Hallo,
ich habe mir den Artikel einmal durchgelesen und prompt einige Fragen
bzgl. des Artikels.
1. Ich soll die freie Fläche zwischen Leiterbahnen für Masseflächen
nutzen, digitale und analoge Masse darf ich ruhig kombinieren und
möglichst eine großflächige Massefläche nutzen.
Wenn ich jedoch alle meine GND Signale zunächst von Hand verbunden habe,
ist hier Sternförmig auch gleich Baumförmig? Ich kann ja schlecht von
jedem Massepunkt eine durchgehende Leitung zur Spannungsversorgung
ziehen. Dann steht im Artikel "Masseflächen sind nur dann wirklich
wirksam, wenn sie möglichst durchgängig sind." - ich lese hier häufig
das Gegenteil im Forum.
Sprich ich habe alle von Hand geroutet, lege dann eine große Massefläche
über die Leiterplatte. Ich lese jetzt raus, dass man das genauso machen
soll - hier im Forum ist diese Methode aber verpöhnt scheint es mir.
Ich persöhnlich habe es bisher immer so gemacht und hatte noch nie
Probleme mit Brummen, Rauschen, Antennenfunktion etc.
2. Analoge und digitale Schaltungsteile direkt ohne Filter aus der
gleichen Stromquelle versorgen.
Wie trennt man denn richtig analoge und digitale Spannungsversorung aus
der selben Spannungsquelle? In meinem Fall habe ich einen Xmega, zwei
TLC555 und ein SPI DAC. Der analoge Teil ist ein LM13700 für Ausgabe
eines Audiosignals und ein Kopfhörerverstärker. Wie strinkt muss ich
hier trennen - ich bewege mich ja nicht im gHz Bereich.
@ Nils Handelmann (nils_h494)
>1. Ich soll die freie Fläche zwischen Leiterbahnen für Masseflächen>nutzen,
Kann man machen, muss man aber nicht.
>Wenn ich jedoch alle meine GND Signale zunächst von Hand verbunden habe,>ist hier Sternförmig auch gleich Baumförmig?
Nein, das ist nicht gleich. Aber baumförmig ist in vielen Fällen OK.
>Ich kann ja schlecht von>jedem Massepunkt eine durchgehende Leitung zur Spannungsversorgung>ziehen.
Das muss man nur bei einigen Schaltungen.
> Dann steht im Artikel "Masseflächen sind nur dann wirklich>wirksam, wenn sie möglichst durchgängig sind." - ich lese hier häufig>das Gegenteil im Forum.
???
Du meinst, das stark zerteilte Masseflächen sonderlich wirksam sind?
>Sprich ich habe alle von Hand geroutet, lege dann eine große Massefläche>über die Leiterplatte. Ich lese jetzt raus, dass man das genauso machen>soll
Das ist auch der sinnvolle weg.
>- hier im Forum ist diese Methode aber verpöhnt scheint es mir.
Von talentfreien Bastlern und anderen Faulpelzen.
>Ich persöhnlich habe es bisher immer so gemacht und hatte noch nie>Probleme mit Brummen, Rauschen, Antennenfunktion etc.
Dann kann die Methode ja nicht so schlecht sein.
>2. Analoge und digitale Schaltungsteile direkt ohne Filter aus der>gleichen Stromquelle versorgen.
Ist ein Fehler.
>Wie trennt man denn richtig analoge und digitale Spannungsversorung aus>der selben Spannungsquelle?
Mit RC oder LC Filtern, ggf. getrennte Spannungsregler.
>In meinem Fall habe ich einen Xmega, zwei>TLC555 und ein SPI DAC.
Wozu braucht man 2 TLC555, wenn man einen uC auf dem Board hat?
> Der analoge Teil ist ein LM13700 für Ausgabe>eines Audiosignals und ein Kopfhörerverstärker. Wie strinkt muss ich>hier trennen
Normal, ohne Bäume auszureißen.
>- ich bewege mich ja nicht im gHz Bereich.
