Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Ist diese Auto-Stromversorgung so okay?


von Jules J. (anyfoo)


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Hallo,

Ich wage gerade das oft diskutierte, und baue eine Stromversorgung für 
mein Gerät das im Auto mit 12V von der Accessory-Leitung versorgt mit 
Mikrocontroller und FPGA am CAN-Bus sitzen soll. (Es gibt mehrere 
getrennte CAN-Busse, und ich hänge nur am Entertainment-Bus, quasi am 
Autoradio.)

Meine Schaltung hängt an. Ich hab in Datenblättern und hier im Forum 
viel gelesen, aber noch nie versucht was ans Auto anzubinden. Sagt mir 
also ruhig direkt, wo ich Mist baue.

Der MPQ4420 liefert 3.3V/2A für die ganze Elektronik auf dem Board, der 
lineare MAX16910 ist nur für die getrennte 5V-Versorgung vom CAN-Bus.

Das Ding ist nur für mich. Mir ist es daher wichtiger, sowohl Auto als 
auch FPGA zu schützen, als ein paar cent an Dioden zu sparen. Manche 
Teile mögen so überdimensioniert sein, was allerdings nix bringt, wenn 
sie Murks, und nicht nur überflüssig, sondern auch ineffektiv sind.

Ein paar konkrete Punkte:

* Der angehängten Schaltung fehlt der viel erwähnte 100nF cap am 
Eingang. Den würde ich noch dazu tun, falls es keine Einwände gibt.

* Eine Schaltung eines Open-Source ECUs im Netz ("Frankenstein") hat 
keinen 100nF cap am Eingang, dafür jeweils Chokes an Ein- und Ausgang. 
Besser? Schlechter?

* Fehlt mir noch eine Transient Suppressor Diode? Im Moment hängen am 
Eingang bei mir einfach eine 1N4001 als Umpolungsschutz, gefolgt von 
einer 1N5358B 22V Zener um größere Transients abzufangen.

* Da die Datenblätter für alle Kondensatoren Ceramics empfehlen, hab ich 
im Moment keinerlei Elkos. Fehler? Ich hab hier was gelesen, dass die 
niedrigen ESR-Werte von Ceramics gerne mal Oszillation mitverursachen, 
ist das beim MPQ4420 nicht der Fall?

Vielen Dank!

von K. S. (the_yrr)


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Jules J. schrieb:
> * Eine Schaltung eines Open-Source ECUs im Netz ("Frankenstein") hat
> keinen 100nF cap am Eingang, dafür jeweils Chokes an Ein- und Ausgang.
> Besser? Schlechter?
Im Moment hast du nichts, was den Strom durch die Zener/Mov begrenzt. 
Eine Choke wäre da bei Transienten schon hilfreich, auf jeden Fall würde 
ich aber eine Sicherung vorsehen, auch falls der MOV/Zener mal stirbt.

Du hast doch 3 mal 10µ und 100n an den 12V, oder wie weit wolltest du 
die Spannungswandler vom Eingang entfernt platzieren? Oder meinst du 
100nF vor die 1N4001?

> * Fehlt mir noch eine Transient Suppressor Diode?
Du müsstest mal vergleichen was eine TVS gegenüber der Zener an 
Pulsleistung umsetzen kann (1N5358B kann 4.7A Surge). Eine TVS kann 
schon deutlich mehr Pulsleistung und könnte die Zener ersetzen. Wenn 
beide, dann solltest du mehr als nur eine Diode zwischen Zener und TVS 
packen, z.b. noch eine Choke, da sonst eine von beiden überflüssig wird. 
Simulier doch mal mit LTSpice z.b. nur den Eingang mit Diode, Choke, 
Zener/TVS und den Kerkos. LTSpice hat ISO 7637 und 16750 Transienten als 
Quelle mit dabei soweit ich weiß (oder die gibts im Netz umsonst und ich 
hab sie mal runtergeladen).

> * Da die Datenblätter für alle Kondensatoren Ceramics empfehlen, hab ich
> im Moment keinerlei Elkos. Fehler?
Wenn das Datenblatt ausdrücklich Keramik sagt, wird der Regler das wohl 
problemlos abkönnen. Elko könntest du an den 12V vorsehen, falls die 
Spannung mal kurz einbricht.

von Jules J. (anyfoo)


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K. S. schrieb:
> Eine Choke wäre da bei Transienten schon hilfreich, auf jeden Fall würde
> ich aber eine Sicherung vorsehen, auch falls der MOV/Zener mal stirbt.

