Schaltregler Layout

Noch ein paar Details, die ich eben vergessen hatte: Die Kerkos haben 
allesamt 100V Spannungsfestigkeit, bei 48V bleiben laut DaBla noch 50% 
der Kapazität, bei 80V 25%.
Der Regler läuft bei 600kHz.
Der LC am Eingang soll mit 10kHz Grenzfrequenz neben dem Schaltregler 
auch noch die Flanken der PWM abflachen.
Der Shunt für den Ausgang hängt an der Low-Side, weil ich sonst an den 
80V vom LT3761 kratze (Ist auch in einer Beispielapplikation von LT so 
zu sehen).

Zunächst einmal: räume doch bitte mal deinen Schaltplan auf, sich da 
einzulesen macht keinen Spaß.

Die GND-Linie links am Eingangsfilter muß ja nun wahrlich nicht sein, 
und wirklich furchtbar wird es mit denen an Pin 17 und 3.

Wenn du dann noch D2 nebst Q2 nach oben schiebst ist das zwar immer noch 
weit weg von perfekt, aber es sind schon einmal deutlich weniger 
Kreuzungen und Schlenker und man kann deine Schaltung weitaus besser 
nachvollziehen.

Noch ein wenig besser wird es, wenn du deine Kondensatoren unten rechts 
ebenfalls nach oben ziehst ist noch ein Stück mehr gewonnen. Vor allem 
wenn du Q1 noch etwas herunterrückst-immerhin soll das Ding ja lowside 
schalten (oder?).

Besser? Pin 3 und 17 sind jeweils negative Shunt-Anschlüsse, deshalb 
hatte ich die nicht direkt an ein GND Symbol angeschlossen.

Base64 U. schrieb:
> Schaltplan sieht besser aus, am besten zu zeichnest noch deinen
> kritischen loop / hf loop ein.

Ist doch schon im Eröffnungspost.

jz23 schrieb:
> Besser?
Die Frage ist eher: Findest DU es denn besser? Ich zumindest finde es 
jetzt deutlich übersichtlicher (wenn auch noch nicht ideal, aber es ist 
ok) und kann jetzt sehen was deine Schaltung machen soll ohne mir 
unnötige Knoten ins Hirn zu wickeln.

Die Kondensatoren rechts sind zwei unterschiedliche Typen. Ist das 
wirklich gewollt? Normalerweise macht man sich eher Probleme da mehr 
Resonanzfrequenzen. In einigen Fällen ist das kaum ein Problem (z.B. 
Elektrolyt- und Keramikkondensatoren, da diese in ihrem parasitären 
Verhalten so sehr verschieden sind), aber meistens ist das nicht 
hilfreich.

Sieht es nur so aus oder gibt es wirklich keine Verbindung zwischen D2 
und Q2, die du zumindest angedeutet hast?

Wühlhase schrieb:
> Die Frage ist eher: Findest DU es denn besser?

Ja, aber ich hab auch einen Großteil neuzeichnen müssen (Ich hatte ganz 
am Anfang einen Step Down, den ich mit möglichst wenig Aufwand 
umgezeichnet habe), für mich persönlich war die Zeit es nicht wert, aber 
wenn es anderen hilft, dann schon.

Wühlhase schrieb:
> Die Kondensatoren rechts sind zwei unterschiedliche Typen. Ist das
> wirklich gewollt?

Ja, die kleinen blocken höhere Frequenzen besser, aber ich brauche die 
Kapazität der größeren für die PWM. Elkos (also organische, "normale" 
vertragen ja weder den Ripple noch  wirken die in  diesem 
Frequenzbereich) hab ich bei Mouser keine gefunden, die dieselbe 
Kapazität und Spannungsfestigkeit auf dieser Platinenfläche bieten.

Wühlhase schrieb:
> Sieht es nur so aus oder gibt es wirklich keine Verbindung zwischen D2
> und Q2, die du zumindest angedeutet hast?

