese bei 500kHz 
meist noch keine nennenswerte Impedandz und zweitens, geraten sie bei 
DC-Strömen schnell in die Sättigung.

Probier doch mal so etwas

http://www.we-online.de/katalog/de/we/katalog/inde...

eventuell mehrere davon hintereinander.

>danach:
>3,3uF/ 50V
>100nF XR7 Standard
>3300uF/ 16V

Von denen hat aber auch keiner so richtig Biß bei 500kHz, oder? Der 
100nF hat da noch nichts und der 3300µF nichts mehr. Und der 3,3µF, wenn 
es ein Tantal ist, hat auch nicht wirklich was. Probier doch einen 
keramischen High-Cap, 10µF/10V/0805/X7R oder ähnlich.

Kai Klaas

Autor: A. K. (prx)
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Kai Klaas schrieb:

> das Problem dürfte beim Ferrit liegen. Erstens, haben diese bei 500kHz
> meist noch keine nennenswerte Impedandz und zweitens, geraten sie bei
> DC-Strömen schnell in die Sättigung.

500KHz hat der Regler, nicht die Spitzen. Wenn die echt gewesen wären, 
dann wäre ein Filter für 1-2stellige MHz durchaus richtig gewesen.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo A.K..

>500KHz hat der Regler, nicht die Spitzen.

Doch, doch, auch die Spitzen. Die Spitzen besitzen ein Spektrum von 
500kHz, 1,0MHz, 1,5MHz, 2,0MHz, u.s.w. Ein Tiefpaß im 2stelligen 
MHz-Bereich erscheint mir zu hoch.

Kai Klaas

Autor: Dennis (Gast)
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Kai,

ein Schaltregler kann durchaus ein Spektrum von der Schaltfrequenz bis 
50 MHz erzeugen, und sogar nochmehr, wenn man sich einen passenden 
Schwingkreis in den Filter einbaut.

Der 3300er ist alelrdings wirklich wirkungslos. Der 220er ist auch nicht 
so toll gewählt, denke ich - 47 µF müsste reichen. Und dann halt ein 
Kerko parallel dazu. 10 nF ist wahrscheinlich zu wenig, 100 nF hört sich 
gut an...

Gruß

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Dennis,

>ein Schaltregler kann durchaus ein Spektrum von der Schaltfrequenz bis
>50 MHz erzeugen, und sogar nochmehr, wenn man sich einen passenden
>Schwingkreis in den Filter einbaut.

Jetzt hast du mich aber falsch verstanden. Ich meinte, daß die Filterung 
nicht erst bei 50MHz einsetzen sollte, also nur für Frequenzen >50MHz, 
sondern schon ab 500kHz! Eine Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters von 50MHz 
ist viel zu hoch, besser ist eine Grenzfrequenz, die schon die 
Grundschwingung von 500kHz nennenswert dämpft.

Kai Klaas

Autor: Dennis (Gast)
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> "Ich meinte, daß die Filterung nicht erst bei 50MHz einsetzen sollte"

Da haste natürlich Recht, die sollte ab 500 kHz anfangen. Aber das 
Problem in diesem Fall waren ja nur die kurzen Peaks alle 2 µs beim 
Umschalten, und die liegen im Spektrum wohl jenseits von 50 MHz.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Dennis,

>Aber das Problem in diesem Fall waren ja nur die kurzen Peaks alle 2 µs >beim 
Umschalten, und die liegen im Spektrum wohl jenseits von 50 MHz.

Also, wenn du unendlich kurze Nadelspikes alle 2µsec hast, dann bekommst 
du ein Fourier-Spektrum mit gleich großen Spikes von 500kHz ab aufwärts. 
Also bei 500kHz, 1,0MHz, 1,5MHz, 2,0MHz, 2,5MHz usw. bis in den GHz 
Bereich, theoretisch, die Grundschwingung und alle Harmonischen mit der 
gleichen Amplitude. Demnach steckt bereits im Frequenzbereich unter 
50MHz beachtliche Energie, sodaß es sich wirklich lohnt, schon bei 
500kHz und knapp darüber eine nenneswerte Dämpfung zu haben.

Wenn die Nadelspikes nicht unendlich kurz sind, so wie in der Praxis, 
dann reichen die Harmonischen nicht so weit hoch und deren Amplituden 
werden bei höherer Frequenz immer kleiner. Aber die Amplituden bei 
500kHz und darüber sind immer noch gleich groß, genauer, sie sind dort 
am höchsten.

Also, man muß wirklich schon ab 500kHz filtern, auch wenn die Spikes so 
aussehen, als ob sie von der Grundsschwingung garnichts enthalten.

Kai Klaas

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Dennis,

>Also, wenn du unendlich kurze Nadelspikes alle 2µsec hast, dann bekommst
>du ein Fourier-Spektrum mit gleich großen Spikes von 500kHz ab aufwärts.

Schau mal Abschnitt 6 von diesem Link

http://www.phonetik.uni-muenchen.de/studium/skript...