Stimmt total. Dann häng ich mal eine Choke gleich vor den MOV noch, dann 
sollte der Strom bei Transienten für alles begrenzt sein? Zwecks 
Sicherung dachte ich mir, dass wenn alles stirbt, ja noch die normale 
Autosicherung dran ist, aber zusätzliche Sicherung ist schon besser. Da 
auch eine Polyfuse nehmen, oder eine "normale"?

> Oder meinst du 100nF vor die 1N4001?

Yap, meinte ich, da ging's darum dass Störungen (vor allem vom Switch 
Mode Power Supply wohl) nicht ins Boardnetz fließen. Aber die Choke 
reicht dann vielleicht?

> Du müsstest mal vergleichen was eine TVS gegenüber der Zener an
> Pulsleistung umsetzen kann (1N5358B kann 4.7A Surge). Eine TVS kann
> schon deutlich mehr Pulsleistung und könnte die Zener ersetzen. Wenn
> beide, dann solltest du mehr als nur eine Diode zwischen Zener und TVS
> packen, z.b. noch eine Choke, da sonst eine von beiden überflüssig wird.
> Simulier doch mal mit LTSpice z.b. nur den Eingang mit Diode, Choke,
> Zener/TVS und den Kerkos. LTSpice hat ISO 7637 und 16750 Transienten als
> Quelle mit dabei soweit ich weiß (oder die gibts im Netz umsonst und ich
> hab sie mal runtergeladen).

Oh, wusste ich nicht! Danke, werd ich mal machen.

> Wenn das Datenblatt ausdrücklich Keramik sagt, wird der Regler das wohl
> problemlos abkönnen. Elko könntest du an den 12V vorsehen, falls die
> Spannung mal kurz einbricht.

Elko an 12V ist eine gute Idee, besonders für den Zündvorgang wohl, blöd 
wenn der FPGA dann rumzappelt. Vielen Dank!

von K. S. (the_yrr)


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Jules J. schrieb:
> Stimmt total. Dann häng ich mal eine Choke gleich vor den MOV noch, dann
> sollte der Strom bei Transienten für alles begrenzt sein? Zwecks
> Sicherung dachte ich mir, dass wenn alles stirbt, ja noch die normale
> Autosicherung dran ist, aber zusätzliche Sicherung ist schon besser. Da
> auch eine Polyfuse nehmen, oder eine "normale"?
Klingt sehr gut, und Sicherung musst du selber wissen. Wenn du die so 
dimensionierst, dass sie Transienten locker überlebt, sollte eine 
normale besser sein. Die sollte nur anspringen, falls wirklich etwas 
defekt ist um die Autosicherung zu retten damit der Rest an den 12V 
weiterläuft.


>> Oder meinst du 100nF vor die 1N4001?
>
> Yap, meinte ich, da ging's darum dass Störungen (vor allem vom Switch
> Mode Power Supply wohl) nicht ins Boardnetz fließen. Aber die Choke
> reicht dann vielleicht?
 bei den ganzen Kerkos bringen 100nF in die Richtung wohl eher weniger, 
helfen aber bei Störungen vom Boardnetzt, vor allem bei hochfrequenten 
und/oder Spikes.


> Elko an 12V ist eine gute Idee, besonders für den Zündvorgang wohl, blöd
> wenn der FPGA dann rumzappelt. Vielen Dank!
Ein Reset & Supervisor IC könnte empfehlenswert sein, falls du wirklich 
Probleme damit hast. Der ist klein und kostet fast nichts, übernimmt die 
Brown out Detection falls du noch keine hast. Ansonsten die 12V über 
Spannungsteiler und eventuell Komparator überwachen wenn du beim 
Ausschalten noch wichtige Daten sichern musst.

von Soul E. (Gast)


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Jules J. schrieb:

> * Der angehängten Schaltung fehlt der viel erwähnte 100nF cap am
> Eingang. Den würde ich noch dazu tun, falls es keine Einwände gibt.

Der hilft Dir bei der leitungsgebundenen Störaussendung. Üblicherweise 
nimmt man ein eigensicheres Bauteil (Flexiterm), ansonsten zwei normale 
220 nF /50 V in Reihe.

> * Eine Schaltung eines Open-Source ECUs im Netz ("Frankenstein") hat
> keinen 100nF cap am Eingang, dafür jeweils Chokes an Ein- und Ausgang.
> Besser? Schlechter?

