Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Fiese Störstrahlung auf dem ganzen Board


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von ESP4096 S. (esp4096)


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Moinsen

Ich hab mein Magnetventil Injektor-Treiber soweit funktiontstüchtig 
gebaut.

Zum Aufbau:
Der µC (Teensy 4.1) gibt ein Steuersignal aus, das geht an einen 
Gate-Treiber für den MOSFET der die Injektor Leitung öffnet und 
schließt. Das Steuersignal ist ein 40kHz PWM Signal, mit dem Peak&Hold 
durchgeführt wird. Also erst 100% Duty zum Aufmachen des Ventils, 
anschließend wird mit 30% Duty das Ventil offen gehalten.
Zum Strommessung verwende ich einen Hall-Sensor, der mir zeigen soll 
wann die Spule des Injektors in die Sättigung geht. Somit kann ich 
später mit dem µC genau steuern wie lang Peak&Hold laufen muss anstatt 
auf feste Werte zu setzen.

Soweit so gut. Wenn man sich aber die Signale auf dem Oszi anschaut, 
erkennt man deutlich das jeder Schaltvorgang dicke Störungen auf dem 
Board verursacht. Nicht nur in der Nähe der eigentlichen Injektor-Rail 
sondern auch weiter weg an der 3.3V Steuerleitung. Wenn ich mit einer 
Oszi-Sonde 6cm vor dem Bord "rumfuchtel" sieht man das Störsignal immer 
noch.

Für das analoge Strommessignal ist das natürlich besonders blöd, ließe 
sich zwar über den Pseudodifferentiellen Modus des MCP3208 filtern, aber 
das kanns ja auch nicht sein, denn alle anderen Leitungen (SPI & Co.) 
bekommen trotzdem den Müll ab.

Das ganze ist bisher auf einer einfachen Lochraster-Platine aufgebaut.,

Ich würde gerne wissen wie das zustande kommt und was ich dagegen machen 
kann.

Bauteile Sheets:
* ACS712xLCTR-20A Hall Sensor 
https://www.allegromicro.com/~/media/files/datasheets/acs712-datasheet.ashx
* UCC37324P Gate-Treiber 
http://www.ti.com/general/docs/suppproductinfo.tsp?distId=26&gotoUrl=http%3A%2F%2Fwww.ti.com%2Flit%2Fgpn%2Fucc37324
* IPA045N10N3G MOSFET 
https://www.mouser.de/datasheet/2/196/Infineon-IPA045N10N3%20G-DS-v02_04-EN-93830.pdf
* HTR30L100CT Freilaufdiode 
http://www.hygroup.com.tw/upfiles/ADUpload/all_/HTRx30L100CT.pdf
* MCP3208 ADC http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/21298e.pdf

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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ESP4096 S. schrieb:
> Ich würde gerne wissen wie das zustande kommt
Die Masseführung (und augenscheinlich die gesamte Signalführung) ist 
schlecht. Miss mal mit dem Oszi "Masse gegen Masse", also mal quer über 
den Aufbau. Ich bin mir sicher, dass zwischen den beiden Massepunkten 
die Störung auch zu sehen ist.

Lass doch mal deinen Aufbau sehen...

> und was ich dagegen machen kann.
Ein vernüntiges Layout mit stabiler Masse.

: Bearbeitet durch Moderator
von Stefan P. (form)


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Wo war denn die Oszi-Masse angeklemmt? Vermutlich sehr weit weg vom 
Signal...
PS: Der Pegelwandler ist 4x identisch aufgebaut, aber eins der 3 Signale 
hat doch eine andere Flussrichtung.

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Stefan P. schrieb:
> PS: Der Pegelwandler ist 4x identisch aufgebaut, aber eins der 3 Signale
> hat doch eine andere Flussrichtung.
Halb so wild, das ist der billige bidirektionale Levelshifter mit 
flachen steigenden Flanken dank der hochohmigen Pullups.

Im Grund braucht man aber diese Murksschaltung nicht, denn der MCP3208 
kann auch mit 3,3V betrieben werden...

von ●DesIntegrator ●. (Firma: FULL PALATINSK) (desinfector) Benutzerseite


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ESP4096 S. schrieb:
> Das ganze ist bisher auf einer einfachen Lochraster-Platine aufgebaut,

ist das denn auch mal in einem Gehäuse,
oder misst Du nur an der "nackten" Platine?

