Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Fehler in H-Brückenschaltung mit HIP4081


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von Herbert (Gast)


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Hallo zusammen,

ich experementiere momentan an einer H-Brücken Schaltung für einen 
DC-Motor in der Größenordnung 800W (bei 24V).

Dazu habe ich mithilfe des HIP4081A eine entsprechende Schaltung 
aufgebaut. Datenblatt und Application Notes habe ich gelesen und damit 
die Bauteile dimensioniert (Bootstrap-Kondensatoren  Dioden  
Widerstände).

Trotz sorgfältigem Aufbau nach der angehängten Schaltung sind mir leider 
schon 2 HIPs direkt abgeraucht, nachdem ich den Disable-Pin auf 0V 
gezogen habe und eine 50% PWM-Frequenz für den Stillstand des Motors bei 
etwa 32kHz angelegt habe. Die Signallevel Disable, PWM und /PWM habe ich 
per Oszi kontrolliert, die sind in Ordnung.

Da der HIP laut Datenblatt nur wenige mA ziehen sollte verwundert mich 
das schon etwas und lässt auf einen grundlegenden Fehler in der 
Beschaltung schließen?

Bevor ich nun direkt weitere der doch recht kostspieligen ICs grille 
würde ich mich gerne mal nach ein paar Vorschlägen umhören, wie ich den 
Fehler eventuell besser eingrenzen kann. Hat jemand eine Idee?

Gruß,
Herbert

: Verschoben durch Admin
von Axel D. (axel_jeromin) Benutzerseite


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Haben die FET Freilaufdioden?

von Herbert (Gast)


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Axel Düsendieb schrieb:
> Haben die FET Freilaufdioden?

Ja, haben sie.  Den Mosfets ist allerdings auch nichts passiert, nur der 
HIP allein hat auf einmal einen irre Strom (>1A!!) gezogen und ist dann 
natürlich abgeraucht.

Gruß!
Herbert

von Herbert (Gast)


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Noch eine Anmerkung:
Im Prinzip bin ich gar nicht sicher, ob die Freilaufdioden im 
Allgemeinfall überhaupt benötigt werden. Durch die Ansteuerung per PWM 
und invertiertem PWM-Signal werden ja in der Freilaufphase die jeweils 
gegenläufigen Mosfets aktiv geschaltet.

Wenn also während des ON-Cycles Q1 und Q8 leiten, werden während des 
OFF-Cycles Q2 und Q7 aktiv geschaltet. Da die Induktivität den Strom 
weiter treibt, müsste dann der Strom über die Spannungsversorgung / 
Akkumulator aufgenommen werden. Ich bin garnicht sicher, wie ein 
geregeltes Labornetzteil mit der Situation umgehen würde?
Das sollte man lieber direkt an einem Akkumulator testen, oder?

von Simon K. (simon) Benutzerseite


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Wie sieht der Aufbau aus? Mach mal ein Bild. Die HIP4081 sind anfällig 
gegenüber falschem Aufbau und resultierenden Spannnungsspitzen.

von Ben _. (burning_silicon)


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Yep korrekt, der HIP4081 ist 'ne echte Pussy mit starker Tendenz 
irgendwann aus unerfindlichen Gründen Suizid zu begehen... Ich würd das 
Ding rausfeuern und IR2113 oder so nehmen. Wenn Du keine 100% duty-time 
auf der HighSide brauchst, brauchst Du auch die internen Ladungspumpen 
nicht.

von Herbert (Gast)


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Im Anhang die Vorder- und Rückseite der Schaltung. Alle stromführenden 
Leitungen am HIP sind auf der Oberseite geführt, die reine 
Logik-Beschaltung auf der Unterseite per Kupferlitze.