Doch, ich hab nur beim Neuzeichnen den Punkt vergessen. KiCAD fügt die 
ja manchmal aus unerfindlichen Gründen nicht ein.

jz23 schrieb:
> Ja, die kleinen blocken höhere Frequenzen besser, aber ich brauche die
> Kapazität der größeren für die PWM. Elkos (also organische, "normale"
> vertragen ja weder den Ripple noch  wirken die in  diesem
> Frequenzbereich) hab ich bei Mouser keine gefunden, die dieselbe
> Kapazität und Spannungsfestigkeit auf dieser Platinenfläche bieten.
Bleib bei einem Kondensatorentyp. Kleine Kapazitäten blocken höhere 
Frequenzen mitnichten besser ab-das ist Blödsinn. Dafür ziehst du dir 
mehr Resonanzen in deine Schaltung, was eine gute Grundlage für 
EMV-Probleme ist.

Um was für Kondensatoren handelt es sich denn?

Wühlhase schrieb:
> Um was für Kondensatoren handelt es sich denn?

CKG57NX7S2A226M500JH
und
GRM32ER72A225KA35L

Letztere haben ab 1 MHz eine wesentliche niedrige Impedanz.

Würde ich das Problem mit der möglichen Resonanz aber nicht schon 
entschärfen, wenn ich eine Ferritperle dazwischenhänge?

jz23 schrieb:
> Würde ich das Problem mit der möglichen Resonanz aber nicht schon
> entschärfen, wenn ich eine Ferritperle dazwischenhänge?
Überleg doch mal, was du mit einer Ferritperle erreichst:

1. Du bringst deinem schön schnellen Kondensator genau das Verhalten 
bei, daß du bei Elkos hast. Und dann überleg dir warum du keine Elkos 
wolltest.

2. Nimm ein beliebiges, nicht allzu kompliziertes um es besser 
nachvollziehen zu können, LC-Netwerk und berechne alle 
Resonanzfrequenzen. Und dann häng eine zusätzliche Induktivität hinein 
und berechne nocheimal alle Resonanzfrequenzen.

Außerdem: schau dir mal die Kapazität bei anliegender Spannung deiner 
Kondensatoren an und überleg, ob dir die Kapazität reicht.

Kevin K. schrieb:
> Mein Vorredner sagte es ja schon: wozu?

Die am Eingang dient dazu, Frequenzen zu blocken, aber denen die Spule 
kapazitiv wird - also primär die Schaltflanken vom MOSFET und der Diode. 
Wühlhase ging es doch um meine Idee, die Kondensatoren am Ausgang mit 
einer weiteren zu entkoppeln (oder hab ich das falsch verstanden?).

Wühlhase schrieb:
> Nimm ein beliebiges, nicht allzu kompliziertes um es besser
> nachvollziehen zu können, LC-Netwerk und berechne alle
> Resonanzfrequenzen.

Wie? Sqrt(1/LC)*1/2π gilt doch nur für eine einzelne LC-Schaltung, wie 
berechne ich das bei mehreren?

Wühlhase schrieb:
> 1. Du bringst deinem schön schnellen Kondensator genau das Verhalten
> bei, daß du bei Elkos hast. Und dann überleg dir warum du keine Elkos
> wolltest

Ich meinte, dass ich die großen damit von den kleinen Kondensatoren 
abkopple - die großen sind ja nur zum Zwischenspeichern der Spannung für 
die PWM-Off-Zeit, die müssen nicht schnell sein. Die Kerkos passten hier 
von der Größe besser als vergleichbare Elkos.

Ich hab bei Mouser nochmal die parametrische Suche bemüht und nun doch 
einen passenden Elko gefunden.

Am Ausgangsfilter sitzen jetzt zwei MAL218497901E3 (4µ7, 100V, 1A 
Ripple) und zwei GRM32ER72A225KA35L (2µ2, Kerko, 100V). Das sollte ja 
dann wesentlich unkritischer sein, was mögliche Resonanzen angeht.

