mikrocontroller.net

Forum: Platinen Leistungsleitung Rückwirkung


Autor: Johannes F. (joe95)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo Leute,

nachdem mir hier schon öfter gut geholfen wurde, hab ich noch einmal 
eine Frage bezüglich der Leitungsverlegung: Wir haben auf unserer 
Platine zwei Halbbrücken (BTN8982) mit denen ein Aktor angesteuert 
werden soll. Über den Leitungsabschnitt (im Bild als breite Leitung 
links der Zuleitung zu erkennen) sollen kurzzeitig 12V mit max 60A 
durchgeschaltet werden. Jetzt habe ich die Frage, ob wir große Probleme 
mit den Signalleitungen in der Nähe bekommen, wenn die Halbbrücken 
durchschalten?
Liebe Grüße
Johannes

Autor: Maik F. (Firma: ibfeew) (mf_hro)
Datum:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo,
einfache Frage, komplexe Antwort:). Ein generelles Ja/Nein wird keiner 
seriös voraussagen können. Aber ein paar Leitungen laufen halt schon 
etwas dicht an der Halbbrücke lang.
Ich hätte folgende Anmerkungen:
-Generell hängt die Störung der anderen Leitungen von der 
Schaltgeschwindigkeit ab, mit der ihr die 12V/60A schaltet. Langsames 
schalten --> weniger Störungen , aber mehr Schaltverluste.
- Ihr habt Pin 5 == SR == SlewRate-Einstellung auf Masse == 0Ohm gesetzt 
und damit die schnellste Schaltgeschwindigkeit eingestellt. Muß das 
unbedingt sein?
- Wollt ihr den Aktor nur ein/ausschalten oder per PWM pulsen?
- Für ein/aus: dann sehr langsam schalten --> Pin5 über einen R_SR 
(Datenblatt Kapitel 5.4.3.) an GND --> es sollte keine Probleme geben
- Für PWM-Betrieb: Welche Frequenz? Bei niedriger Frequenz evtl. 
SlewRate etwas hochsetzen, dann wahrscheinlich auch keine Probleme
- PWM und höhere Frequenz: wird sowieso nicht gehen, da dann die 
Schaltverluste in der Halbbrücke zu groß werden. Die 
Schaltgeschwindigkeit dieser integrierten Halbbrücke ist im worst-case 
zu schlecht.

Folgende Anmerkungen noch:
- was ist mit dem GND-Anschluß (Pin1) der Halbbrücken? der ist total 
dünn, da muß der Strom doch eigentlich wieder zurück? Auch die beiden 
angedeuteten Polygone (die gestrichelten Linien, wenn ich richtig 
geraten habe?) schließen die GND-Pins nur schlecht an. Vielleicht Vias 
nach Bottom setzen.
- je nach angeschlossenem Aktor können auch von der Lastseite aus 
Störungen auf die 12V/60A-Leistungs-Leiterbahnen entstehen. Diese 
Störungen würden dann natürlich auch auf in der Nähe liegende 
Signalleitungen einstreuen.
- Dagegen kann ein LC-Filter in der Zuleitung zum Aktor helfen.
- Für welche Betriebsdauer / Einschaltverhältnisse habt ihr die 
Leiterplatte geplant? Habt ihr mal einen Überschlag für die 
Verlustleistung gemacht? So wie gezeigt gibt es nicht besonders viel 
Leiterplatten-Kühlfläche, für Dauerbetrieb mit 60A geht das auf keinen 
Fall.
- Kann der Zuleitungsstecker eigentlich den Strom ab?
- Kann der Abgang zum Aktor ein Kabel aufnehmen, daß 60A verkraftet?
- PS: Nachtrag - noch vergessen: Bei 60A Last kann es zu 
GND-Verschiebungen  kommen, wenn beim Steckverbinder rechts 
Laststrom-GND gleichzeitig das Signal-GND ist. Das ist dann unabhängig 
von der Schaltgeschwindigkeit und sorgt für unterschiedliche 
GND-Potentiale zwischen der gezeigten Leiterplatte und dem anderen Ende 
der Kommunikation. Hängt dann vom Steckverbinder (bzw. dessen 
Widerstand) und der genauen Masseflutung der Platine ab. 
(GND-Verschiebung == 60A*Widerstand der GND-Verbindung).