Die Zuleitungen zu den Mosfet-Gates sind möglichst kurz gehalten. Die 
Bootstrap-Kondensatoren sind lediglich 200nF Folienkondensatoren, ich 
hatte allerdings nur noch welche mit hoher Spannungsfestigkeit und 
dementsprechender Größe da.

von Simon K. (simon) Benutzerseite


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Ja, genau sowas geht mit dem HIP4081 nicht. Die Zuleitungen sind 
vielleicht kurz gehalten, aber trotzdem VIEL zu lang und vor allem 
überhaupt nicht verdrillt. Dadurch haben die ziemlich fies hohe 
Induktivität, die zusammen mit der Gatekapazität ordentlich rumklingelt 
und Spannungsspitzen erzeugt.

Die Folienkondensatoren sind auch viel zu groß und zu weit räumlich 
entfernt vom HIP4081. Abblockkondensatoren sind wohl überhaupt keine 
vorhanden?
Lies dir bitte mal sämtliche AppNotes zum HIP4081 und zu den Floating 
Gate-Drivern durch. Bei IRF gibts auch gute AppNotes dazu.

von Herbert (Gast)


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Danke für deine Beurteilung Simon, dass hilft mir schon einmal weiter. 
Ich hatte die AppNotes gelesen, dass allerdings erst speziell für 
deutlich höhere Frequenzen als relevant eingeschätzt. Der HIP kann 
immerhin bis zu 1MHz - ich nutze lediglich 32kHz. die Versorgungsleitung 
ist mit Abblockkondensatoren versehen, wo fehlen denn noch welche?

von Simon K. (simon) Benutzerseite


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Herbert schrieb:
> Danke für deine Beurteilung Simon, dass hilft mir schon einmal weiter.
> Ich hatte die AppNotes gelesen, dass allerdings erst speziell für
> deutlich höhere Frequenzen als relevant eingeschätzt. Der HIP kann
> immerhin bis zu 1MHz - ich nutze lediglich 32kHz. die Versorgungsleitung
> ist mit Abblockkondensatoren versehen, wo fehlen denn noch welche?

Mit der Frequenz hat das garnichts zu tun. Zumindest nicht mit der 
Schaltfrequenz, sondern der Flankensteilheit. Und die ist immer gleich.

Wo sind denn die Abblockkondensatoren und was für welche sind es?

von Herbert (Gast)


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Stimmt natürlich, mein Denkfehler :/ Flankensteilheit könnte ich ja auch 
mit einem höheren Gatewiderstand abschwächen. du meinst also die 
einzelnen Gatezuleitungen sollten jeweils  einzeln verdrillt werden? ich 
muss mich da dringend in die Materie einlesen. vielen Dank für die 
wichtigen Anregungen, da gibt es ja tatsächlich eine Menge zu beachten, 
ich muss zugeben das Thema deutlich unterschätzt zu haben....

gruß, Herbert

von Ben _. (burning_silicon)


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Ich hatte mit dem HIPpie bei nur 360Hz Probleme. Wie gesagt, ich würd 
das Ding wegschmeißen und was vernünftiges benutzen. Der HIP ist mir 
einfach nicht zuverlässig genug, als daß ich ihm meine Leistungs-FETs 
anvertrauen möchte. Meine, die Schaltung soll ja auch auf Dauer 
funktionieren und nicht irgendwann aus dem Nichts heraus explodieren nur 
weil dem Gate-Treiber irgendeine minimale Spannungsspitze nach dem 
letzten Batteriewechsel nicht gepasst hat.

von MiWi (Gast)


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Ben _ schrieb:
> Ich hatte mit dem HIPpie bei nur 360Hz Probleme. Wie gesagt, ich würd
> das Ding wegschmeißen und was vernünftiges benutzen. Der HIP ist mir
> einfach nicht zuverlässig genug, als daß ich ihm meine Leistungs-FETs
> anvertrauen möchte. Meine, die Schaltung soll ja auch auf Dauer
> funktionieren und nicht irgendwann aus dem Nichts heraus explodieren nur
> weil dem Gate-Treiber irgendeine minimale Spannungsspitze nach dem
> letzten Batteriewechsel nicht gepasst hat.