Wenn Die Masseführung auch mit einem Gehäuse
viel besser verteilt werden kann, könnten sich die Störungen
bessern bis ganz verschwinden.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Ich bekomme solche Messergebnisse häufig, wenn ich am Tastkopf das kurze 
Kabel mit der Krodilklemme verwende. Mit einer Massefeder sieht es 
gleich viel schöner aus.

von Günni (Gast)


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Stefan P. schrieb:
> Wo war denn die Oszi-Masse angeklemmt? Vermutlich sehr weit weg vom
> Signal...
 Da beide Störsignale in Frequenz und Amplitude so genau übereinstimmen, 
nehme ich auch an, dass die "Störungen" nicht mit dem Tastkopf selbst 
sondern mit der Oszi-Masse "aufgenommen" wurden. Bei sauberer Messmasse 
bekommt man bei verschiedenen Signalen nie solch eine "perfekte" 
Übereinstimmung.

von Helge (Gast)


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Strom hin und zurück gut genug parallel zu führen auf Lochraster ist 
sportlich. Jede schleife sendet. Ist aber zu schaffen.

von ESP4096 S. (esp4096)


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Lothar M. schrieb:
> Die Masseführung (und augenscheinlich die gesamte Signalführung) ist
> schlecht.

Gut, das ist sehr gut möglich. Für den Aufbau habe ich frei nach 
Schnauze die Schaltung aufgebaut, anstatt vorher mit KiCad ordentlich zu 
planen. Siehe Anhang. Wie ich das gut Aufbauen muss weis ich noch nicht 
so richtig.

Lothar M. schrieb:
> Ich bin mir sicher, dass zwischen den beiden Massepunkten
> die Störung auch zu sehen ist.

Jap, sieht sogar schlimmer aus (Messpunkte Bild: Oben links unten 
rechts) :(

●DesIntegrator ●. schrieb:
> ist das denn auch mal in einem Gehäuse,
> oder misst Du nur an der "nackten" Platine?

Nackte Platine, Gehäuse habe ich noch nicht.

Stefan P. schrieb:
> Wo war denn die Oszi-Masse angeklemmt? Vermutlich sehr weit weg vom
> Signal...

Sehr nah.
Gelb: Output vom Hall und GND vom Hall.
Blau: Output vom Teensy und GND vom Teensy

Günni schrieb:
> Da beide Störsignale in Frequenz und Amplitude so genau übereinstimmen,
> nehme ich auch an, dass die "Störungen" nicht mit dem Tastkopf selbst
> sondern mit der Oszi-Masse "aufgenommen" wurden.

Wie kann ich das verhindern?


Danke für die bisherigen Antworten :)

PS: Die drei gebogenen Linien sind gesteckte Jumperkabel + Sockel, da 
ich so durch Umstecken mit Hall Strom testweise High- und Lowside messen 
kann.

: Bearbeitet durch User
von Anja (Gast)


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ESP4096 S. schrieb:
> Somit kann ich
> später mit dem µC genau steuern wie lang Peak&Hold laufen muss anstatt
> auf feste Werte zu setzen.

Hallo,

was ist das denn für ein Injektor?
Diesel / Benzin
Port Fuel Injector / Direct Injector.

Peak&Hold kenne ich nur von Direkteinspritzungen. Aber dort wird in der 
Regel mit geboosterter Spannung (> 45V) und Schnelllöschung gearbeitet 
außerdem wird der Strom in der Pull in und Haltephase geregelt 
(Hystereseregelung) und nicht nur gemessen. (Dafür ist die Endstufe 
etwas zu einfach gestrickt).
https://www.nxp.com/products/power-management/motor-and-solenoid-drivers/powertrain-and-engine-control/programmable-solenoid-controller-gate-driver:PT2000

Auch bei PFI wird Schnellöschung (mit 50-70V) durchgeführt. Da ist eine 
Freilaufdiode eher kontraproduktiv.

Gruß Anja

von ESP4096 S. (esp4096)


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Anja schrieb:
> was ist das denn für ein Injektor?

Hi Anja, das ist ein Common Rail Injector.
Die 24 Volt sind nicht dazu gedacht um damit realistisch einen Motor zu 
betreiben sondern nur um zu Testen ob sich alles so verhält wie gedacht.
Ziel ist innerhalb von 100us sicher zu öffnen, mit 24V komme ich da 
nicht weit.

Anja schrieb:
> Aber dort wird in der
> Regel mit geboosterter Spannung (> 45V) und Schnelllöschung gearbeitet
> außerdem wird der Strom in der Pull in und Haltephase geregelt
> (Hystereseregelung) und nicht nur gemessen. (Dafür ist die Endstufe
> etwas zu einfach gestrickt).

Ja, mir ist klar das das etwas einfach ist, aber man muss ja klein 
anfangen.
Mit 48V funktioniert es am Teststand schon ganz gut :) Rückspeisung und 
zwei Wege um einmal schnell und einmal langsam zu entladen sind 
definitiv Sachen die ich machen werde, aber erst später.

Eine Lösung wie ein P2000 ist mir noch eine Nummer zu groß, vielleicht 
kaufe ich mir mal ein Eval-Board. Ich gehe davon aus du hast mit der 
Toolchain schon gearbeitet? Was erwartet mich da?

Anja schrieb:
> Auch bei PFI wird Schnellöschung (mit 50-70V) durchgeführt. Da ist eine
> Freilaufdiode eher kontraproduktiv.

