Massekonzept DCDC Wandler

[Markus Z. (mshiny)]

Hallo,
ich habe eine generelle Frage zum Layout eines Boards auf dem sich 
insgesamt 5 DCDC Wandler befinden um die benötigten Spannungen für 
nachfolgende Komponenten aus einem Akku mit ca. 16V Spannung zu 
generieren. Die Wandler sind allesamt galvanisch getrennt. Da ich die 
Ausgangsmassen der DCDC Wandler zusammenschalten werde ist die 
galvanische Trennung sowieso hinfällig, da ich keinen getrennten 
Versorgungswege nutze. Jetzt frage ich mich ob ich die Eingangsmassen 
und Ausgangsmassen aller DCDC Wandler einfach zusammenhängen kann oder 
soll? Oder über Kondensatoren zusammenhängen.

Angenommen ich hänge alle Massen zusammen. Ist es dann sinnvoll über das 
gesamte Board eine Massefläche über alle 2-4 Layer zu ziehen? Oder muss 
man unter den Wandlern und den Eingangs/ Ausgangs Pi Filtern aussparen?
Oder ist es sinnvoll vor/und nach den Wandlern eine unabhänige 
Massefläche zu haben. Wie wählt ihr die Leitungsdicke für 
Versorgungswege (breite Leitungen umgeben von Massefläche oder oder 
Versorgungsflächen neben Masseflächen?).

Bei den Filtern hätte ich eine Common mode choke und einen nachfolgenden 
PI Filter mit einem Ferrit benutzt. Natürlich schalte ich mehrere 
Kondensatoren mit kleiner Werten parallel. Würdet ihr auch eine common 
mode choke vorsehen?

Ich weiß, dass es wahrscheinlich sinnvoller wäre keine galvanisch 
getrennten Wandler zu benutzen aber die Zeit drängt und die Komponenten 
sind schon festgelegt.

Vielen Dank für eure Hilfe,
Grüße M.

[Jankey (Gast)]

Hi,

also über dieses Thema kann man am besten bei einer Flasche Rotwein 
streiten, da hat jeder andere Meinungen was richtig ist und was nicht.

Ich vertrette folgende Auffassung:

Die Loop Zwischen Eingangs Konsensator, Spule & NMOS sollte klein sein, 
genau so wie die LOOP zwischen, Spule, Diode & Ausgangskondensator.

Am besten du verbindest den Kondensator von Eingang & Ausgang an einem 
Sternpunkt, wo du auch den DCDC GND / den NMOS GND hinführst, und von 
diesem punkt dann über ein VIA auf die GND Plane.

Zuleitungen, ebenfalls ein beliebtes Streitthema wo viele sagen soooo 
dick wie möglich:

Ich sage jedoch:
R_zuleitung = p*l/A

P_Verluste = I*I*R

Wenn du dicke ströme hast und es dir leisten kannst kannst du bei der 
PCB auf 70um dicke raufgehen, ich persönlich halte das jedoch für Luxus. 
Einfach ausrechnen was akkzeptabel ist und was nicht. Es bringt nichts 
wenn du über deine PCB 5mm beite Leitungen legst und dann 1A ziehst. 
Auser natürlich die hast elends Lange leitungen, und bitte nicht 
vergessen wenn du stunden mit einem PCB layout verbringst um 10mOhm 
weniger widerstand zu haben -> der Akku hat mal sicher 50~100mOhm.

Die Pads an den Chips mache ich so das man sie Sauber Löten kann und man 
keinen Produktionsyieldverluste hat ( wenn man keine oder zu kleine 
Thermofallen hat kann man nachlöten gehen = Kosten ).

lg

[Kai K. (klaas)]

>ich habe eine generelle Frage zum Layout eines Boards auf dem sich
>insgesamt 5 DCDC Wandler befinden um die benötigten Spannungen für
>nachfolgende Komponenten aus einem Akku mit ca. 16V Spannung zu
>generieren.

5 Wandler an einem Akku? Bist du sicher, daß er die Einschaltströme 
liefern kann?

>Jetzt frage ich mich ob ich die Eingangsmassen und Ausgangsmassen aller
>DCDC Wandler einfach zusammenhängen kann oder soll? Oder über
>Kondensatoren zusammenhängen.