Ich habe die HIP als ausgesprochen unproblematische Teile in Erinnerung, 
was bisher zu vielen Platinen mit je 2 HIP4081 als Treiber einer 48V/5A 
- Endstufe geführt hat. Es hat bisher defakto keine Ausfälle gegeben 
(heftiger Umgebungsbedingungn) und das deutet eher auf ein Problem des 
OP und nicht auf das des HIP hin. Das Problem des OP wird sich durch 
"was vernünftiges" auch nicht lösen, wenn er grundlegende Dinge wie:

Datenblatt lesen
AN lesen
Erkenntisse in Form einer geeigneten Schaltung anwenden

vermeidet

Grüße

MiWi

von Ben _. (burning_silicon)


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Yep, nur ich hab die design rules aus dem Datenblatt wirklich 
umgesetzt... Stromschleifen vermieden, Gate und Gate-Return wenn man den 
so nennen möchte dicht beieinander und so kurz wie möglich, verschiedene 
Konfigurationen an Gate-Widerständen und Bootstrap-C's probiert, völlig 
egal, dieses IC baut einfach nur Scheiße. Fängt an bei Nichtfunktion und 
geht bis zu Fehlsteuerungen, die das im Datenblatt so vergötterte IC 
eigentlich genau verhindern sollte und die ohne mechanische 
Strombegrenzung eine Zerstörung der Vollbrücke zur Folge gehabt hätten.

Einmal hatte ich richtig Schwein, daß die für 400A(peak) geeignete 
Endstufe leistungsfähiger war als das Akkukabel. Nee danke, HIP-Dreck 
kommt mir nie wieder auf die Platine! Die gleiche Schaltung mit 2xIR2113 
funktionierte übrigens auf Anhieb zuverlässig.

von gvw (Gast)


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Hallo Zusammen
kann es sein, dass die Verdrahtung der Leistungs - Fets falsch ist.
Meine auf dem Bild zu erkennen, dass das Gate mit dem Source eine Brücke
bildet.
Laut Datenblatt ist der erste Pin nur das Gate!
MFG
GVW

von Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)


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Hallo,

Herbert schrieb:

> Bevor ich nun direkt weitere der doch recht kostspieligen ICs grille
> würde ich mich gerne mal nach ein paar Vorschlägen umhören, wie ich den
> Fehler eventuell besser eingrenzen kann. Hat jemand eine Idee?

Ich habe mehrere EC-Motoren mit dem HIP4086 aufgebaut und anfangs eine 
sehr hohe Ausfallrate der Brückentreiber gehabt. Die wichtigste Maßnahme 
zur Erhöhung der Lebensdauer war die Schutzbeschaltung aus FIGURE 13 in 
dieser Application-Note:
http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/an96/an9642.pdf

Zur Wirkungsweise: Transiente auf den Motorzuleitungen können dazu 
führen, dass diese Anschlüsse negativer werden als die Masse. Damit 
laden sich die Bootstrapkondensatoren auf mehr als Vdd auf -- und 
himmeln dann den Brückentreiber.

Also in die Highside-Source-Leitungen Serienwiderstände und Klemmdioden 
gegen Masse einbauen.

Weitere Maßnahmen waren Klemmdioden (gegen Vdd) und Entladewiderstände 
an den Lowside-Gates.

Grüßle,
Volker.

von Ben _. (burning_silicon)


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Wenn ich das so lese kann ich die ganze Kacke auch gleich diskret 
aufbauen, da brauche ich wahrscheinlich weniger Teile als um dieses IC 
zum Laufen zu kriegen!

von Herbert (Gast)


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Volker Bosch schrieb:
> Weitere Maßnahmen waren Klemmdioden (gegen Vdd) und Entladewiderstände
> an den Lowside-Gates.

Hi Volker,

wie muss ich das mit den Klemmdioden verstehen? Hast du alle Eingänge 
gegen Überspannung (also Klemmdiode gegen VDD) abgesichert?

Ich habe die Erfahrung gemacht, dass der HIP extrem empfindlich 
gegenüber Spannungsspitzen jeglicher Art ist..

von Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)


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Hallo Herbert,

> Volker Bosch schrieb:
>> Weitere Maßnahmen waren Klemmdioden (gegen Vdd) und Entladewiderstände
>> an den Lowside-Gates.