Sicher, aber auch hier kann man mit etwas Pech "schöne" Störungen aus
dem Digitalteil in den Analogteil einkoppeln.
Nils H. schrieb:> ich bewege mich ja nicht im gHz Bereich.
wie hoch die Taktrate deiner Signale ist spielt nur eine untergeordnete
Rolle: Viel wichtiger ist: Wie sind denn die Anstiegs- / Abfallzeiten
deiner Signale. Diese musst du zur Betrachtung heranziehen. Typische
Werte sind z.B. 5ns. Das sind dann aber schon 0,2GHz...
Weiters musst du beachten, daß ab ca. 150kHz der Rückstrom eines
Signalstroms nicht mehr den direkten Weg nimmt sondern dem Strompfad des
Signalstroms folgt. Wenn du nun ein Signal über eine Massefläche, oder
an einer Massefläche entlang ziehst und diese plötzlich endet fließt der
Strom bis zu dieser Stelle parallel zum Signalpfad und ab dort sucht er
sich den kürzestmöglichen Weg um wieder zum Signalpfad zu kommen. Dabei
wird eine "Leiterschleife" gebildet, welche natürlich Störungen
aussendet aber auch empfängt. Das alles ist nicht zu komplex, man sollte
es aber auch nicht zu leicht nehmen.
@ Christian B. (luckyfu)
>wie hoch die Taktrate deiner Signale ist spielt nur eine untergeordnete>Rolle: Viel wichtiger ist: Wie sind denn die Anstiegs- / Abfallzeiten>deiner Signale. Diese musst du zur Betrachtung heranziehen.
Stimmt.
> Typische>Werte sind z.B. 5ns. Das sind dann aber schon 0,2GHz...
Stimmt nicht. 5ns Anstiegszeit entsprechen ~70MHz.
f ~ 0,35/tr
EMI/DMC-gerechtes Layoutdesign kann man fast studieren, so komplex ist
es!
Du wirst nicht umhinkommen ein Büchlein zu kaufen wenn du es richtig
machen willst.
Wenn ich nur begenzten Platz habe und eher eine Baumstruktur habe, als
Sternmasse, wie sollten in diesem Baum die digitalen/analogen Bauteile
angeordnet werden? Ich würde jetzt schätzen, die digitalen näher an der
Spannungsversorgung, damit deren Pulse nicht auf der analogen Seite
gesehen werden oder? Also analog nach digital?
Ich werde dann digitale und analoge Spannungsversorgung mit separaten
Schaltreglern betreiben.
@ Nils Handelmann (nils_h494)
>Wenn ich nur begenzten Platz habe und eher eine Baumstruktur habe, als>Sternmasse, wie sollten in diesem Baum die digitalen/analogen Bauteile>angeordnet werden? Ich würde jetzt schätzen, die digitalen näher an der>Spannungsversorgung, damit deren Pulse nicht auf der analogen Seite>gesehen werden oder? Also analog nach digital?
Naja, wensigsten die Bereiche digital und analog sollte man möglichst
sternförmit anbinden. Darüberhinaus kann man eher schlecht allgemeine
Ratschläge geben, das ist sehr von der Schaltung abhängig.
>Ich werde dann digitale und analoge Spannungsversorgung mit separaten>Schaltreglern betreiben.
;-)
Das macht das Problem nicht besser. Die meisten Schaltregler, vor allem
in Händen von Bastlern, erzeugen mehr Störungen als die gemeinsame
Versorgung aus einem (Schalt)spannungsregler + Filter. Linearregler
können bis ein paar Dutzend kHz als brauchbarer Filter wirken,
darüberhinaus werden auch sie wirkungslos bzw. HF-mäßig durchlässig. Ein
Schaltregler ist als StörFILTER um Größenordnungen schlechter. Sowohl
wegen seiner deutlich schlechteren Regeleigenschaften als auch auf grund
der Eigenstörungen.