Kai Klaas

Autor: Dennis (Gast)
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Hallo Kai,

Ok, das hab ich mir angeschaut. Also, erstmal geht es nicht um Spikes, 
sondern um eine kurzzeitige exponentiell abklingende Schwingung. Das 
Spektrum sieht ein bisschen anders aus, das besteht zwar auf Spikes im 
Abstand von 500 kHz, die größten Amplituden treten dann aber bei der 
jeweiligen Schwingungsfrequenz auf, welche irgendwo im hohen MHz-Bereich 
liegen kann. (Ich nehme mal 100 MHz an.) Ein Filter mit einer 
Grenzfrequenz von 10 MHz (selbst 10 nF fangen da an zu filtern) kann 
dann immer noch den größten Teil der Spikes aus dem Spektrum rausfiltern 
- zwischen 10 MHz und 200 MHz (da werden die Spikes nennenswert 
schwächer) liegt immerhin noch ein großer Teil der im Signal enthaltenen 
Energie (380 Spikes). Zwischen 0 und 10 MHz liegen dagegen nur 20 
Spikes, und die auch noch mit relativ geringen Amplituden (liegt an der 
Signalform - siehe oben).

An anderer Stelle muss ich dir Recht geben, ein 10 µF Kerko dämpft auch 
diese hohen Frequenzen noch so gut, dass das Ergebnis dem oben 
angesprochenen 10 MHz-Filter kaum nachsteht. Das hätte ich so gar nicht 
gedacht.

Noch viel besser geht es mit einem Ferrit dazwischen, der dann bei der 
Schwingungsfrequenz eine nennenswerte Impedanz hat.

Das alles bezieht sich wie gesagt nur auf die Unterdrückung dieser 
Schwingungen - Dass es Schaltregler generell ab der Schaltfrequenz 
"bedämpft" werden muss will ich nicht bestreiten.

Gruß
Dennis

Autor: Wmmm (Gast)
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Ein orginal wer misst misst mist problem

Autor: Gregor Rudorfer (Gast)
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Hallo

Danke für eure Antworten


Folgender Ferrit wird verwendet:
http://www.industrieshop.at/product_info.php/info/...


Kai Klaas schrieb:

>Von denen hat aber auch keiner so richtig Biß bei 500kHz, oder? Der<
>100nF hat da noch nichts und der 3300µF nichts mehr.<

Der 3300uF Kondensator dient ja auch nicht der Störunterdrückung sondern 
der Glättung der Sägezahnartigen Spannung die aus dem Schaltregler 
kommt.

Dennoch frag ich mich wieso ihr noch immer über die Spikes diskutiert wo 
ich ja in meinem letzten Betrag bereits geschrieben hab, dass die Spikes 
von dem Ground Clip, der ca. 10cm lang ist, und blöderweise direkt über 
die Leistungsinduktivität des Schaltreglers gelegt wurde, aufgenommen 
worden sind. Nachdem ich den Groundclip abmontiert hab und direkt vorne 
an der Tastspitze einen kurzen ca. 1 cm langen Draht fixiert hab, waren 
die Spikes wie vom Erdboden verschluckt und die Ausgangsspannung hatte 
nur mehr einen Ripple von 7,5mV, was schon sehr sehr wenig ist.

In diesem Fall sollten wir uns nicht fragen ob der Ferrit passt, sondern 
ob die Leistungsinduktivität geschirmt ausgeführt werden sollte.

Lg GRegor

Autor: Dennis (Gast)
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Hallo,

>>Von denen hat aber auch keiner so richtig Biß bei 500kHz, oder? Der<
>>100nF hat da noch nichts und der 3300µF nichts mehr.<

>Der 3300uF Kondensator dient ja auch nicht der Störunterdrückung sondern
>der Glättung der Sägezahnartigen Spannung die aus dem Schaltregler
>kommt.

Ja, selbst dafür ist er noch zu groß. Diese Sägezahnartige Spannung ist 
eigentlich zusammengesetzt aus 500 kHz, 1,0 MHz, 1,5MHz, ... und selbst 
für 500 kHz sind 3300 µF viel zu viel. Ein zu großer Kondensator hat 
dann eine unnötig hohe parasitäre Induktivität, was ihn die hohen 
Frequenzanteile weniger dämpfen lässt.

Der Ferrit ist ok - Da die Störungen ja sowieso nicht echt waren.

Die Leistungsinduktivität abzuschirmen kann eigentlich nicht schaden - 
Ob es nötig ist, kann wahrscheinlich nur ein Besuch in einem Prüflabor 
aufzeigen...

Gruß

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Gregor,

>Dennoch frag ich mich wieso ihr noch immer über die Spikes diskutiert wo
>ich ja in meinem letzten Betrag bereits geschrieben hab, dass...

Ob du es glaubst oder nicht, ich habe deinen angesprochenen Beitrag 
gestern nicht gesehen! Er erscheint mir in diesem Thread erst heute.

Davon abgesehen mußt du es schon uns überlassen, worüber wir 
diskutieren.

Kai Klaas

Autor: Gregor Rudorfer (Gast)
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Hallo

Ich bin die letzten Tage nicht sonderlich viel zum Experimentieren 
gekommen, heute hab ich jedoch ein interressantes Phänomen entdeckt.