Mehr Spass bei der EMV-Messung. Am besten noch mehr Resonanzstellen in 
die Masseleitung reinbauen :-) Wenn Spule, dann in Form eines Pi-Filters 
vor dem Schaltregler, und wenn Induktivität in der Masse dann in Form 
einer Gleichtaktdrossel mit KL30 zusammen. Also lass das, außer Du 
weisst genau was Du tust.

> * Fehlt mir noch eine Transient Suppressor Diode? Im Moment hängen am
> Eingang bei mir einfach eine 1N4001 als Umpolungsschutz, gefolgt von
> einer 1N5358B 22V Zener um größere Transients abzufangen.

Nein, Du verwendest Automotive-Bauteile. Die können die 36 V am Eingang 
direkt ab, und die kleinen Pulse (ISO 2 etc) drückst Du mit dem 
Eingangselko hinter der Diode platt. Sowohl die Z-Diode (wenn dann 36 V 
und nicht 22) als auch der Varistor können entfallen.

Worauf Du natürlich achten musst ist die Verlustleistung in den 
Linearreglern und Aktoren jenseits der 16 V. D.h. KL30 messen und ggf 
die Lasten vom Controller abschalten lassen.


> * Da die Datenblätter für alle Kondensatoren Ceramics empfehlen, hab ich
> im Moment keinerlei Elkos. Fehler? Ich hab hier was gelesen, dass die
> niedrigen ESR-Werte von Ceramics gerne mal Oszillation mitverursachen,
> ist das beim MPQ4420 nicht der Fall?

Für den Schaltregler ist am Ausgang ein ESR vorgeschrieben, bzw Du hast 
Deine Schleifenkompensation darauf ausgelegt. Wenn das Konzept für 
Keramik ist solltest Du auch Keramik nehmen.

Am Eingang ist zu wenig ESR meist gar nicht so toll. Das gibt Resonanzen 
mit der Leitung (und wenn dann noch jemand meint eine Spule davorsetzen 
zu wollen...) und erhöht den Einschaltstrom-Peak. Der hat wahrlich nicht 
viel Energie, es gibt aber mindestens einen OEM der dafür Grenzwerte 
hat. D.h. wenn Du Bauraum hast, würde ich einen 47 µF 35 V Elko setzen. 
Bei Platzmangel bleib bei der Keramik und mach ggf. 1 Ohm in Serie.

von Jules J. (anyfoo)


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Soul E. schrieb:
> Worauf Du natürlich achten musst ist die Verlustleistung in den
> Linearreglern und Aktoren jenseits der 16 V. D.h. KL30 messen und ggf
> die Lasten vom Controller abschalten lassen.

Oh, guter Punkt. Der MAX16910 hat thermal shutdown, reicht das also 
nicht?

> D.h. wenn Du Bauraum hast, würde ich einen 47 µF 35 V Elko setzen.

Na wenn ich Varistor und Zener weglasse hab ich den sicher... bringen 
die beiden im "Ernstfall" tatsächlich überhaupt nichts? Ich hatte 
irgendwie den Eindruck, dass Load Dump (theoretisch) höhere Spannungen 
anlegen könnte als die Regulatoren abkönnen.

K. S. schrieb:
> Ein Reset & Supervisor IC könnte empfehlenswert sein

Den hab ich sogar schon, hauptsächlich wegen dem Power Sequencing das 
ich einhalten muss.

von Dieter (Gast)


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von Soul E. (Gast)


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Jules J. schrieb:

> Oh, guter Punkt. Der MAX16910 hat thermal shutdown, reicht das also
> nicht?

Willst Du nicht die Kontrolle über das Derating behalten? Gezielt Lasten 
abschalten, am CAN abmelden, Daten ins NVRAM wegschreiben, ...


> Na wenn ich Varistor und Zener weglasse hab ich den sicher... bringen
> die beiden im "Ernstfall" tatsächlich überhaupt nichts? Ich hatte
> irgendwie den Eindruck, dass Load Dump (theoretisch) höhere Spannungen
> anlegen könnte als die Regulatoren abkönnen.

Mein Teseq PA5840 drückt Dir für die vollen 350 ms 150 A durch Deine 
TVS-Diode. Wenn Du meinst dass die das aushält, bitte. Ansonsten leg 
Deine Elektronik so aus, dass die den Loaddump-Puls mit 27 bzw 32 V 
schlicht und einfach aushält. Das ist Stand der Technik. Die von Dir 
ausgewählten Bauteile können das ja.