> wie muss ich das mit den Klemmdioden verstehen? Hast du alle Eingänge
> gegen Überspannung (also Klemmdiode gegen VDD) abgesichert?

Nein, beide Aussagen beziehen sich auf die Lowside-Gates.

> Ich habe die Erfahrung gemacht, dass der HIP extrem empfindlich
> gegenüber Spannungsspitzen jeglicher Art ist..

...und vor allem auf Überspannungen am Bootstrap-Kondensator. Deshalb 
sind m.E. die Klemmdioden an den Highside-Sources (hinter den 
Serienwiderständen) sehr sinnvoll, ibs. wenn das Layout nicht so ganz 
optimal ist. Die Jungs wissen schon warum sie das in ihrer AppNote 
empfehlen (Fig. 13)...

Grüßle,
Volker.

von Herbert (Gast)


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Hi Volker, danke für die rasche Antwort.

Volker Bosch schrieb:
>> Ich habe die Erfahrung gemacht, dass der HIP extrem empfindlich
>> gegenüber Spannungsspitzen jeglicher Art ist..
>
> ...und vor allem auf Überspannungen am Bootstrap-Kondensator. Deshalb
> sind m.E. die Klemmdioden an den Highside-Sources (hinter den
> Serienwiderständen) sehr sinnvoll, ibs. wenn das Layout nicht so ganz
> optimal ist.

Hm, evtl. hast du dich undeutlich ausgedrückt, aber die Beschaltung der 
Highside-Sources aus Figure 13 wirkt doch nur gegen Unter-Spannungen an 
den Bootstraps, also wenn das Potential an den Sources durch Transiente 
auf unter 0V fällt?

Gegen Überspannungen kann man das ganze ja imho gar nicht schützen, da 
durch die Bootstraps gewollt eh ein Potential größer VDD erzeugt wird.

Ich habe mal deinen Hinweis bzgl. der Klemmdioden gegen VDD an den 
Lowside-Gates aufgenommen. Es würd mich sehr freuen, wenn du einen 
kurzen Blick in die angehängte Schaltung, speziell rechts die 
Schutzbeschaltung werfen könntest.
Ich bin da leider etwas unsicher und jeder Fehlerfall grillt immer 
direkt einen HIP4081...

Gruß!
Herbert

von Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)


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Hallo Herbert,

Herbert schrieb:
> Hm, evtl. hast du dich undeutlich ausgedrückt, aber die Beschaltung der
> Highside-Sources aus Figure 13 wirkt doch nur gegen Unter-Spannungen an
> den Bootstraps, also wenn das Potential an den Sources durch Transiente
> auf unter 0V fällt?

So, und jetzt überlegst Du Dir mal, was passiert, wenn die Kathode des 
Bootstrapkondensators auf, sagen wir mal -10V absinkt aufgrund einer 
Spannungsspitze an einem der Brückenausgänge. Beachte, dass die Anode 
des Kondensators auf (ca.) 12V liegt. Welche Spannung wird der 
Kondensator annehmen?

In meiner Antwort vom 1.1. hatte ich das übrigens auch schon ausführlich 
beschrieben. Naja, ist ja fast ein halbes Jahr her, das kann man ja 
schon mal vergessen und die gutmütigen Trottel, die hier Gratissupport 
leisten, schreiben das ja sicher gerne noch einmal, die haben ja sonst 
nix zu tun :-(

> Gegen Überspannungen kann man das ganze ja imho gar nicht schützen,

Doch, siehe oben.

>                                                                    da
> durch die Bootstraps gewollt eh ein Potential größer VDD erzeugt wird.

Das verstehe ich jetzt nicht! Die Spannung über dem Bootstrapkondensator 
soll in Deinem Fall 12V betragen. Nicht mehr und nicht weniger (wenn man 
von der Dioden-Durchlassspannung absieht).

> Ich habe mal deinen Hinweis bzgl. der Klemmdioden gegen VDD an den
> Lowside-Gates aufgenommen. Es würd mich sehr freuen, wenn du einen
> kurzen Blick in die angehängte Schaltung, speziell rechts die
> Schutzbeschaltung werfen könntest.