Gut...ob die Kondensatoren die Ströme mitmachen und den resultierenden 
Spannungsrippel rechne ich jetzt nicht nach, ich denke daß hast du 
bereits berücksichtigt. Wenn nicht -> solltest du das nachholen.

Dein Eingangsfilter ist auch noch deutlich...naja, nach was hast du es 
denn ausgelegt?. Wenn du mit 4kHz schalten willst paßt da was nicht.
Die Diode gehört links neben die Induktivität, dort wo sie jetzt ist ist 
sie nutzlos für L1. Oder soll die als Freilaufpfad für L2 dienen? L2 
braucht nicht unbedingt eine Diode, da L2 sich aus den Kondensatoren 
"bestromen/entstromen" kann.

Mal eine Frage-nach welchen Kenntnissen hast du deine Schaltung denn 
entworfen? Hast du so etwas überhaupt schon einmal gemacht?

Wühlhase schrieb:
> Die Diode gehört links neben die Induktivität, dort wo sie jetzt ist ist
> sie nutzlos für L1.

Das ist eine TVS-Diode, ich hatte die hinter L1 gepackt, damit L1 
mögliche Spannungsimpulse bereits vorfiltert.

Wühlhase schrieb:
> Dein Eingangsfilter ist auch noch deutlich...naja, nach was hast du es
> denn ausgelegt?. Wenn du mit 4kHz schalten willst paßt da was nicht.

Der Filter ist auf 10kHz Grenzfrequenz ausgelegt. Geplant hatte ich mit 
40dB bei 600kHz, aber es ist genug Platz für eine größere Spule, deshalb 
hatte ich dann ~10 statt 60kHz als Grenzfrequenz genommen. Mit 6uH und 
25uF komme ich auf etwa 13kHz. Und damit filtere ich dann auch die 
Flanken der PWM. Die PWM selber filtert das natürlich nicht.

Wühlhase schrieb:
> Wenn nicht -> solltest du das nachholen.

Keine Sorge, hab ich gemacht. Die Kondensatoren Verträgen jeweils 1A 
Ripple bei 100kHz. Beim Nachrechnen war ich faul und hab LTSpice 
genommen, da war der Ripple bei <1V.

Wühlhase schrieb:
> Mal eine Frage-nach welchen Kenntnissen hast du deine Schaltung denn
> entworfen? Hast du so etwas überhaupt schon einmal gemacht?

In der Größe noch nicht, für kleinere Ströme hab ich mit dem LM2576 
schon Schaltregler gebaut. Aber ich bin lernwillig :D

Ei...da hab ich den kleinen Strich am großen Diodenstrich doch glatt 
übersehen. Allerdings brauchst du da trotzdem noch einen Freilaufpfad 
für die Eingangsinduktivität. Ein Eingangskondensator tut es auch, die 
Kapazität muß groß genug sein daß er bei Betriebsspannung mindestens 
soviel Energie enthält wie die Induktivität bei Betriebsstrom.

Und warum hast du den Eingangsfilter auf 10kHz ausgelegt?

Bei solchen Anwendungen wie deiner sollte man eigentlich bestrebt sein 
die Schaltung so zu bauen, daß sie wenigstens annähernd Gleichstrom 
(möglichst ohne Wechselanteile wie Ripple o.ä.) konsumiert.

Manche Hersteller lassen das auch gerne bleiben, Filter kosten ja und 
man will billig sein, allerdings läuft der Anwender Gefahr dann andere 
Geräte zu kompromittieren. Die höherfrequenten Anteile erzeugen 
Spannungsfälle über der Induktivität gemeinsamer Leitungsteile, und so 
kriegen andere Geräte, die mit deiner Schaltung gemeinsam an einer 
Spannungsversorgung hängen, deine Ströme mit.

