Hallo zusammen, auf den Angehängten Bildern dürfte das Problem schon recht deutlich zu erkennen sein: Ich habe einen Schaltregler (TPS63031), der mir aus einer Eingangsspannung zw. 2,7 und 4,2V eine Ausgangsspannung von 3,3V machen soll. Im ersten Bild ist die Ausgangsspannung bei einer Eingangsspannung größer als 3,5V zu sehen, der Regler arbeitet im Step-Down betrieb. Hier gibt es keine großen Probleme mit Spannungsspitzen. Anders sieht es aus, wenn die Eingangsspannung weiter absinkt, bis auf 2,7V (Bild 2 & 3). Jetzt ist ein deutliches Ripple sichtbar, höhe der Spannungsspiten ca. Uss = 500mV. Gemessen wurde direkt an den Ausgangskondensatoren des Schaltreglers (2x100nF X7R und 1x10uF Kerko). Der AVR und das LCD in der Schaltung vertragen diese Spitzen ganz gut, anders sieht es bei der SD-Karte aus, die lässt sich nichtmehr vernünftig ansprechen. Was kann ich tun, um diese Spannungsspitzen zu verringern? Die Platine ist bereits fertig aufgebaut, größere Änderungen am Layout sind also nicht möglich. Würde eine größere (kleinere?) Indukivität für den Schaltregler Verbesserung bringen? Eingebaut sind 2,2uH LQH3NP, wie im Datenblatt empfohlen. Mfg, Markus
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Wie viel Strom ziehst du denn am Ausgang? Bei Vin=2.7V solltest du 550mA nicht überschreiten (Fig. 2) Das Layout ist bei diesen Schaltungen leider sehr wichtig, vor allem bei den hohen Schaltfrequenzen. Evtl. könntest du ja mal dein Layout hier auch posten. Der Eingangskondensator ist auch nicht unentscheidend. Der sollte direkt am VIN Pin liegen.
Du hast an den Ausgang zwei Keramikkondensatoren mit verschiedenen Werten geschaltet? Ohje ohje! Wie sieht das Layout aus?
@simon: ähm, was soll denn daran falsch sein, 10u parallel zu 2x100n zu schalten?
Tim R. schrieb: > @simon: > ähm, was soll denn daran falsch sein, 10u parallel zu 2x100n zu schalten? Das kommt auf das Layout drauf an. Kannst du das mal zeigen? Aber das wird hier nicht dein Problem sein. Mess doch mal verchiedene Masse-Punkte gegeneinander (Ja richtig gehört: den Tastkopf z.B. an Masse des ICs anklemmen, und an einem anderen Massepin z.B. Ausgangskondensator messen). Was kommt da raus?
Hier mal das Layout rund um den Schaltregler. Auf dem Ausgangskondensator C1 (20u, nicht 10u wie oben geschrieben) sitzen "huckepack" 2x100n X7R. Neben dem Eingangskondensator C2 (10u) sitzt ein 100n X7R. Am großen grünen Pad oben links wird die Eingangsspannung eingespeist. Es ist auf der anderen Platinenseite mit dem Vin-Via verbunden. Die Schaltung zieht maximal 150mA an 3,3V. @Simon K.: Warum ist es falsch, ausgangsseitig 2x100nF parallel zu 20uF zu schalten?
Lies dir den Thread mal durch: Beitrag "Vielschicht statt Elko + Keramik" Man sieht aber durchaus, dass du ein Ringing auf einer einzelnen Frequenz hast, was meiner Meinung nach durchaus aus der Parallelschaltung folgen kann. Aber wie Lothar schon sagt: Layout zeigen.
Lothar Miller schrieb: > Mess doch mal verchiedene > Masse-Punkte gegeneinander (Ja richtig gehört: den Tastkopf z.B. an > Masse des ICs anklemmen, und an einem anderen Massepin z.B. > Ausgangskondensator messen). Was kommt da raus? Gleicher Signalverlauf wie die Strörung in den Bildern aus dem 1. Beitrag. Uss ca. 350mV. Woher kommt das? Welchen Abstand die Massepunkte haben hat keinen Einfluss auf die gemessene Uss.