Falk B. schrieb:> Das macht das Problem nicht besser. Die meisten Schaltregler, vor allem> in Händen von Bastlern, erzeugen mehr Störungen als die gemeinsame> Versorgung aus einem (Schalt)spannungsregler + Filter. Linearregler> können bis ein paar Dutzend kHz als brauchbarer Filter wirken,> darüberhinaus werden auch sie wirkungslos bzw. HF-mäßig durchlässig. Ein> Schaltregler ist als StörFILTER um Größenordnungen schlechter. Sowohl> wegen seiner deutlich schlechteren Regeleigenschaften als auch auf grund> der Eigenstörungen.
Hier mein Streifen Senf dazu:
Das optimale Auslegen und Dimensionierung von Schaltreglern ist nicht
wirklich eine Raketenwissenschaft. Viele Schaltregler Datenblätter geben
oft detaillierte praxisbezogene Empfehlungen und Vorschläge zu einem
funktionierenden, zufriedenstellenden Design. Wenn man sich daran hält,
kann eigentlich nicht mehr so viel passieren. Zumindest hat man damit
einen Anfangspunkt zu möglichen Verbesserungen und Optimierungen.
Im Grunde genommen dreht sich beim Abwärtsregler z.B. alles darum die
beim Schalten auftretenden Ströme nicht zur Stromquelle oder Last
fließen zu lassen. Das erreicht man indem man die Eingangs- und Ausgangs
Cs so anordnet, daß zusammen mit dem Nullbezugspunkt des Reglers kein
Strom nach außen abfließen kann. Wenn alles richtig gemacht worden ist
bleibt dann nur fast nur noch die Ausgangs Ripplespannung übrig wie sie
durch den ESR der Cs vorgegeben ist. Je nach Schaltfrequenz empfielt es
sich die Cs durch verschiedene Typen zu komplementieren um breitbandige
Wirkung zu erzielen. Die Wahl der Cs muß sehr sorgfältig erfolgen und
viele Datenblätter geben dazu sachgerechte Praxis Empfehlungen. Es ist
auch ungemein wichtig darauf zu achten, dass alle in Frage kommenden Cs
die hochfrequenten Schaltströme mit ausreichendem Margin aushalten
können. Für hochzuverläßige Schaltungen die viele Jahre funktionieren
müssen, empfiehlt es sich mehr als einen Elko in Parallelschaltung
anzuordnen um die Schaltströme aufzuteilen und die Belastung auf einem
niedrigen Wert bringen zu können. Allerdings muß man aufpassen, daß der
Gesammt ESR den empfohlenen/berechneten Bereich einhält.
Einige Hersteller haben auch on-line Berechnungsprogramme und
Simulatoren. Damit kann man sich viel manuelle Berechnungsarbeit
ersparen und die zu erwartenden Eigenschaften im Simulator
durchzuspielen.
Auch mit zweiseitigen Platinen kann man Schaltregler mit guten
Eigenschaften ordnungsgemäß implementieren. Es kommt darauf den Regler
Eingangsstromkreis, den Ausgangsstromkreis und den Regler Nullpunkt auf
einen gemeinsamen Punkt zusammenzuführen. Dort heben sich alle
Störströme praktisch auf. Der Herr Kirchhoff wußte das schon vor sehr
langer Zeit. Das Layout dazu ist mit SMD Komponenten meist leicht
durchzuführen. Es ist wichtig alle stromdurchflossenen Schaltungszüge
mit grossem Querschnitt auszulegen was leicht mit Polygonzügen zu
verwirklichen ist. Viele CAD Programme haben diese Funktion.
Am leichtesten ist es ein LC Filter zur weiteren Abschwächung der übrig
bleibenden Ripple Spitzen einzusetzen. Wenn man z.B. denselben Induktor
wie beim Abwärtsregler verwendet kann man in der Praxis eine mindestens
10:1 Verbesserung des Ripples erzielen. Da durch das LC Filter die
Hochfrequente Energie abgeschwächt wird, verbessert sich das Spektrum so
daß Störungen nach aussen meist kein Thema mehr sind und lineare Regler
meist nicht mehr notwendig sind. Und falls ein linearer Regler
nachgeschaltet werden muß, ist der Regler durch das weichere Spektrum
besser imstande mit der verbleibenden Störungspannung fertig zu werden.