Daher legt man Eingangsfilter üblicherweise auf einer niedrigeren 
Frequenz aus als die mit der man schalten will. Faktor 10 (je größer je 
besser) ist ein guter Richtwert. Oder was hattest du mit dem Filter denn 
im Sinn?

Die HF-Anteile im aufgenommenen Strom sollte man nicht unterschätzen. 
Ich hab schon gesehen wie ein einfacher Buckkonverter (nur ein 
100µF-Elko am Eingang, ca. 2A Betriebsstrom) einen einfachen 
Nockenwellensensor (binäres Signal) ausgekickt hat. In diesem Fall war 
es nicht der Einbruch der Versorgungsspannung, sondern 
Potentialverschleppung auf der Masseleitung. (Führte dazu, daß das 
Motorsteuergerät die Lowpegel des Sensors nicht mehr sehen konnte.)

jz23 schrieb:
> Aber ich bin lernwillig :D
Dann empfehle ich dir, das hier mal zu lesen:
https://www.amazon.com/EMV-St%C3%B6rungssicherer-Aufbau-elektronischer-Schaltungen-ebook/dp/B00UZBGBSE/ref=sr_1_1/137-3230726-0727443?ie=UTF8&qid=1525424576&sr=8-1&keywords=emv+schaltung

Wühlhase schrieb:
> jz23 schrieb:
>> Aber ich bin lernwillig :D
> Dann empfehle ich dir, das hier mal zu lesen:
> 
https://www.amazon.com/EMV-St%C3%B6rungssicherer-Aufbau-elektronischer-Schaltungen-ebook/dp/B00UZBGBSE/ref=sr_1_1/137-3230726-0727443?ie=UTF8&qid=1525424576&sr=8-1&keywords=emv+schaltung

Werd ich mir mal genauer anschauen, danke.

Wühlhase schrieb:
> Und warum hast du den Eingangsfilter auf 10kHz ausgelegt?

Wie gesagt, ich hab bei der Schaltfrequenz von 600kHz mit mindestens 
40dB gerechnet und den Filter dann noch etwas größer dimensioniert.

Wühlhase schrieb:
> Oder was hattest du mit dem Filter denn
> im Sinn?

Primär soll der die 600kHz vom Schaltregler dämpfen und eben die Flanken 
der PWM etwas verrunden. Dass der die PWM selber nicht wegfiltert, ist 
mir klar.

Wühlhase schrieb:
> Manche Hersteller lassen das auch gerne bleiben, Filter kosten ja und
> man will billig sein, allerdings läuft der Anwender Gefahr dann andere
> Geräte zu kompromittieren. Die höherfrequenten Anteile erzeugen
> Spannungsfälle über der Induktivität gemeinsamer Leitungsteile, und so
> kriegen andere Geräte, die mit deiner Schaltung gemeinsam an einer
> Spannungsversorgung hängen, deine Ströme mit.

Ich war davon ausgegangen, dass die einstelligen kHz der PWM keine 
allzugroßen Probleme machen sollten und dass bei denen ein entschärfen 
der Flanken ausreicht. Kosten sind nicht direkt das Problem, ist ja ein 
Einzelstück, aber der Platz auf der Platine ist leider ziemlich 
begrenzt. Wenn ich also 400Hz Grenzfrequenz anstrebe, lande ich bei 
mehreren hundert µ jeweils für Spule und Kondensator, das wird bei 1,3A 
und 48V ziemlich massiv.
Spannungsabfall auf der Zuleitung sollte nicht so kritisch sein, bis zum 
Netzteil werden es wohl so um die 2m in 2,5mm², also 2*14mOhm. Am 
Netzteil wäre auch genug Platz, um dort ein größeres Filter anzubringen.

Wühlhase schrieb:
> Ein Eingangskondensator tut es auch, die
> Kapazität muß groß genug sein daß er bei Betriebsspannung mindestens
> soviel Energie enthält wie die Induktivität bei Betriebsstrom.