Legt vielleicht ein paar mehr Informationen nach. (speziell für die 
Störungen wichtig: Schaltfrequenz / Art der Last)

Maik

: Bearbeitet durch User
Autor: планар троль (Gast)
Datum:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Der Print ist schlimm... Weshalb so lange dicke Leitungen und ploetzlich 
so kleine Loecher. Der Poster muss sich vergewaertigen dass die 
Abstrahlung Strom-Aenderung mal Flaeche, resp Flaechenaenderung ist.

Und wo ist die GND plane ? Es scheint auf der ganzen Platine kein 
definiertes Potential zu geben.

Autor: Malte B. (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo,
zunächst vielen Dank für die Antworten! Ich bin auch an der Platine 
beteiligt und weiß eure Mühe sehr zu schätzen! Der Aktor besitzt eine 
hohe Induktivität (genauere Werte folgen) und wird mit 15kHz PWM 
geschaltet. Ein Stellvorgang dauert maximal 100ms. Mit der minimalen 
Slewrate hatten wir bisher nie Probleme mit Temperatur an der H-Brücke.

Ich hoffe die Kennwerte helfen, an Slewrate und PWM Frequenz lässt sich 
natürlich noch etwas machen.
Habt ihr allgemeine Tips zur EMV auf Platinenbasis? Würde bspw. eine 
zusätzliche Ebene auf GND-Potential zum Schirmen helfen?

Beste dankbare  Grüße
Malte

Autor: Johannes F. (joe95)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hey Maik,
wow, danke für die ausführliche Antwort! Ich versuche mal schrittweise 
alles zu beantworten und sorry, dass es nicht früher ging!

Maik F. schrieb:
> Hallo,
> einfache Frage, komplexe Antwort:). Ein generelles Ja/Nein wird keiner
> seriös voraussagen können. Aber ein paar Leitungen laufen halt schon
> etwas dicht an der Halbbrücke lang.
> Ich hätte folgende Anmerkungen:
> -Generell hängt die Störung der anderen Leitungen von der
> Schaltgeschwindigkeit ab, mit der ihr die 12V/60A schaltet. Langsames
> schalten --> weniger Störungen , aber mehr Schaltverluste.

Die Schaltung erfolgt, wie Malte bereits sagte, mit 15kHz PWM. Es sind 
maximale Schaltzeiten von etwa 100ms zu erwarten.

> - Ihr habt Pin 5 == SR == SlewRate-Einstellung auf Masse == 0Ohm gesetzt
> und damit die schnellste Schaltgeschwindigkeit eingestellt. Muß das
> unbedingt sein?

 Wir haben uns hauptsächlich bei der Halbbrückenschaltung an einer 
vorhandenen Arduinoschaltung orientiert (BTS7960). Die Gruppe die das 
Projekt vor uns bearbeitet hat (was wir nun weiterführen sollen über 
eine eigene Platine), hat bei dem Arduino-Motordriver die den SR Pin 
kurzgeschlossen gegen GND, das hatten wir zunächst (weil es bis jetzt zu 
guten Schaltergebnissen geführt hat) übernommen. Ich gebe dir aber auf 
jeden Fall recht, das könnte man nochmal überprüfen/testen. Ich hab 
jetzt 0805 SMD Pads gesetzt um Widerstände anschließen zu können. In der 
Not kann man die ja immer noch kurzschließen.

> - Wollt ihr den Aktor nur ein/ausschalten oder per PWM pulsen?
> - Für ein/aus: dann sehr langsam schalten --> Pin5 über einen R_SR
> (Datenblatt Kapitel 5.4.3.) an GND --> es sollte keine Probleme geben
> - Für PWM-Betrieb: Welche Frequenz? Bei niedriger Frequenz evtl.
> SlewRate etwas hochsetzen, dann wahrscheinlich auch keine Probleme
> - PWM und höhere Frequenz: wird sowieso nicht gehen, da dann die
> Schaltverluste in der Halbbrücke zu groß werden. Die
> Schaltgeschwindigkeit dieser integrierten Halbbrücke ist im worst-case
> zu schlecht.