Das kommt mit Sicherheit von deinem Layout. Hoffe jetzt keinen Fehler gemacht zu haben. Etwas Tricky bei den BuckBoost Wandlern. Siehst du den ewig langen Strompfad am Ausgangskondensator? Und das Ganze dann bei 2,4MHz, wo jedes bisschen (Leiterbahn-) Induktivität weniger zählt.
Hm. Also ich vermute, du kommst nicht drum herum, das Layout nochmal zu machen. Ich würde dir empfehlen, die untere Seite zu einer GND Plane unter dem ganzen Regler zu machen. Und alle GND Punkte an den Ein- und Ausgangs-Kondensatoren direkt mit Vias auf diese Plane zu "nageln". Genauso das GND Pad des Reglers. Diese dünne, verschlungene GND Leitung wird dir Probleme machen. Die GND Verbindung zwischen den Pufferkondensatoren und dem Chip muss sehr niederimpedant und kurz sein. Probiere auch mal aus am Eingang mit 22u zu puffern, und Ausgangsseitig nur 10uF zu nehmen. Denn der Eingangsstrom ist beim boosten ja höher als der Ausgangsstrom.
PS: C1 und C2 kannst du locker so drehen, dass sie mit der GND Seite direkt zum GND Pad des Chips zeigen.
Ja und unter dem Chip eine *Masse*fläche (Exposed Pad soll an PGND sagt das Datenblatt), dann kommste gut von den verschiedenen Ecken mit den Kondensatoren an den PGND Pin. Übrigens. Vom dem Oszillogramm kann man in etwa ablesen, dass das Ringing bei 100MHz liegt, wenn ich mich nicht täusche. 4 Schwingungen in ~40ns. Die Schwingungen tauchen alle 2,4MHz auf. Also im Reglertakt.
... und in Zukunft einfach mal das Kapitel "Layout considerations" nicht einfach überspringen. Da steht in diesem Fall genau drin, was du falsch gemacht hast. Z.B. die unendliche lange Leitung vom Power-GND zum Ausgangskondensator.
Markus R. schrieb: > Gleicher Signalverlauf wie die Strörung in den Bildern aus dem 1. > Beitrag. Uss ca. 350mV. > Woher kommt das? Böse Stromschwankungen auf der extrem schlecht verlegten Masseleitung. Aber das eigentliche Problem wurde schon genannt. Es heißt: Layout. BTW: die Linien die Simon im Bild http://www.mikrocontroller.net/attachment/106649/TPS63031.png eingezeichnet hat, sind dort ein wenig erläutert: http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layout-Schaltregler Es gibt diese 2 Stromkreise (Laden und Freilauf) in jedem Schaltregler. Man muß sie nur erkennen... Bei den BuckBoost-Wandlern ist das je nach Topologie ein wenig tricky, denn da können sich die Strompfade abhängig von der Betriebsart (Buck oder Boost) ändern.
