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
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
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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.
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
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 :).
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
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.
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.
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