Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Baugruppenanordnung


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von Michi (Gast)


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Eine Grundlagenfrage an die EMV und PCB Design Profis:

- Ein PCB beherbergt zwei Baugruppen
- Die Baugruppen sind quadratisch und gleich gross
- Das PCB ist somit rechteckig
- Die Speisung und die Masse kommen auf einer der kurzen PCB Kanten rein
- Eine der beiden Baugruppen zieht ordentlich Strom mit schnellen, 
digitalen Schaltflanken
- Die andere Baugruppe hat störanfällige Analogelektronik und fühlt sich 
von allem was nicht DC ist, belästigt.

Nun die Frage:
Welche Baugruppe platziere ich näher bei der Speisung?
Und welche weiter weg?

Weitere Annahmen sind:
- 4-Lagen PCB mit Massefläche und Speisefläche in der Mitte.
- Beide Baugruppen ziehen überdie gemeinsame Vcc Fläche von einer 
gemeinsamen Spannungsquelle den Strom.
- Beide Baugruppen leiten über die selbe GND Fläche zurück.

Irgendwelche Ideen?

von -gb- (Gast)


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Ich würde die Analogbaugruppe weiter weg setzen.
Die Versorgung so routen, dass die möglichst wenig gestört wird und 
lokal dann filtern. Massenflächen kann man auch unterteilen.
Vielleicht schaffst du das ja Versorgungslage und Massenlage so zu 
unterteilen, dass die digitalen Ströme nicht die analogen Ströme 
kreuzen.
Und zusätzlich kannst du an der Digitalbaugruppe viel entkoppeln damit 
da eben wenige Störungen entstehen.

von Michi (Gast)


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Danke für die Antwort.

Meine Frage ist aber eher theoritischer Natur unter vereinfachten 
Bedingungen. Also nicht die Frage, wie filtern, wie die Speisung 
unterteilen.

Angenommen, wir hätten keine Filter und keine getrennten 
Speiseleitungen.

Sondern einfach nur, welche Baugruppe soll näher zur Speisung und warum?

In Betracht ziehen soll man bei der Antwort lediglich die 
Speiseleitungs-Impedanzen, die die Baugruppen ja gemeinsam "sehen".

Warum würdest du die empfindliche Baugruppe weiter weg setzen als die 
störende?

von HildeK (Gast)


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Michi schrieb:
> Sondern einfach nur, welche Baugruppe soll näher zur Speisung und warum?

Ich schließe mich der Aussage von -gb- an.

Warum? Einfaches Beispiel:
Audioverstärker mit Vorverstärker und gemeinsamer Versorgung. Den 
schließt man auf der Leistungsseite an die Stromversorgung an, weil die 
großen Ströme in den Stromversorgungsleitungen Spannungsabfälle 
produzieren. Bei großen Verstärkungsfaktoren ist es sogar notwendig, die 
Massebezugspunkte innerhalb des VVs genau zu betrachten.
Müssen die großen Ströme z.B. durch die Masseleitung des VV, dann gibt 
das u.U. viele mV GND-Lifting, d.h. letztlich, diese Spannungen werden 
anschließend im VV mit verstärkt und führen im schlimmsten Fall sogar zu 
Rückkopplungen.
Das wird einen aber nicht davon entbinden, die durch die große Last 
hervorgerufenen Spannungsschwankungen auf VCC-Seite trotzdem zu filtern 
oder mit einem eigenen Spannungsregler zu beaufschlagen, falls die 
empfindliche Gruppe auf VCC-Schwankungen reagiert OPAs wären weniger 
empfindlich, einfache Transistorschaltungen schon eher.

Letztlich muss man das aber an Hand der konkreten Schaltung / dem Layout 
beurteilen.

von Balu (Gast)


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Kommt nicht drauf an. Oder? Stören tut die eine Baugruppe die andere auf 
jeden Fall.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Die Stromversorgungseitungen sollten von der Quelle ausgehend 
sternförmig verlaufen.