Vielen Dank für die Hilfe bisher. In einem chirurgischen Akt habe ich das Layout so abgeändert, wie es auf dem angehängten Bild zu sehen ist. Warum ich das nicht gleich so gemacht habe ist mir schleierhaft. Dass der Ladestrom jetzt über Control-GND läuft ist aber bestimmt auch nicht so toll. An den Ausgangskondensatoren messe ich jetzt ein Ripple von ca. 220mV, also nur noch die Hälfte. Es gibt noch eine Sache, die ich nicht recht verstehe: Die beiden großen Stromverbraucher in der Schaltung sind die LCD-Hintergrundbeleuchtung (60mA) und ein GPS-Modul (65mA). Auschlaggebend dafür, ob sich die SD-Karte gut ansprechen lässt oder nicht, ist, ob die Hintergrundbeleuchtung des LCDs eingeschaltet ist oder nicht. Diese braucht eine Spannung von ca. 6-7V. Dafür werden die 3,3V nach dem Schaltregler mit einer Ladungspumpe (MAX660) invertiert und somit die LEDs mit ca. 6,6V betrieben. Mir fällt folgendes auf: LCD-Beleuchtung aus, GPS an: SD-Karte geht LCD-Beleuchtung an, GPS aus: SD-Karte geht nicht Beide an: SD-Karte geht nicht Beide aus: SD-Karte geht Der MAX660 arbeitet mit ca. 80kHz, jetzt liegt natürlich nahe, dass das Auswirkungen auf die Spannung hat und somit die SD-Karte spinnt. Ich kann diesbezüglich aber nichts mit dem Oszi messen. Man erkennt keinen Unterschied, ob NUR das GPS oder NUR das LCD-Backlight läuft. Die SD-Karte macht aber nur bei laufender LCD-Beleuchtung Probleme. Hat wer eine Idee, wie dieser Zusammenhang begründet ist?
Hat sich die Frequenz der hochfrequenten Schwingung verändert? Hast du mal versucht die beiden 100nF abzulöten? Wegen deinem Problem: Dann zeig mal das nächste Layoutstückchen von deiner Ladungspumpe ;-) Gut abgeblockt an der Stelle? Hast du auch die Spannung an der SD Karte abgeblockt?
Aha! Schön, dass die Praxis immer wieder die Theorie bestätigt (gutes Layout = wenig Probleme). Deine geschlungene GND Leitung ist natürlich immer noch nicht so wirklich optimal, eine GND Plane auf der Rückseite solltest du unbedingt mal andenken. Jetzt interessiert uns natürlich auch alle brennend, wie denn die Beschaltung und das Layout deiner Ladungspumpe aussieht, und vor allem, wie der Eingang derselbigen geblockt ist. Ich vermute, die zuppelt ganz ordentlich an deinen 3.3V rum. 60mA Ausgang bedeuten ja hier mal locker 150mA am Eingang mit entsprechend hohen Spitzen.
Im Anhang das Layout. C1 = 100nF X7R + 100uF Keramik, C2 & C3 = 100uF Keramik. Der FET dient zum ein/ausschalten der Beleuchtung und des GPS-Moduls. @Simon K.: Die Frequenz der Schwingung ist schwer zu bestimmen, da sehr wackelig. Ich würde sagen so zw. 100 und 150Mhz. Sie tritt nach wie vor mit einer Frequenz von 2,4Mhz auf. Durch ablöten der 100nF wird das Ripple deutlich größer. @Tim R.: Die lange GND-Leitung führt jetzt aber keine großen Ströme mehr. Sie geht lediglich über einen Spannungsteiler an einen ADC-Eingang. Das Layout im Ganzen kann ich definitv nichtmehr ändern (z.B. große Massefläche auf Rückseite), da die Platine bereits aufgebaut und voll bestückt ist. Fürs nächste mal werd ichs mir aber merken.
Ok. Das erklärt einiges. Dein FET hat ja einen R_on, der sowohl für deine Chargepump und das GPS M;odul dafür sorgt, dass beide keine wirkliche GND Verbindung mehr haben. Alle GND Störungen von der Chargepump gehen hier 1:1 auf GND deines GPS Moduls. Gutes Grounding ist alles. Niemals FETs in GND Pfade bei empfindlichen Bauteilen. Schon gar nicht ein FET für 2 Baugruppen. Hier brauchst du high-side load switches. Einen für dein GPS, und einen für dein Backlight. Und der kommt dann auch nicht vor die Chargepump, sondern dahinter. Ausserdem: ist die Anwendung batteriebetrieben? Ansonsten: Warum muss du das GPS Modul ausschalten können? Lass es doch laufen, und schalte im Zweifel die Datenleitung ab (1k in Serie, Transistor gegen GND). Dann hat es auch schneller wieder einen GPS-Fix. Das Backlight kannst du natürlich auch weiterhin per Low-Side FET ausschalten, aber eben wie gesagt hinter der Chargepump. Zum 1. Switchregler würde ich dir empfehlen (falls du das nicht sowieso schon gemacht hast) 2 kurze, aber dicke Drähte zwischen die gelb markierten Stellen zu löten, um das Grounding zu verbessern.