Caps sind immer eine Notlösung und funktionieren immer nur in einem 
bestimmten Frequenzbereich gut. Besser ist eine direkte Verbindung 
beider Massen, wenn du sowieso keine galvanische Trennung haben willst. 
Die direkte Verbindung beider Massen ist natürlich unter jedem Wandler 
einzeln durchzuführen, damit die Gleichtaktstörungen auf kürzestem Weg 
zur Eingangsmasse zurückfließen können. Am besten nimmst du eine 
durchgehende Massfläche dafür.

>Angenommen ich hänge alle Massen zusammen. Ist es dann sinnvoll über das
>gesamte Board eine Massefläche über alle 2-4 Layer zu ziehen?

Solange die gesamte Anwendung unbekannt ist, läßt sich das nicht 
beantworten. Ich bin ein Fan von durchgehenden Masseflächen, eventuell 
mehreren, und verdrosselten Versorgungsleitungen, statt durchgehenden 
Versorgungslayern. Aber ich komme auch aus dem gemischt analog/digitalen 
Bereich. Höchstfrequente Digitalschaltungen mögen ein anderes Konzept 
verlangen.

>Oder ist es sinnvoll vor/und nach den Wandlern eine unabhänige
>Massefläche zu haben.

Nein, eher nicht. Man könnte über die Wandler sogar in ein Metallgehäuse 
stülpen, das rundherum mit der durchgehenden Massefläche verlötet wird. 
Die symmetrischen Pi-Filter packt man mit unter die Haube und verlötet 
die äußeren Caps dort, wo das Gehäuse die Massefläche berührt. Dann hat 
man so etwas ähnliches wie einen Durchführungskondensator. Das Gehäuse 
sollte so knapp bemessen sein, daß gerade die Wandler und die Pi-Filter 
darunter Platz haben.

Mit einem zusätzlichen Gehäuse und der allseitigen Verlötung mit der 
Massefläche hat man auch eine optimale Bedämpfung der 
Gleichtaktstörungen geschaffen, weil keine undefinierten 
Streukapazitäten zur Umgebung mehr geladen werden, was fiese 
Ausgleichströme und Abstrahlungen zur Folge hätte.

Wenn du Angst hast vor Überhitzung, könntest du das Gehäuse mit 
ausreichend elastischem 2K-Polyurethan ausgießen. Lack Peters hat 
brauchbare Produkte. Ob das geht, hängt natürlich von deiner Anwendung 
ab, von der wir nichts wissen...

>Würdet ihr auch eine common mode choke vorsehen?

Ich würde die Eingangskabel zusammenfassen und durch eine einzige 
Ferrithülse ziehen. Die Hülse sollte nicht zu dünn und nicht zu kurz 
sein und vor allem direkt am Modul angeordnet werden. Das Gleiche gilt 
für die Ausgangsleitungen: Alle Leitungen zusammenfassen und durch ein 
einzige Hülse ziehen. Material "31" von Fair-Rite ist recht brauchbar.

[Markus Z. (mshiny)]

> also über dieses Thema kann man am besten bei einer Flasche Rotwein
>streiten, da hat jeder andere Meinungen was richtig ist und was nicht.

Da hast du wohl recht Jankey! Ich werde deine Vorschläge jedenfalls sehr 
gerne einbeziehen.

[Markus Z. (mshiny)]

Hallo Klaas,
erstmal danke für deine Kommentare. Ich werde noch ein wenig nachhaken.

>5 Wandler an einem Akku? Bist du sicher, daß er die Einschaltströme
>liefern kann?

Mein Akku hat eine Kapazität von 5000mAh und eine Entladerate von 20-40C 
(~100A) und ich ziehe nur einen Bruchteil davon, also sollte das 
funktionieren.

>Die direkte Verbindung beider Massen ist natürlich unter jedem Wandler
>einzeln durchzuführen, damit die Gleichtaktstörungen auf kürzestem Weg
>zur Eingangsmasse zurückfließen können. Am besten nimmst du eine
>durchgehende Massfläche dafür.