Falsch:
1
 Netzteil======Baugruppe1======Baugruppe2======Baugruppe3

Richtig:
1
         //======Baugruppe1
2
        ||
3
   Netzteil======Baugruppe2
4
        ||
5
         \\======Baugruppe3

von Wühlhase (Gast)


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Das ganze nur in Prosa zu beschreiben ist zwar ungenau und 
fehlerbehaftet, dennoch ein paar Überlegungen:

-Die Leitungen, die stärkere, getaktete Ströme führen, würde ich so kurz 
wie möglich halten.
-Ordentlich filtern, sodaß die Baugruppe mit den garstigen Strömen nach 
außen hin wieder möglichst nahe am DC-Optimum liegen.

Gibt es Querverbindungen zwischen Leistungs- und Analogbaugruppe? Dann 
gäbe es meiner Meinung nach mehrere Möglichkeiten:
a)
Getrennte Spannungsversorgung (auch wenn beide Schaltugen ganz am Ende 
an derselben Spannugnsquelle hängen), dann würde ich in alle 
Querverbindungen eine galvanische Trennung einbauen. Wenn es nur 
Binärsignale, geht das mit Optokopplern einfach und billig. Oder Busse 
wie z.B. CAN, die eine galvanische Trennung von Haus aus mitbringen.

b)
Gemeinsame Spannungsversorgung mit gemeinsamem Bezugspotential. Über 
sowas würde ich nachdenken, wenn es Querverbindungen mit Analogsignalen 
gibt, das ganze möglichst günstig werden soll. Die Anforderungen an die 
Genauigkeit sind dann aber auch entsprechend niedrig.


Das wären so die zwei hauptsächlichen Möglichkeiten, wobei auch 
Mischvarianten (z.B. analoge Vorverarbeitung im Leistungsteil) denkbar 
wären.


Aber:

Michi schrieb:
> - Ein PCB beherbergt zwei Baugruppen
> - Die Baugruppen sind quadratisch und gleich gross
> - Das PCB ist somit rechteckig
> - Die Speisung und die Masse kommen auf einer der kurzen PCB Kanten rein
> - Eine der beiden Baugruppen zieht ordentlich Strom mit schnellen,
> digitalen Schaltflanken
> - Die andere Baugruppe hat störanfällige Analogelektronik und fühlt sich
> von allem was nicht DC ist, belästigt.

Die Anforderungen sind ein schönes Beispiel dafür was passiert, wenn man 
erstmal mit der Entwicklung anfängt und den EMV-Kram erstmal schön 
vernachlässigt und meint, das Ganze später zurechtpfuschen zu können.

Hätte man die EMV-Problematik von Anfang an mit eingeplant, hätte man 
die Spannungsversorgung mittig an der Längskante anbringen können. Dann 
müßte man nich zwischen Pest oder Cholera wählen: Entweder lange 
Versorgungsleitungen zur Analogbaugruppe (und damit ein Einfallstor für 
Störeinkopplung schaffen) oder lange Versorgungsleitungen zur 
Leistungsbaugruppe (und damit Störungen über die Leitung auszukoppeln).

von -gb- (Gast)


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Es gibt auch andere Erklärungen die nichts mit Pfusch zu tun haben. Es 
könnte sein, dass die Baugruppen getrennt schon lange verwendet werden, 
aber eben noch nicht zusammen auf einer Hardware. Und dann gibt es 
Gehäuse in die halt nur Längskarten passen. PCMCIA war so ein Fall. Wird 
es hier nicht sein, ich vermute aber einen ähnlichen Grund.

von Wühlhase (Gast)


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-gb- schrieb:
> Es gibt auch andere Erklärungen die nichts mit Pfusch zu tun haben.