Die Schaltverluste waren bis jetzt nicht das große Problem, da der 
Belastungszeitraum nur sehr gering ist. Wir haben bei der steckbaren 
Ausführung der Halbbrücken gemerkt, dass sich diese extrem erhitzen und 
Probleme beim Schalten machen, was wir aber über einen Kühlkörper 
beheben konnten. In der Endanwendung wird die Platine über das 
Aktorgehäuse gekühlt, weshalb wir auch über die thermischen Vias die 
Wärme ans Bottomlayer weiterleiten.


> Folgende Anmerkungen noch:
> - was ist mit dem GND-Anschluß (Pin1) der Halbbrücken? der ist total
> dünn, da muß der Strom doch eigentlich wieder zurück? Auch die beiden
> angedeuteten Polygone (die gestrichelten Linien, wenn ich richtig
> geraten habe?) schließen die GND-Pins nur schlecht an. Vielleicht Vias
> nach Bottom setzen.

Absolut richtig, habe ich korrigiert. Hab jetzt 5 Vias mit 0.8mm 
Durchmesser daneben gesetzt, ich hoffe das reicht. Sollte laut meinen 
Berechnungen reichen.

> - je nach angeschlossenem Aktor können auch von der Lastseite aus
> Störungen auf die 12V/60A-Leistungs-Leiterbahnen entstehen. Diese
> Störungen würden dann natürlich auch auf in der Nähe liegende
> Signalleitungen einstreuen.

Interessanter Aspekt! Es handelt sich um einen Tauchspulenaktor, kann 
also durchaus sein, dass über Induktion solche Effekte auftreten, gerade 
weil sich diese je nach Wellenposition ändert. Andererseits treten diese 
Probleme bei dem Arduino-Motordriver nicht merkbar auf, sodass wir das 
vermutlich erstmal hinten anstellen können.

> - Dagegen kann ein LC-Filter in der Zuleitung zum Aktor helfen.
> - Für welche Betriebsdauer / Einschaltverhältnisse habt ihr die
> Leiterplatte geplant? Habt ihr mal einen Überschlag für die
> Verlustleistung gemacht? So wie gezeigt gibt es nicht besonders viel
> Leiterplatten-Kühlfläche, für Dauerbetrieb mit 60A geht das auf keinen
> Fall.

Wie oben gesagt, Belastungsdauer 100ms und Kühlkörper ist das 
Aktorgehäuse.
Haben eine Leiterbahnabschätzung gemacht und ich werde es morgen nochmal 
durch das Simulationsprogramm von ADAM Research jagen. Da kann man eine 
Temperaturanalyse der CAD Dateien machen.

> - Kann der Zuleitungsstecker eigentlich den Strom ab?

Na hoffen wirs, den hat unser Betreuer ausgesucht. Real werden es eher 
um die 50A, die Halbbrücken geben eh nicht mehr her.

> - Kann der Abgang zum Aktor ein Kabel aufnehmen, daß 60A verkraftet?

Ist wie gesagt nur Stoßbelastung. Im Dauerbetrieb auf gar keinen Fall, 
aber für die kurzen Schaltzeiten sollte es der Klemmblock tun. Auslegung 
für 24 A Dauerbelastung sollten eigentlich reichen.

> - PS: Nachtrag - noch vergessen: Bei 60A Last kann es zu
> GND-Verschiebungen  kommen, wenn beim Steckverbinder rechts
> Laststrom-GND gleichzeitig das Signal-GND ist. Das ist dann unabhängig
> von der Schaltgeschwindigkeit und sorgt für unterschiedliche
> GND-Potentiale zwischen der gezeigten Leiterplatte und dem anderen Ende
> der Kommunikation. Hängt dann vom Steckverbinder (bzw. dessen
> Widerstand) und der genauen Masseflutung der Platine ab.
> (GND-Verschiebung == 60A*Widerstand der GND-Verbindung).