Gewisse moderne Linearrregler haben auch ein weitaus höhere
Grenzfrequenz um hochfrequente Anteile ausregeln zu können. Das Ausgangs
C des LC Filters muß mit der Last Masse verbunden werden.
Eingangsseitig empfiehlt sich zur Blockierung der Schaltregler conducted
Störungen noch ein sogenanntes Common Mode Filter zu verwenden. Richtig
dimensioniert sind die auf der Leitung verbleibenden induzierten
Störungen in der Praxis dann meist kein Thema mehr. In meiner Praxis
haben sich diese Maßnahmen immer bewährt und passierten alle offiziellen
EMC Grenzwerte mit ausreichendem Abstand auf Anhieb.
Regler wie LM2596, 2576 , 2674 z.B. sind ziemlich gutmütig, deshalb
werden sie auch "Simple Switcher" genannt.
Die Erfahrung kommt mit der Praxis. Es empfiehlt sich einige Regler
seperat aufbauen um damit praktische Erfahrungen zu sammeln. Man bekommt
dann sozusagen ein brauchbares "Referenz Design" welches dann mit
reproduzierbaren Werten wiederverwendet werden kann.
Beim Arbeiten mit Schaltreglern ist ein gutes Oszilloskop unentbehrlich.
Auch Breitband Stromwandler (Ringkern, Hall Efekt) zur
Schaltstromuntersuchung sind sehr nützlich.
Mfg,
Gerhard
Gerhard O. schrieb:> Hier mein Streifen Senf dazu:>> Das optimale Auslegen und Dimensionierung von Schaltreglern ist nicht> wirklich eine Raketenwissenschaft. Viele Schaltregler Datenblätter geben> oft detaillierte praxisbezogene Empfehlungen und Vorschläge zu einem> funktionierenden, zufriedenstellenden Design. Wenn man sich daran hält,> kann eigentlich nicht mehr so viel passieren. Zumindest hat man damit> einen Anfangspunkt zu möglichen Verbesserungen und Optimierungen.> Wenn alles richtig gemacht worden ist ...> Die Wahl der Cs muß sehr sorgfältig erfolgen und> viele Datenblätter geben dazu sachgerechte Praxis Empfehlungen. Es ist> auch ungemein wichtig darauf zu achten, ...> Allerdings muß man aufpassen, daß ...> Richtig dimensioniert ...> Die Erfahrung kommt mit der Praxis. Es empfiehlt sich einige Regler> seperat aufbauen um damit praktische Erfahrungen zu sammeln. Man bekommt> dann sozusagen ein brauchbares "Referenz Design" welches dann mit> reproduzierbaren Werten wiederverwendet werden kann.>> Beim Arbeiten mit Schaltreglern ist ein gutes Oszilloskop unentbehrlich.> Auch Breitband Stromwandler (Ringkern, Hall Efekt) zur> Schaltstromuntersuchung sind sehr nützlich.
Klingt auf jeden Fall danach, dass Falk B. recht hat. Hobbyisten,
die keine Wissenschaft aus der Stromversorgung machen, werden kaum
ein störfreies Design "eben mal" hin bekommen. Zumindest wenn ich
nach all den "Wenn", "sorgfältig", "ungemein wichtig darauf zu achten",
"richtig dimensioniert" und "Erfahrung" gehe.
Boah Gerhard, das war ein toller Vortrag!
Eine Weile hatte ich mich mit aktiven Filter Schaltungen befasst und das
funktioniert auch tatsächlich wie in der Simulation mit dem
Filterberechnungsprogramm. Die Werte auf dem Oszi waren nahezu gleich.
Es gibt fertige kleine Filter, für feste Frequenzen. Wie wirksam sind
diese?
F. F. schrieb:> Boah Gerhard, das war ein toller Vortrag!
Ja, dem muss ich auch zustimmen. Auch wenn es nicht
gerade trivial klingt, hat Gerhard es gut zusammengefasst.