Sieht auf den ersten Blick korrekt aus. Die Entladewiderstände an den 
Lowside-Gate sollten für mein Verständnis deutlich kleiner ausfallen. 
Ich nehme immer 10k. Ausserdem würde ich sie direkt am Gate anschließen 
und nicht hinter dem Gate-Vorwiderstand.

> Ich bin da leider etwas unsicher und jeder Fehlerfall grillt immer
> direkt einen HIP4081...

Welche Fehlerfälle meinst Du jetzt?

Mal 'ne andere Frage: Wenn Du die Schaltung aktivierst, stellst Du auch 
sicher, dass die Bootstrapkondensatoren sicher aufgeladen werden. Oder, 
anders gefragt: Schaltest Du bei jeder Halbbrücke zuerst den 
Lowside-MOSFET ein?

Grüßle,
Volker.

von Herbert (Gast)


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Hallo Volker,

Volker Bosch schrieb:
>> Gegen Überspannungen kann man das ganze ja imho gar nicht schützen,
>
> Doch, siehe oben.

Sorry, ich hatte mich undeutlich ausgedrückt. Ich bezog mich mit 
"Überspannung" nicht auf die Spannung, sondern das Potential an den 
High-Sources. Dass die Boostraps eine Überspannung aufweisen, wenn das 
Potential negativ wird, ist klar.

Ich hab deine Antwort oben durchaus noch im Kopf und bin dir für den 
"Gratissupport" überaus dankbar ;)

Volker Bosch schrieb:
> Die Entladewiderstände an den
> Lowside-Gate sollten für mein Verständnis deutlich kleiner ausfallen.

Okay, klar.

Volker Bosch schrieb:
> Wenn Du die Schaltung aktivierst, stellst Du auch
> sicher, dass die Bootstrapkondensatoren sicher aufgeladen werden. Oder,
> anders gefragt: Schaltest Du bei jeder Halbbrücke zuerst den
> Lowside-MOSFET ein?

Ehrlich gesagt habe ich den HIP einfach nach Figure 5 aus den 
Application Notes beschaltet, sprich AHI und BHI auf High und ALI und 
BLI auf PWM bzw. /PWM. 50% PWM entsprechen also einem "Stillstand", da 
ich einen stark induktiven Motor treibe.
Prinzipiell führt das dazu, dass nach dem Einschalten des HIP (Disable 
auf Low), das erste mal die beiden High-Side Mosfets relativ langsam 
durch die Ladungspumpe (lt. AN schafft diese 25mA Peak) geladen werden, 
sich die Mosfets also direkt nach dem Start einmal verhältnismäßig lange 
im linearen Bereich bewegen. Da ich aber eine induktive Last habe und in 
diesem Fall der Strom sehr klein bleibt (da aus dem Stillstand heraus), 
sollte das meiner Meinung nach keine Probleme machen.
Hab ich da einen Denkfehler?

Herzlichen Dank nochmal für deine Hilfe und Gruß,
Herbert

von Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)


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Hallo Herbert,

Herbert schrieb:

> Prinzipiell führt das dazu, dass nach dem Einschalten des HIP (Disable
> auf Low), das erste mal die beiden High-Side Mosfets relativ langsam
> durch die Ladungspumpe (lt. AN schafft diese 25mA Peak) geladen werden,
> sich die Mosfets also direkt nach dem Start einmal verhältnismäßig lange
> im linearen Bereich bewegen. Da ich aber eine induktive Last habe und in
> diesem Fall der Strom sehr klein bleibt (da aus dem Stillstand heraus),
> sollte das meiner Meinung nach keine Probleme machen.
> Hab ich da einen Denkfehler?

Ich dächte nicht im Traum daran so etwas zu machen -- und schon gar 
nicht bei einem solchen Motor:

> 800W (bei 24V)

Wenn Dir stets die Highside-MOSFETs sterben, würde mir das zu denken 
geben.
Wurde der Strom gemessen oder "denkst" Du nur.