Darüber habe ich mir bis jetzt tatsächlich keine Gedanken gemacht, 
danke! Ich hab versucht die Wege so kurz wie möglich zu halten, aber 
klar, sowas kann natürlich auftreten. Das was in der Platine die 6 
großen Vias darstellt, sind sechs GND Verbindungen mit denen die Platine 
über das Aktorgehäuse verbunden ist. Das Gehäuse wird also als GND 
Verbindung benutzt. Ich schätze mal damit sollte in recht gleichmäßiges 
GND-Niveau entstehen, wie schätzt du das ein? Übrigens waren die 
Polygone auf GND-Niveau, ich hab sie nur aus Übersichtlichkeit 
ausgeschaltet. Ich lade jetzt einfach nochmal beide Layer getrennt hoch 
:).

Autor: Johannes F. (joe95)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
планар троль schrieb:
> Der Print ist schlimm... Weshalb so lange dicke Leitungen und
> ploetzlich
> so kleine Loecher. Der Poster muss sich vergewaertigen dass die
> Abstrahlung Strom-Aenderung mal Flaeche, resp Flaechenaenderung ist.
>
> Und wo ist die GND plane ? Es scheint auf der ganzen Platine kein
> definiertes Potential zu geben.

Hey,

ich wusste leider nicht, wie ich das am Besten darstellen soll und hatte 
deshalb die GND Plane ausgeschaltet gehabt. Hab das mal (siehe Post 
vorher) nachgereicht und das Top-Layer und das Bottom-Layer getrennt 
dargestellt. Die keinen Löcher hab ich zum Teil korrigiert, zum anderen 
Teil ist es ein Terminalblock, der vordefinierte Pads hat. Ich hab die 
Fläche aber tatsächlich etwas überdimensioniert. Du meinst, dass ich das 
nochmal ändern soll? Wir wollten verhindern, dass uns das Board 
abraucht, aber klar, bei 100ms Belastung kann man die Leitungen noch 
verringern.

LG
Johannes

Autor: Maik F. (Firma: ibfeew) (mf_hro)
Datum:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo Johannes / Malte,
ein paar Informationen mehr sind schonmal gut. Ich schmeiße wieder nur 
paar Gedanken hin:
- Tauchspulenmotoren/magnete haben große Induktivität und keine 
schnellen Rückwirkungen --> Störungen von Seiten der Last sollten also 
keine Probleme machen
- durch die hohe Induktivität der Spule ist es vermutlich möglich, die 
Pulsfrequenz noch deutlich unter 15kHz zu senken. Dabei den zulässigen 
Grad der Strom-Welligkeit (== Kraft-Welligkeit des Aktors) beachten 
(müßt ihr wissen - ist eure Anwendung). Üblich wäre eine Auslegung der 
Welligkeit auf 30% vom einzustellenden Strom - mit bekannter 
Induktivität läßt sich die dazu nötige Pulsfrequenz ja ausrechnen. Auch 
beachten: wenn man zu weit reduziert, hat man in euren 100ms Stellzeit 
evtl. wiederum zu wenig Stellraum --> unter 1kHz würde ich nicht gehen 
(Faktor 100 zwischen Puls-Periode 1ms und Stellzeit 100ms sollte 
reichen)
- bei nur kurzen Ein-Zeiten (100ms) (wie lange ist dann eigentlich die 
Auszeit?) kann man sich vermutlich längere Schaltzeiten erlauben - ich 
würde mit einer Schaltzeit von 2us anfangen und dann sehen, wie warm das 
ganze wird. Bei 2 us Schaltzeit hätte ich auch wenig Bedenken wegen der 
Störung von danebenliegenden Leitungen.
- Polygone: alle Polygone im GND-Bereich werden OHNE Thermal-Stege 
ausgeführt. Bitte in die Lage des Stromes versetzen: Er kommt bis kurz 
vor Pin 1 und dann muß er durch ein dünnes 0,5mm breites Nadelöhr - das 
wird ihm nicht gefallen.
- GND-Vias rund um Pin 1: zuwenige. als Daumenregel: 1 Via == 3A. Für 
60A bräuchtet ihr also 20 Stück, da seid ihr mit euren 5 noch weit von 
weg. (zugute kommt euch: keine Dauerbelastung für die Vias, 0,8mm 
Durchmesser verträgt mehr als 3A)
- die GND-Verteilung über die 6 Montagelöcher bringt nicht viel. Die 
GND-Plane der Bottom-Seite ist total zerklüftet. Stellt euch wieder vor, 
ihr seid der Strom. Ihr kommt z.B. links oben am Montageloch auf der 
leiterplatte an und müßt zu GND vom BTN8982 oder zu den GND-Pins vom 
Steckverbinder. Keine durchgehende Verbindung vorhanden --> der Strom 
wird sauer.
- Wärmeabführung über die Unterseite:
Auch hier wieder: Vorstellung. Stellt euch vor, ihr seid die Wärme, die 
im BTN89282 entsteht. Aus dem Bauteil raus auf die Metallplatte an der 
Bauteil-Rückseite, dann über die vielen thermal-Vias (erstmal gut 
gemacht) auf die Rückseite, und dann? Dort steht für die Weitergabe der 
Wärme dann eine Fläche bereit, die auch nicht viel größer als die 
Oberfläche der BTN ist --> wahrscheinlich zu wenig. Für die Wärme hört 
die Wärmeleitung immer auf, wenn die Cu-Fläche, in der die Wärme 
entsteht, durch Isolation zur nächsten Leiterbahn unterbrochen ist.