Wäre es nicht platzsparender, eine Schottky-Diode über die Induktivität 
zu schalten? Also Anode an die Kondensatoren und Kathode an den Eingang?

Michael B. schrieb:
> Das Layout finde ich ok, aber viele Bauteile gehen über den Platinenrand
> hinaus. Findest du das ok ?

Ich sehe kein einziges, das über den Rand geht. Aber ja, viele gehen 
fast bis komplett dran. Das passt an der Stelle aber in der späteren 
Anwendung.

Michael B. schrieb:
> Keine >Ahnung warum die Leute immer so faul sind beim Zeichnen.

Den zweiten Schaltplan hab ich am Laptop mit Touchpad überarbeitet, 
deswegen hab ich nur die ganz wirren Linien geändert. Mir selbst reicht 
das Gekrakel, ich sehe es als Mittel zum Zweck, die Leiterplatte ist das 
Entscheidende - und da versuch ich dann auch so ordentlich wie möglich 
zu arbeiten. Trotzdem danke für deine Anregungen, wie man die Bauteile 
hübscher verteilt bekommt, ich werde das umsetzen, sobald ich wieder 
eine richtige Maus in der Hand hab.

Lars K. schrieb:
> Ich würde noch Gatewiderstände evt. noch mit einen seperaten
> Abschaltpfad und Snubber an den MOSFETs vorsehen.

Bei LT hab ich die in keiner einzigen Beispielapplikation gesehen, 
weshalb ich davon ausgegangen bin, dass das IC darauf ausgelegt ist, 
ohne Gatewiderstände zu arbeiten. Außerdem hab ich bei den MOSFETs auf 
eine möglichst kleine Gate-Charge geachtet (Zumindest bei Q2, Q1 wird ja 
wesentlich seltener geschaltet) und da würde wohl jeder Widerstand das 
Schaltverhalten verschlechtern.

Lars K. schrieb:
> Du kannst die ja erst mal auf 0 Ohm setzen

Da haste natürlich recht. Dann werde ich die noch mit reinpacken.

jz23 schrieb:
> [..] 4kHz [..]

jz23 schrieb:
> [..] 600kHz [..]
Du verstehst meine Verwirrung sicherlich...oder?

jz23 schrieb:
> Ich war davon ausgegangen, dass die einstelligen kHz der PWM keine
> allzugroßen Probleme machen sollten und dass bei denen ein entschärfen
> der Flanken ausreicht.
Nun...das ist ein Stück Katz-und-Maus-Spiel. Höhere Schaltfrequenzen -> 
mehr Probleme mit HF-Störungen, Abstrahlung, Schaltverluste, und andere 
Häßlichkeiten.

Aber auch: Höhere Schaltfrequenzen -> kleinere Filter, weniger 
Platzbeschlagnahme

Gute Konstruktion ist immer ein Kompromiß aus lauter Widrigkeiten und 
dem gewünschten Ziel entgegengesetzter Naturgesetze. Sprüche wie diese 
kommen nicht von ungefähr ;):
https://i.pinimg.com/736x/1c/4a/67/1c4a6739b19c7e8cf258ac1134535301--jersey-funny-pics.jpg

Wühlhase schrieb:
> jz23 schrieb:
>> [..] 4kHz [..]
>
> jz23 schrieb:
>> [..] 600kHz [..]
> Du verstehst meine Verwirrung sicherlich...oder?