Es handelt sich bei dem IC um zwei getrennte FETs in einem 8-Pin SOIC Gehäuse, ich kann also GPS und LEDs einzeln schalten. Eine Überbrückung des FETs für die LEDs brachte tatsächlich einen Erfolg: Die SD-Karte scheint so auch bei laufender Ladungspumpe zu funktionieren. Allerdings verstehe ich nicht, wieso das ausschlaggebend ist. Schließlich habe ich mit der Ladungspumpe ja im Prinzip einen abgeschlossenen Schaltungsteil (Verbraucher), warum spielt es eine Rolle, ob da noch der Widerstand in Form des MOSFETs dazwischen ist? Der Spannungsverlauf mit gebrücktem FET sieht außerdem genauso aus wie mit eingeschaltenem FET. Eigentlich müsste ich doch jetzt eine Differenz sehen, die die SD-Karte vorher gestört hat.
Hallo, nur um sicherzustellen, daß wir auch die richtige Störung am richtigen Ort messen...gerade wenn ich die Auflösung in Deinem letzten Bild ansehe... 25ns/div... Vermutlich hattest Du die übliche Massestrippe dran, oder? Mach doch bitte mal folgendes: -Nimm Dir 10cm blanken Draht und wickel den um den Masseanschluß GANZ VORNE am Oszi-Tastkopf. -Laß 1cm überstehen. -zieh das Kunstwerk von Tastkopf ab, und löte es mit dem 1cm Stückchen in Deine Schaltung -steck den Tastkopf VORSICHTIG wieder auf den Drahtwickel auf -berühre mit der Spitze des Tastkopfes den zweiten Anschluß gegen den Du auch oben gemessen hast. -bitte poste das Bild im Vergleich mit der langen 10cm langen GND-Leitung, wie sie normalerweise bei jedem Oszi dabei ist. Gruß Volker
@Powerfreak: Guter Punkt, Fast vergessen! Dass der Ripple größer wird ohne die 100nF wäre dann auch geklärt.
OK, im Anhang sind die Bilder. Einmal mit rumgewickeltdem Draht, einmal mit langer Strippe. Direkt am Ausgangskondensator des Schaltreglers gemessen. Direkt am Stützkondensator der SD-Karte messe ich (mit der Drahtwickel-Methode) eine absolut Ripplefreie Spannung. Und zwar egal ob mit gebrücktem oder ungebrücktem FET. Ich kann mir nach wie vor nicht erklären, warum der FET sich so auf die Funktionalität der SD-Karte auswirkt.