Da ich keine galvanische Trennung brauche werde ich die Massen also 
direkt zusammenhängen. Ich bin auch ein Fan von durchgehenden 
Masseflächen werde also auch diese so vorsehen. Würdest du bei der 
Filterschaltung die Masseflächen aussparen oder komplett durchziehen? 
Oder unter den Wandlern die Massefläche aussparen?

>Solange die gesamte Anwendung unbekannt ist, läßt sich das nicht
>beantworten.

Auf dem beschrieben Modul befinden sich nur einige Stecker, DCDC- 
Wandler, LDOs und die entsprechenden Filterschaltungen. Das Board stellt 
also die Versorgung für das Gesamtsystem, bestehend aus 
Mikrofonvorverstärkern, A/D Wandlern, PIC32MX1, Phantomspeisung, RF 
Transceiver, usw. bereit.

[Kai K. (klaas)]

>Würdest du bei der Filterschaltung die Masseflächen aussparen oder
>komplett durchziehen?

Komplett durchziehen.

>Auf dem beschrieben Modul befinden sich nur einige Stecker, DCDC-
>Wandler, LDOs und die entsprechenden Filterschaltungen. Das Board stellt
>also die Versorgung für das Gesamtsystem, bestehend aus
>Mikrofonvorverstärkern, A/D Wandlern, PIC32MX1, Phantomspeisung, RF
>Transceiver, usw. bereit.

Dann achte auf eine sehr gute Masseführung und verwende reichlich 
PI-Filter. Analoge, digitale und HF-Schaltungsteile müssen strikt 
räumlich voneinander getrennt sein. Jedes Signal, das zwischen diesen 
Sektionen geroutet wird, muß aufwendig gefiltert werden.

Du weißt hoffentlich, daß du sehr viel Erfahrung brauchst, um das 
halbwegs störungsarm hinzubekommen?

[Markus Z. (mshiny)]

Hi,
ich habe als Beispiel eine mögliche Schaltung für einen der 5 DCDC 
Wandler angehängt (Schaltplan + Layout). Könntet ihr euch das so 
vorstellen oder gibt es wo Verbesserungsvorschläge? (außer bei 
Bauteilanordnung usw.) Was mich wirklich interessiert ist das 
Massekonzept. Die Anordnung der Common-Mode-chokes (L3 und L4). Und ob 
ihr diese generell für sinnvoll haltet? Zusammenschlißen des GND am Ein- 
und Ausgang des DCDC Wandlers jeweils nach der Choke.Und das Einbetten 
des gesamten Aufbaus in eine GND-Fläche, die ich durch kurzschließen der 
Ein- Ausgangsmassen nach den Chokes definiere.

Danke für eure Hilfe/ Erfahrungen!
LG

>Dann achte auf eine sehr gute Masseführung und verwende reichlich
>PI-Filter. Analoge, digitale und HF-Schaltungsteile müssen strikt
>räumlich voneinander getrennt sein.

Ich arbeite generell mit großen Masseflächen und reichlich GND-Vias.
Die einzelnen Einheiten sind räumlich getrennt, da sie auf 
untersciedlichen Platinen sind. Zumindest der HF und der Analoge-Teil. 
Digitale Leitungen sind auf jeder Platine (lässt sich ja nicht 
vermeiden).

>Jedes Signal, das zwischen diesen Sektionen geroutet wird, muß aufwendig 
>gefiltert werden.

Ich hoffe, dass sich die Versorgung nicht allzu schlimm auswirkt, da ich 
mit den Pi-Filtern den Ripple und Noise gering halten möchte. Und ich 
habe alle Platinen als Multilayer designt wobei einige Lagen davon nur 
Masseflächen sind um störsicherer zu sein.


>Du weißt hoffentlich, daß du sehr viel Erfahrung brauchst, um das
>halbwegs störungsarm hinzubekommen?
Na ja. Irgendwann muss man diese Erfahrung auch einmal sammeln.

Danke dir für deine Antworten.
Grüße

[Kai K. (klaas)]

>ich habe als Beispiel eine mögliche Schaltung für einen der 5 DCDC
>Wandler angehängt (Schaltplan + Layout).

Oh je! Was sollen denn die parallelgeschalteten Drosseln?

Das Layout ist eine Katastrophe.

Willst du uns verar.....?