1.
Ich hab alle Tantalkondensatoren mit mehr als 1µF ausgenommen dem 
Ausgangselko des Schaltreglers ausgebaut.
2.
Interessanterweise Ist der Ausgangsspannungsriple mit einer Nennlast von 
ca. 5W minimal. Siehe Anhang.
3.
Stecke ich nun die Displayhinterleuchtung aus, braucht die Schaltung nur 
mehr 0,4W. Siehe da die Ausgangsspannung schaut wieder wie ein Dreieck 
aus mit 100mV Peak to Peak.

Ich verstehs nicht. Normalerweise müsste bei weniger Last der 
Ausgangskondensator die Spannung glätten. Bei hohen Ausgangsleistungen 
wäre es nicht verwunderlich, dass die Ausgangsspannung um einige 10mV 
Einbricht, doch in diesem Fall ist es völlig verkehrt. Bei hoher 
Ausgangsleistung schon knapp an der Grenze von 7,5W ist die 
Ausgangsspannung schön glatt. Sobald ich unter ca. 1W komme wird sie 
wieder Dreieckförmig.

Hab ich irgenwelche wichtigen Punkte bei der Dimensionierung der 
Ausgangselkos übersehen oder wie erklärt ihr euch dieses Phänomen?

Lg Gregor

Autor: Dennis (Gast)
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Sieht für mich so aus als würde der Regelkreis schwingen.

...

Was macht eigentlich diese 47nF-390Ohm-Kombi da?

Gruß

Autor: Gregor Rudorfer (Gast)
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Hallo

>Was macht eigentlich diese 47nF-390Ohm-Kombi da?<

Die sollte eigentlich das schwingen verhindern, da sie hochfrequente 
Schwankungen am Feedback Pin des tps5430 ausgleichen soll

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Gregor,

>Die sollte eigentlich das schwingen verhindern, da sie hochfrequente
>Schwankungen am Feedback Pin des tps5430 ausgleichen soll

Nachzulesen hier:

http://focus.ti.com/lit/an/slva237c/slva237c.pdf

>Hab ich irgenwelche wichtigen Punkte bei der Dimensionierung der
>Ausgangselkos übersehen oder wie erklärt ihr euch dieses Phänomen?

Das hat zu tun mit der "discontinuous conduction operation". Such in 
deinem Datenblatt mal unter "continuous"...

Kai Klaas

Autor: Dennis (Gast)
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Hallo,

Kai, meinst du dieses Feature dass bei niedriger Last zur 
Wirkungsgradsteigerung Pulse ausgelassen werden? (Macht das IC das 
überhaupt? Das Diagramm Efficiency vs Output Current sieht nicht gerade 
danach aus.)

Diskontinuierlicher Betrieb alleine erzeugt keine solche Schwingung... 
Es könnte natürlich sein dass der Regler im diskontinuierlichen Betrieb 
per se instabil ist. Das halte ich aber für unwahrscheinlich...

Die Grundwelle hat eine Frequenz von etwa 170 Hz, also das normale 
Ausgangsrauschen ist es jedenfalls nicht...

Ich könnte mir vorstellen, dass die Verzögerung des RC-Glieds bei 
niedrigen Lasten die Regelschleife instabil macht... Die Spannung steigt 
bei jeder Schwingungsperiode so schnell an, dass der Regler viel zu spät 
wieder abregelt und dadurch überschiesst, eben weil er den schnellen 
Spannungsanstieg zu spät bemerkt.

Gruß
Dennis

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Dennis,

>Die Grundwelle hat eine Frequenz von etwa 170 Hz, also das normale
>Ausgangsrauschen ist es jedenfalls nicht...

Könnte das nicht auch ein Messfehler sein? Wenn ich die Ablenkzeit bei 
meinem Digitaloszi zu niedrig einstelle, sehe ich manchmal die wildesten 
"Artefakte".

Kai Klaas

Autor: Dennis (Gast)
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Hallo Kai,

In dem Oszi-Bild steht unter Zeitbasis: "10MS/s". Das müsste ja 
eigentlich reichen um das Signal vernünftig darzustellen.

Gruß

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Nimm doch mal die FB-Spannung (R2) nicht erst nach der Filterdrossel 
L7 ab, sondern schon nach der Reglerspule L5.
So ist es auch in der Standardbeschaltung im Datenblatt gemacht...

Autor: Gregor Rudorfer (Gast)
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Hallo!

Ich hab den Kondensator im Feedbackzweig einfach wieder ausgebaut und 
siehe da der Schalregler funktioniert einwandfrei. Die ganzen 
zusätzlichen Elkos >10µF hab ich bis auf den 220µF Ausgangselko entfernt 
und die Ripplespannung steigt unter ungünstigsten Bedingungen gerade mal 
auf 10mV an. Es wird wahrscheinlich von Anfang an so gewesen sein, dass 
diese unheilvolle Widerstands - Kondensator Kombi den ganzen Regelkreis 
destabilisiert hat.

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