Ja, die gibt es sicherlich auch. Diese dürften aber eher die Minderheit 
darstellen, meinst du nicht?

von Gustl B. (-gb-)


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Bei Profis glaube ich das eher nicht. Die müssen aber vielleicht etwas 
bauen, weil man das so von ihnen verlangt. Da hat dann das Designteam in 
der Firma mehr Gewicht. Oder man will sich eben an Standards halten die 
man sich mal ausgesucht hat. Ich kenne hier diese NIM-Einschübe, da gibt 
es einen Ort an dem die Versorgung angeschlossen wird oder auch bei PXI 
von NI.

Aber es gibt auch eine Menge Pfusch. Ist eben die Frage wie definiert 
man Pfusch? Ist es Pfusch wenn das Designteam sagt das Gerät muss 
länglich werden und hat an einer der kurzen Seiten die Anschlüsse?
Ist eben vielleicht dann ein praktischeres Gerät weil die Anschlüsse 
schön zusammen sind. Ich finde es wäre Pfusch wenn das völlg ohne Grund 
so gemacht würde und wenn dann auch beim Layout die Regeln ignoriert 
werden würden. Aber hier hat der Threadersteller ja nachgefragt, er hat 
zumindest den Verdacht, dass die Platzierung und das Layout einen 
Einfluss haben könnte.

von Fahrzeugteile Herbipolis (Gast)


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Michi schrieb:
> - Ein PCB beherbergt zwei Baugruppen
> - Die Baugruppen sind quadratisch und gleich gross
> - Das PCB ist somit rechteckig
> - Die Speisung und die Masse kommen auf einer der kurzen PCB Kanten rein
> - Eine der beiden Baugruppen zieht ordentlich Strom mit schnellen,
> digitalen Schaltflanken
> - Die andere Baugruppe hat störanfällige Analogelektronik und fühlt sich
> von allem was nicht DC ist, belästigt.

Trifft so ziemlich genau das, was ich auf der Arbeit sehe. Zum Glück 
gehen nur Versorgung und digitale Signale 100Hz...500kHz von der 
Längskante her rein.

Gustl B. schrieb:
> Ist eben vielleicht dann ein praktischeres Gerät weil die Anschlüsse
> schön zusammen sind. Ich finde es wäre Pfusch wenn das völlg ohne Grund
> so gemacht würde

Der Kunde bestellt das genau so...

Gustl B. schrieb:
> Da hat dann das Designteam in der Firma mehr Gewicht.

Yup, im letzten Projekt hat man irgendwo mitten während der Entwicklung 
den Leistungselektronik- und den Mikrocontroller- und Analogteil 
getauscht. Dadurch bekam man einen Sensor näher an den Mikrocontroller- 
und Analogteil ran, was weniger Störungen am Sensor gab. Der Sensor muss 
wegen "der Kunde bestellt das so" genau an einer bestimmten Stelle auf 
dem Board sein.
Zuführung Saft ist auch immer noch über dieselbe kurze Seite.

Wie man das macht?
1 dafür sorgen, dass die Leistungselektronik nicht so assi strahlt
2 dafür sorgen, dass der Analogkrempel störfester wird
3 dafür sorgen, dass die Software mit leicht gestörten Eingängen immer 
noch den Leistungsteil sauber steuert, damit 1 unterstützt wird
4 analoge Messwerte im Leistungsteil differentiell einlesen, damit 
Groundbounce keine Chance hat
5 für Masse und Versorgung Übergabe-*Punkte* definieren und dafür sorgen 
dass diese Punkte keine Flächen werden

von Gustl B. (-gb-)


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Fahrzeugteile Herbipolis schrieb:
> 3 dafür sorgen, dass die Software mit leicht gestörten Eingängen immer
> noch den Leistungsteil sauber steuert, damit 1 unterstützt wird

Dazu gehört auch, dass man Sensoren messen lässt, wenn gerade wenig 
gestört wird. Manchmal geht das ja, dass man das zeitlich trennt. Ich 
hatte mir das mal für DCDC und ADC überlegt, wenn man beides synchron 
laufen lässt kann der ADC immer dann den Eingang abtasten wenn der DCDC 
am wenigsten stört. Habe ich aber nicht verwirklicht.

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