Hast du überhaupt durchgelesen, was ich geschrieben habe?

[Markus Z. (mshiny)]

> Oh je! Was sollen denn die parallelgeschalteten Drosseln?
OK. Ich verwende am Eingang und am Ausgang Gleichtaktdrossel, zum 
Filtern der Gleichtaktstörungen die vom Schaltwandler hervorgerufen 
werden.
Dann kommen die Pi-Filter mit den verschieden großen Kapazitäten weil 
wie du sicher weißt ein Kondensator ab einer gewissen Frequenz nicht 
mehr wie ein Kondensator wirkt sondern die Induktivität überwiegt (nach 
der Resonanzfrequenz). Statt der Spule habe ich ein Ferrit (wegen der 
besseren Güte) vorgesehen und als Option parallel dazu eine Spule, die 
aber wie gesagt optional ist und nicht bestückt wird (Wert: np = not 
placed).
Wenn du was gegen die Gleichtaktfilterung hast dann wäre es schön wenn 
du mir auch sagen könntest was daran so schlimm und abartig ist.

>Das Layout ist eine Katastrophe
Na ja. Ich habe auch explizit nicht gewollt dass man auf irgendeine 
Bauteilanordnung oder Leitungsführung achtet. Ich werde im Normalfall 
sowieso alle Leitungen in Innenlayern führen und die Filter so nahe wie 
möglich an den Ausgängen platzieren. Ich wollte nur wissen an welchem 
Punkt ich die Massen von Ein- und Ausgang zusammenhängen soll, und ob 
diese Masse dann über das ganze Board als Fläche gezogen werden sollte. 
Oder ob ich eben Versorgungsflächen und getrennt Massen verwenden soll 
usw.

> Hast du überhaupt durchgelesen, was ich geschrieben habe?
Ja habe ich. Ich hätte die Massen auch einfach unter dem Wandler 
zusammengeschlossen aber ein Freund hat mir empfohlen eine common mode 
choke zu benutzen.
Und dann die Pi-Filter. Fertig. Ich habe mich also gegen das Ferrit über 
allen Kabeln entschieden, aber wo ist jetzt der große Widerspruch zu 
deinen Kommentaren? Es ist eine Massefläche vorgesehen. Die 
Ein-Ausgangsmassen sind direkt ohne Kondensatoren verbunden. Dann kommen 
die Pi-Filter die nach Simulationen in LT-SPice gut funktionieren zu 
scheinen.

Gut, trotzdem danke.
LG

[Kai K. (klaas)]

>OK. Ich verwende am Eingang und am Ausgang Gleichtaktdrossel, zum
>Filtern der Gleichtaktstörungen die vom Schaltwandler hervorgerufen
>werden.

Zuerst mußt du die gewaltigen Gleichtakt-Störungen am Ausgang des 
DC/DC-Wandlers zum Eingang zurückführen, also durch Kurzschließen 
mittels Caps oder gemeinsamer Massefläche. Alle anderen Maßnahmen sind 
zweitrangig, weil sie Fehler, die hier gemacht wurden, nicht mehr 
kurieren können.

>Dann kommen die Pi-Filter mit den verschieden großen Kapazitäten weil
>wie du sicher weißt ein Kondensator ab einer gewissen Frequenz nicht
>mehr wie ein Kondensator wirkt sondern die Induktivität überwiegt (nach
>der Resonanzfrequenz).

Parallelschalten ungleicher Kapazitäten wird heutezutage vermieden, weil 
kräftige Resonanzen die Folge sein können, die die Filterwirkung 
aushebeln. Stattdessen verwendet man lieber keramische Highcaps höchster 
Kapazität in Gehäusen kleinster Bauform (SMD!) und schaltet bei Bedarf 
lieber identische Caps parallel.

>Wenn du was gegen die Gleichtaktfilterung hast dann wäre es schön wenn
>du mir auch sagen könntest was daran so schlimm und abartig ist.

Wenn du die Drossel am Ausgang zur Masse kurzschließt, wozu brauchst du 
dann noch die Drossel? Außerdem: Glaubst du, daß sich die 
Gleichtaktstörungen lieber durch die Drossel zwängen, als über die 
riesigen Streukapazitäten zur Masse zurückzufließen?