Hast Du das halbe Jahr genutzt um eine richtige Leiterplatte aufzubauen 
oder verwendest Du nach wie vor den gausigen Aufbau, den Du oben gezeigt 
hast?
Wo befindet sich der Zwischenkreiskondensator? Sag' jetzt bitte nicht 
hinter 2m Kabel...

Mein letzter Rat: Entsorge den Aufbau und mach' ein richtiges Layout. 
Mehr kann ich Dir nicht helfen.

Grüßle,
Volker.

von Herbert (Gast)


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Hallo Volker,

Volker Bosch schrieb:
> Hast Du das halbe Jahr genutzt um eine richtige Leiterplatte aufzubauen

zwar leider nicht das ganze halbe Jahr, weil ich auch noch ein paar 
andere Sachen zu tun habe, aber ja ich betreibe das ganze natürlich 
inzwischen mit einem "richtigen" Board, ein Platinenlayout habe ich 
hier:
Beitrag "Review 1. Platinenlayout H-Brücke mit Treiber"
online gestellt. Ist mit Sicherheit alles andere als perfekt aber schon 
einmal ein Fortschritt ;) Und das noch keine Veriss-Antworten kommen, 
die hier ja mehr als üblich sind, nehme ich auch mal als kleines 
positives Zeichen...

Gruß,
Herbert

Volker Bosch schrieb:
> Wenn Dir stets die Highside-MOSFETs sterben, würde mir das zu denken
> geben.

Mir sind noch nie die Mosfets abgeraucht, sondern stets nur der HIP.

von Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)


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Hallo Herbert,

Herbert schrieb:

> inzwischen mit einem "richtigen" Board, ein Platinenlayout habe ich

schön.

> hier:
> Beitrag "Review 1. Platinenlayout H-Brücke mit Treiber"

Ist das jetzt ein einseitiges Layout? Wie wird die lowside Drain mit der 
highside Source verbunden? Wo ist die Last angeschlossen?

Und vor allem: Wo ist der Zwischenkreiskondensator?


> Mir sind noch nie die Mosfets abgeraucht, sondern stets nur der HIP.

Beim 4086 war die Ladungspumpe extrem sensibel. Bei Deiner -- gelinde 
gesagt -- "unkonventionellen" Power-On-Strategie würde mich da nichts 
wundern...

Grüßle,
Volker.

von Herbert (Gast)


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Volker Bosch schrieb:
> Ist das jetzt ein einseitiges Layout? Wie wird die lowside Drain mit der
> highside Source verbunden? Wo ist die Last angeschlossen?

Genau, es ist einseitig. Die angesprochenen Verbindungen wurden mit 
entsprechendem Kupferdraht möglichst kurz verdrahtet.

> Und vor allem: Wo ist der Zwischenkreiskondensator?

C10 und C11 im Schaltplan.

> Beim 4086 war die Ladungspumpe extrem sensibel. Bei Deiner -- gelinde
> gesagt -- "unkonventionellen" Power-On-Strategie würde mich da nichts
> wundern...

Gut, ich sehe ein, dass das zu kurz gedacht war. Werde ich im nächsten 
Layout ändern und dafür sorgen, dass erst eine gewisse Zeit beide 
Lowsides eingeschaltet werden.

von Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)


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Herbert schrieb:

>> Und vor allem: Wo ist der Zwischenkreiskondensator?
>
> C10 und C11 im Schaltplan.

Nein, das sind die Bootstrap-Cs.
Ich rede von Kondensatoren, die den Zwischenkreis stützen und
Überspannungsspitzen begrenzen, die bei der Kommutierung vom einen 
MOSFET auf die Freilaufdiode des anderen entstehen. In der 
Applikationsschaltung des Datenblatts ist dieser übrigens auch 
eingezeichnet. Ich würde ganz stark vermuten, dass der hier durchaus 
seine Existenzberechtigung hat, auch wenn er in einer idealen Welt keine 
solche hätte...

Ich sehe bei meinen MOSFET-Brücken stets einen Folienkondensator in der 
Größenordnung Mikrofarad zwischen Highside-Drain und Lowside-Source vor.

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