Empfehlungen:
- Pulsfrequenz nachrechnen und evtl. weiter reduzieren.
- SlewRate auf >=2us setzen, damit sollten die Störungen ausreichend 
klein werden
- mehr GND-Vias (Ziel: 10 Stück an jedem BTN, evtl. mit kleinerem 
Durchmesser)
- Polygone ohne thermal-Stege
- die OUT-Signale auf Bottom größer --> mehr Kühlfläche und besserer 
Wärmeübergang zum Aktor (wenn der als Kühlung dient)
- Layout nochmal überdenken - GND-Plane auf Bottom sollte mehr 
zusammenhängende Fläche bekommen
- Leiterplattenfertigung mit 75um Kupfer machen lassen
- Schonmal vorab über Temperaturmessung bei der Prototyp-Inbetriebnahme 
nachdenken
- auf der TOP-Seite an der oberen Kante der BTN jeweils mind. 2mm 
zusätzliches Kupfer spendieren und da auch den Lötstopplack weglassen 
(nur für Prototyp). Im Notfall (im Gegenzug zu Udo finde ich einen Plan 
B immer gut) lassen sich da einerseits direkt die Aktor-Kabel anlöten, 
zusätzlich könnten auch Cu-Kühlbleche aufgelötet werden.
- alles mit dem Betreuer absprechen
- Eine 4-Lagen-PLatine wäre noch eine Option, aber es wird wohl auch 
2lagig gehen.

So, reicht ertsmal. Mahlzeit. Maik.

Autor: Tuxpilot (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Malte B. schrieb:
> Der Aktor besitzt eine
> hohe Induktivität (genauere Werte folgen) und wird mit 15kHz PWM
> geschaltet.

Große Induktivitäten mit 15kHz PWM betreiben kann ich nicht empfehlen, 
wenn die Schaltung in der Nähe von Menschen oder anderen Tieren genutzt 
wird. Vielleicht hörst du das nicht mehr, jemand anderes könnte es aber 
sehr quälen. Und wenn man es nicht hört, kann es trotzdem unangenehm 
wirken.

Malte B. schrieb:
> Ein Stellvorgang dauert maximal 100ms.

Das relativiert es natürlich.

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [avrasm]AVR-Assembler-Code[/avrasm]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.