4 kHz -> PWM (Q1, Strom durch die LEDs)
600 kHz -> Schaltregler (Q2, sollte auf der Platine bleiben)

Ist es so klarer?

jz23 schrieb:
> Mir selbst reicht
> das Gekrakel, ich sehe es als Mittel zum Zweck, die Leiterplatte ist das
> Entscheidende
Das solltest du dir unbedingt abgewöhnen. Der Schaltplan ist nicht nur 
dazu da die Bauteile mit Luftlinien in die Leiterkarte zu bekommen.
Bei kleinen Schaltplänchen mag das noch nicht so auffallen, bei etwas 
größeren Schaltungen fällt das aber schnell auf die Füße. Oder wenn du 
nach einem halben Jahr nochmal was daran machen willst.

jz23 schrieb:
> Wäre es nicht platzsparender, eine Schottky-Diode über die Induktivität
> zu schalten? Also Anode an die Kondensatoren und Kathode an den Eingang?
Es wäre platzsparender, allerdings machst du dir damit dein Filter 
zunichte.

Wühlhase schrieb:
> jz23 schrieb:
>> Wäre es nicht platzsparender, eine Schottky-Diode über die Induktivität
>> zu schalten? Also Anode an die Kondensatoren und Kathode an den Eingang?
> Es wäre platzsparender, allerdings machst du dir damit dein Filter
> zunichte.

Ups, stimmt natürlich.

Du meinst also, dass ich einfach direkt an den Eingang vor die Spule 
einen Kondensator hänge? Das wären dann 500nF, wenn der dieselbe Energie 
enthalten soll. Ich sehe nur nicht den Zusammenhang, wie der für den 
Freilauf der Diode sorgt.

jz23 schrieb:
> Freilauf der Diode

Meinte natürlicht "Freilauf der Spule"

jz23 schrieb:
> Ist es so klarer?
Ja...nachdem ich mir mal das Datenblatt angesehen habe. Nun macht das 
Sinn. :)

jz23 schrieb:
> Du meinst also, dass ich einfach direkt an den Eingang vor die Spule
> einen Kondensator hänge? Das wären dann 500nF, wenn der dieselbe Energie
> enthalten soll. Ich sehe nur nicht den Zusammenhang, wie der für den
> Freilauf der Diode sorgt.
Nun-aus einem geladenen Kondensator kann ein Strom herausfließen. Eine 
stromdurchflossene Induktivität versucht, diesen Strom weiter zu treiben 
und stabil zu halten, wenn man diesen Strom von außen ändert.

Wenn du jetzt den Strom abschaltest, muß die Induktivität eine höhere 
Spannung aufbringen um den Strom weiter zu treiben-denn dieser fließt in 
den nachgeschalteten Kondensator deines LC-Tiefpasses. Strom in 
Kondensator -> Spannung steigt, abhängig von Dauer und Höhe des Stromes 
sowie der Kapazität.

Und der Strom, der vorne in die Induktivität fließt, kommt - woher? - 
aus dem Kondensator vorne, nach dessen Sinn du gefragt hast.

Daß Induktivitäten beim Abschalten eine Spannungsspitze erzeugen ist ein 
verbreiteter Irrtum. Induktivitäten nehmen beim Abschalten 
Stromquellenverhalten an, d.h. sie wollen nur einen Strom konstant 
halten, und bringen die dafür notwendige Spannung auf.
Aber was passiert, wenn du einen bescheidenen Strom von z.B. 250mA über 
die Luftstrecke zweier offener Relaiskontakte von z.B. 10mm treiben 
willst? Oder durch einen Widerstand von vielen MΩ, der plötzlich in der 
Leitung ist (abschaltender Transistor)? Ganz genau...

Wühlhase schrieb:
> Und der Strom, der vorne in die Induktivität fließt, kommt - woher? -
> aus dem Kondensator vorne, nach dessen Sinn du gefragt hast.

Danke für die Erläuterung. Klar, dass der Strom irgendwo herkommen muss 
- die Leitungen zum Netzteil haben ja auch wieder eine störende 
Induktivität, die das ausbremst.

Wühlhase schrieb:
> Daß Induktivitäten beim Abschalten eine Spannungsspitze erzeugen ist ein
> verbreiteter Irrtum. Induktivitäten nehmen beim Abschalten
> Stromquellenverhalten an

Nett, dass du das erklärst, aber das ist mir klar ;-)