Die +100 V-Impulse (ISO 7637 Puls 2 etc) haben wenig Energie. Die 
drückst Du  am einfachsten mit dem Elko platt. Der liefert Dir auch die 
Gangreserve für den Controller bei kurzzeitigen Spannungsunterbrechungen 
(wie beim ISO-Puls 1 mit -150 V, den Du selber ja nicht siehst weil der 
von der Verpoldiode abgehalten wird, wohl aber in Form einer 
Spannungsunterbrechung bemerkst). Oft bietet es sich an, getrennte 
Verpoldioden für Controller und Last vorzusehen, denn so zieht die Last 
nicht den Elko leer.

von Dieter (Gast)


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Klassisch sind am Versorgungseingang:
- Drossel
- Varistor / Surpressor
- Diode (Verpolschutz)
- Kondensator (Elko und kleinerer C parallel)

von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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Soul E. schrieb:
> (wie beim ISO-Puls 1 mit -150 V, den Du selber ja nicht siehst weil der
> von der Verpoldiode abgehalten wird, wohl aber in Form einer
> Spannungsunterbrechung bemerkst).

Der TE will aber unbedingt eine 1N4001 mit nur 50 V Spannungsfestigkeit 
verwenden. Die 2 ct Mehrkosten für eine 1N4004 bis 1N4007 sind wohl 
schon zu viel.

Beitrag #6255076 wurde von einem Moderator gelöscht.
von Michael B. (loetmichel)


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Andreas S. schrieb:

> Der TE will aber unbedingt eine 1N4001 mit nur 50 V Spannungsfestigkeit
> verwenden. Die 2 ct Mehrkosten für eine 1N4004 bis 1N4007 sind wohl
> schon zu viel.

Achtung! 1N4007 haben mehr Uf als 1N4001 (IIRC intern in Serie 
geschaltete 4004). DAs kann bei manchen anwendungen nach hinten 
losgehen!

Beitrag #6255128 wurde von einem Moderator gelöscht.
von Soul E. (Gast)


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Michael B. schrieb:

> Achtung! 1N4007 haben mehr Uf als 1N4001 (IIRC intern in Serie
> geschaltete 4004). DAs kann bei manchen anwendungen nach hinten
> losgehen!

Doof ist jetzt nur, dass in dem von Dir selber unter 1N4001 verlinkten 
Datenblatt https://www.onsemi.com/pub/Collateral/1N4001-D.PDF ein und 
dieselbe Flusspannung für die komplette Serie angegeben ist...

von Arno (Gast)


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Jules J. schrieb:
> K. S. schrieb:
>> Wenn das Datenblatt ausdrücklich Keramik sagt, wird der Regler das wohl
>> problemlos abkönnen. Elko könntest du an den 12V vorsehen, falls die
>> Spannung mal kurz einbricht.
>
> Elko an 12V ist eine gute Idee, besonders für den Zündvorgang wohl, blöd
> wenn der FPGA dann rumzappelt. Vielen Dank!

Wenn du mit "Zündvorgang" den "Anlassvorgang" meinst (kommt mir so ein 
bisschen so vor) solltest du dich darauf einstellen, dass beim Anlassen 
die 12V-"Zündungsplus" ganz weggeschaltet werden (weiß nicht, ob das 
alle Autos so machen, aber alle, die ich bisher in den Fingern hatte).

Wenn das ein Problem ist, muss das Gerät an Dauerstrom hängen und über 
"Zündungsplus" nur eingeschaltet werden. Dann den Ruhestrom nicht 
vergessen.

Was die diversen zu erwartenden und zu vernichtenden Transienten, 
Überspannungen etc. angeht, habe ich für ein private Einzelgeräte bisher 
immer nur eine Verpolschutz-Seriendiode, einen kleinen 50V-Elko und 100n 
keramisch an den Eingang gesetzt, (jahrelang) ohne Probleme. Aber auch 
ohne Starthilfe, Batterieausfall und ähnlich hässliche Fälle 
auszuprobieren, mit einem wohl eher störstabilen 7805+AVR dahinter, und 
selbstverständlich ist deine Eingangsschaltung besser, sicherer und 
zuverlässiger - ich erwähne es nur zur Einordnung.

MfG, Arno

von Jules J. (anyfoo)


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Soul E. schrieb:
> Willst Du nicht die Kontrolle über das Derating behalten? Gezielt Lasten
> abschalten, am CAN abmelden, Daten ins NVRAM wegschreiben, ...