Hallo Markus, also dem linken Bild glaube ich... der zusätzliche Müll im rechten Bild ist nur aufgefangene Einstrahlung durch die "schöne" Masseschleife. Wenn Du das linke Bild weiter aufziehst, siehst Du den Frequenzbereich der vom Schaltvorgang des FETs angeregten Schwingung. Wenn Du Dir jetzt das Datenblatt eines 100nF Kerkos vornimmst (Z über f) wirst Du erkennen, daß der Kerko ab ca. 1MHz schon wieder induktiv wird... also KEINE Wirkung mehr hat... probiers mal mit einem 2n2. Übrigens, das Datenblatt zeigt NUR den Kerko selbst... d.h. schon egal ob Du den Kerko richtig oder falsch angebunden hast, der hilft Dir dort nichts mehr. Versuch doch mal einen 2n2 über 2 Fädeldrähte am IC zu verlöten. Natürlich ist es besser die Störung zu verhindern.... wie Du schon geschrieben hast, beim nächsten mal... aber vorsicht, ich empfehle trotzdem eine baldige Neuauflage. Kannst Du den FET vom GND-Layer abtrennen (hochheben des GND Beinchens) und diese GND separat mit einem "freifliegenden" Draht direkt zum Sternpunkt verdrahten (Achtung: separates C dort nicht vergessen)?? Wenn Dein Schaltregler noch "spinnt" könnte dies für die Power GND eventuell auch ein Weg sein, den Stromfluß richtig zu lenken. Bezüglich Auswirkung auf die SD-Karte: 1. sieh GND-Schleife... soll heißen das hat unterschiedliche Einflüsse auf ALLE Leitungen. 2. U=-L*dI/dt... also bei z. B. 5cm Leitung also schnell geschätzt ca. 50nH und z.B. 1A in 10ns U= -50nH * 1A/10ns = -5V Noch Fragen? Und wenns jetzt nur 10nH sein sollten dann eben 1V Spannungshub... je nach Phasenlage in die eine oder andere Richtung... was das für Deine Pegel bedeuten kann ist Dir sicherlich klar. Das mußt Du natürlich auf Deine Applikation mit Deinen Werten durchrechnen. Die Pegel werden auch von Abschirmung durch GND-Flächen oder andere Leiterbahnen verändert. Gruß Volker
Volker K. schrieb: > Wenn Du Dir jetzt das Datenblatt eines 100nF Kerkos vornimmst (Z über f) > wirst Du erkennen, daß der Kerko ab ca. 1MHz schon wieder induktiv > wird... also KEINE Wirkung mehr hat... Das stimmt AFAIK nicht. Es geht hier um den Betrag, der entsprechend niedrig sein muss. Der Kondensator wird also erst später unwirksam.
Volker K. schrieb: > Wenn Du Dir jetzt das Datenblatt eines 100nF Kerkos vornimmst (Z über f) > wirst Du erkennen, daß der Kerko ab ca. 1MHz schon wieder induktiv > wird... also KEINE Wirkung mehr hat... Mach die Dinger nicht schlechter als sie sind: Beitrag "Re: Vielschicht statt Elko + Keramik" Erst ca. bei 3MHz (Y5V) bis 20MHz (X7V) ist beim 100nF MLCC die jeweils niedrigste Impedanz erreicht.
Bezüglich der SD-Karte habe ich jetzt noch etwas herausgefunden: Schalte ich die LED-Beleuchtung per MOSFET VOR dem initiieren der SD-Karte ein und lasse sie eingeschalten, lässt sich die SD-Karte wunderbar ansprechen. Sobald ich die Beleuchtung nach dem Init einschalte, kann ich sie nicht mehr ansprechen. Im Anhang sind die Spannungsverläufe der Betriebsspannung direkt am Ausgangskondensator mit der Drahtwickel-Methode gemessen. Einmal befindet sich der Schaltregler im Boost-Modus, einmal im Buck-Modus (hier macht auch einschalten nach dem SD-Init nichts aus). Die Frage ist jetzt, wie ich den Spannungseinbruch vermeide. Größere Kondensatoren, FET über RC-Glied "langsam einschalten", etc.? Beim Einschalten des GPS-Moduls konnte ich keinen Spannungseinbruch messen.
Bilder vergessen. Edit hat scheinbar nicht funktioniert.
Markus R. schrieb: > Die Frage ist jetzt, wie ich den Spannungseinbruch vermeide. Entkopple die Versorgung der SD-Karte von der Versorgung des Backlights mit einer Diode und einem Kondensator...
Mit einer Diode hätte ich aber nichtmehr die vollen 3,3V an der SD-Karte gehabt. Das GPS-Modul ist durch den Spannungseinbruch auch manchmal ausgestiegen. Ich habe jetzt ein RC-Glied (22k, 10uF) vors Gate des FETs geschaltet. Das funktioniert recht gut, ich kann keinen Spannungseinbruch mehr messen. Hoffentlich kommen nicht noch mehr böse Überraschungen hervor. Fürs nächste mal werd ich mir ein Buch zum layouten holen... Danke an alle, die bei der Fehlersuche geholfen haben.