Weiß nicht, wie viel Kontrolle es da zu behalten gibt. Grundsätzlich ist 
das Ding eher so designed, dass nichts schief gehen sollte, wenn der 
Strom tatsächlich sofort komplett weg ist. Das Ding ist im Normalbetrieb 
eher Anzeige. Daten ins NVRAM, wenn ich sie überhaupt schreibe, sollten 
journaled sein. CAN-Bus werde ich (obwohl's ein unkritischer ist) sehr 
vorsichtig sein, aber inwiefern es da ein "Abmelden" gibt... im Moment 
hatte ich vor, die Power-Good-Leitungen und die Reset-Leitung vom 
Voltage Supervisor so zusammenzu-AND-en dass der CAN-Transceiver vom Bus 
loslässt sobald was fehlt. Ich muss mir das Datenblatt von dem aber noch 
sehr genau durchlesen, kann sein dass ich da mehr brauche (natürlich 
will ich z.B. nicht, dass eine etwaige "modulierte" Power-Good-Leitung 
mir da Bits auf den CAN-Bus hinfälscht).

Andreas S. schrieb:
> Der TE will aber unbedingt eine 1N4001 mit nur 50 V Spannungsfestigkeit
> verwenden. Die 2 ct Mehrkosten für eine 1N4004 bis 1N4007 sind wohl
> schon zu viel.

Angenommen, dass "TE" für "Threadersteller" steht, ist das lustig, weil 
ich exakt und wörtlich (wenn man "paar" tatsächlich als "zwei" lesen 
würde) das Gegenteil geschrieben habe: "Mir ist es daher wichtiger, 
sowohl Auto als auch FPGA zu schützen, als ein paar cent an Dioden zu 
sparen." ;) Wenn eine andere Diode besser ist, werde ich die auf alle 
Fälle nehmen. Die 1N4001 hatte ich aus einer ähnlichen Schaltung (Open 
Source ECU oder sowas), gut möglich aber dass da im Gegensatz zu hier 
ein paar Cent gespart werden sollten.

von Jules J. (anyfoo)


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Arno schrieb:
> Wenn du mit "Zündvorgang" den "Anlassvorgang" meinst

Sorry, bin schon zu lange im Ausland.

> Wenn das ein Problem ist, muss das Gerät an Dauerstrom hängen und über
> "Zündungsplus" nur eingeschaltet werden. Dann den Ruhestrom nicht
> vergessen.

Ah, guter Punkt. Passt aber schon so. Wie gerade geschrieben designe ich 
das Ding resilient gegen wegfallenden Strom zu sein, und ich hab 
tatsächlich noch einen separaten MAX16910 für den Dauerstrom für den 
VBAT-Pin des FPGA-Moduls wo z.B. eine RTC dranhängt.

> Was die diversen zu erwartenden und zu vernichtenden Transienten,
> Überspannungen etc. angeht, [...] und
> selbstverständlich ist deine Eingangsschaltung besser, sicherer und
> zuverlässiger - ich erwähne es nur zur Einordnung.

Klingt zumindest beruhigend, danke insgesamt.

Ich glaube ja auch, dass dieses moderne Auto (Bj. 2015) schon 
entsprechende zentrale Schutzvorrichtungen haben wird, aber better safe 
than sorry.

von Soul E. (Gast)


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Jules J. schrieb:

>(...) Wenn eine andere Diode besser ist, werde ich die auf alle
> Fälle nehmen. Die 1N4001 hatte ich aus einer ähnlichen Schaltung (Open
> Source ECU oder sowas), gut möglich aber dass da im Gegensatz zu hier
> ein paar Cent gespart werden sollten.

"1N4001" hätte ich jetzt eher als Platzhalter für diese Familie 
angesehen. Dass man bei -100 bis -150 V mindestens eine 1N4002 braucht 
sollte klar sein. Im Auto wäre die S1J gebräuchlich, das ist die 1N4007 
in SMD.


BTW: ein Auto das während des Anlassvorganges die KL15 abwirft ist mir 
noch nicht begegnet. Wäre wohl auch nur moderat sinnvoll. Es gibt aber 
durchaus Verbrauchergruppen, die beim Anlassen abgeschaltet werden (z.B. 
das Fahrlicht). Früher mechanisch mit einem "Entlastungsrelais", heute 
per Software-Befehl ans BCM über den CAN-Bus.

Aktuelle Fahrzeuge haben oft eine Start-Stopp-Automatik, wo bei längerem 
Stillstand und nicht eingelegtem Gang der Motor ausgemacht wird. In 
diesem Fall wird von den Steuergeräten gefordert, dass beim 
Anlassvorgang keine kundenerlebbaren Effekte auftreten dürfen. 
Insbesondere bei Beleuchtung und bei Displays kein Flackern.

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