Markus R. schrieb: > Ich habe jetzt ein RC-Glied (22k, 10uF) vors Gate des FETs geschaltet. Sieh dir aber mal an, ob du da noch in der SOA bleibst, wenn du den FET einschaltest, und der so langsam nach&nach einschaltet...
Das mit dem FET an GND würde ich mir wirklich noch mal überlegen. Wenn du deiner SD Karte (oder GPS?) das GND unter den Füßen wegziehst, fließt zwar kein Strom mehr, wenn du allerdings Signalleitungen angeschlossen hast, die auf 0V sind, kann es sein, dass hier Strom unkontrolliert fließt. Für die SD Karte sieht das dann evtl. sogar wie eine negative Spannung am Signalpin aus -> schlecht... Besser ist es GND immer an GND zu lassen, und VCC mit einem P-Channel FET abzuschalten.
Markus R. schrieb: > für die auftetenden Ströme mehr als > ausreichend. Das ist nicht der Punkt. Es geht darum, dass dein Bauteil keine definierte GND Verbindung hat, wenn der FET hochohmig ist. Das ist bei einfachen "Verbrauchern" wie LEDs und Glühlampen super, bei ICs und anderen komplexeren Teilen mit Signalleitungen nicht gut.
Tim R. schrieb: > Das ist nicht der Punkt. Das war auch auf die Antwort von Lothar bzgl. der SOA bezogen. Die SD-Karte wird nicht per FET ein/ausgeschalten, die Ladungspumpe hat keine Signalleitungen, die auf GND liegen könnten und das GPS-Modul ist mit dem USART RX-Pin des AVRs verbunden, der ein hochohmiger Eingang ist. Die optimalste Art der Schaltung ist es natürlich trotzdem nicht.
@ Simon K. & Lothar Miller im Prinzip hat Volker schon Recht, das hängt aber auch sehr von der verwendeten Bauform ab. Ich habe hier ein Datenblatt eines 1210 100nF X7R Kerko der in der Tat ab ca. 1,5MHz induktiv wird. Ein 0603 erst bei ca. 20MHz. TROTZDEM hat der C nicht mehr die erwünschte Wirkung. Es ist au EMV Sicht üblich mehrere Werte parallel zu schalten, der Tip ist also ok. Aber Achtung... Auch mit einer solchen Maßnahme kann man nichts mehr retten, was durch das Layout verbockt wurde, also für einen Versuch wirklich über einen kurzen Draht direkt am Chip auflöten! Gruß Gerd
GGAASSTT schrieb: > im Prinzip hat Volker schon Recht Es ging mir nicht so sehr um die Zehnerpotenz hin oder her: Volker K. schrieb: > erkennen, daß der Kerko ab ca. 1MHz schon wieder induktiv wird... sondern eher, dass dieser Übergang nicht ganz so knackig verläuft, wie man da vermuten könnte: Volker K. schrieb: > also KEINE Wirkung mehr hat... Das hört sich so binär an: Erst volle Wirkung und dann KEINE Wirkung. Und das stimmt so nicht, denn es ist ja kein ImpedanzSPRUNG, sondern ein sachter Anstieg...
@ Lothar: stimmt Wenn aber der Kondensator laut Datenblatt bei eienr Frequenz "x" induktiv wird, dann kann er nicht mehr die ursprünglich gewünschte Funktion übernehmen, oder?
Soweit ich weiß geht es nur um den Betrag der Impedanz, nicht um den Winkel. Und solange der Betrag unter z.B. 1 Ohm bleibt, funktioniert er sehr gut. Egal ob er per Definition induktiv oder kapazitiv wirkt.
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