Wie muss ich das verstehen? Die Freilaufdiode soll meinen FET vor dem 
abfackeln schützen. Wenn ich die nicht habe muss ich den für die 10 
Fache Spannung auslegen...

von Gerd E. (robberknight)


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ESP4096 S. schrieb:
>> Auch bei PFI wird Schnellöschung (mit 50-70V) durchgeführt. Da ist eine
>> Freilaufdiode eher kontraproduktiv.
>
> Wie muss ich das verstehen? Die Freilaufdiode soll meinen FET vor dem
> abfackeln schützen. Wenn ich die nicht habe muss ich den für die 10
> Fache Spannung auslegen...

Ja, der FET muss für eine deutlich höhere Spannung ausgelegt werden. 
Denn Du willst ja gerade daß die Spannung hochläuft um dadurch die 
Energie aus dem Magnetfeld der Spule schnell abzubauen.

Über eine Zenerdiode in Reihe zur Freilaufdiode kannst Du dann festlegen 
wie weit die Spannung hochlaufen darf. Zwischen der Zenerspannung und 
der maximalen Drain-Source-Spannung des FETs sollte noch genug 
Sicherheitsabstand bleiben.

von Anja (Gast)


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ESP4096 S. schrieb:
> Wie muss ich das verstehen? Die Freilaufdiode soll meinen FET vor dem
> abfackeln schützen. Wenn ich die nicht habe muss ich den für die 10
> Fache Spannung auslegen...

Es gibt (für PFI) spezielle Endstufen / FETs die einen definierten 
Durchbruch bei 50-70 V haben.

Gerd E. schrieb:
> Über eine Zenerdiode in Reihe zur Freilaufdiode kannst Du dann festlegen
> wie weit die Spannung hochlaufen darf.

In der Praxis werden für PFI FETs/Endstufen verwendet die eine Z-Diode 
zwischen Drain und Gate haben. -> oberhalb der Z-Spannung bleibt der FET 
geöffnet bis die Energie abgebaut ist. Damit hat man nur ein Bauteil das 
gekühlt werden muß.
Für 70 V siehe z.B. 
https://www.st.com/en/automotive-analog-and-power/vnp5n07.html
Für 50V z.B. TLE6232

ESP4096 S. schrieb:
> Eine Lösung wie ein P2000 ist mir noch eine Nummer zu groß,
Das ist keine Entwicklung für einen Einzelnen.
Der P2000 muß (in speziellem) Assembler für jede einzelne Flanke am 
Ausgang programmiert werden. Das Programm wird über SPI samt 
Stromparametern in den ASIC geladen. Innen sind neben den Sequenzern nur 
so Dinge wie programmierbare Strommeßverstärker, Komparatoren für 
Stromschwellen, Ladungspumpen für die High-Side FETs und FET-Treiber die 
den Systemaufwand klein halten. Über die Start und Flag Eingänge werden 
dann vom Host-Prozessor die Endstufen Eingeschaltet bzw. die interne 
State-Machine (Haltephase) weitergeschaltet.

Was aber aus dem (vereinfachten) Prinzipschaltbild hervorgeht ist wie 
man den Injektor ansteuern muß um verschiedene Betriebsarten zu 
erzeugen:
Eingeschaltet wird auf der Low-Side. Die Highside taktet um den Strom zu 
regeln (normaler Freilauf wenn der Low-Side FET aktiv ist). Üblich sind 
2 High-Side FETs: einer für die Booster Spannung und einer für die 
Batteriespannung (über eine Diode Entkoppelt). Wenn zusätzlich die 
low-Side öffnet hat man eine Schnelllöschung mit Rückspeisung in den 
Boosterkreis. (über beide Dioden).

ESP4096 S. schrieb:
> Ziel ist innerhalb von 100us sicher zu öffnen, mit 24V komme ich da
> nicht weit.
Öffnen tun die CR-Injektoren die ich kenne auch mit 12-24V. Aber halt 
nicht in 100us sondern nur sehr langsam und undefiniert. Für 100us 
braucht man mehr Spannung. Und der 20A Sensor hat vermutlich keine 
Reserven mehr für Kurzschlußerkennung.

Gruß Anja

von Prokrastinator (Gast)


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ESP4096 S. schrieb:
> Ich würde gerne wissen wie das zustande kommt und was ich dagegen machen
> kann.

Layout wurde schon genannt.
Da der Strom ohnehin langsam über die Injektor Induktivität ansteigt, 
solltest Du den Fet langsamer machen. (Gate Widerstand)
Sonst treibst Du nur massiv die parasitären Kapazitäten, was zu den 
Schwingungserscheinungen führt.
Abschalten soll schnell gehen, also Gate Widerstand mit Diode 
überbrücken mit Kathode zum Treiber.

PRLHI mit LC gegen den Rest der Schaltung blocken, damit sich die 
Störungen nicht ausbreiten.
RC Glied über Fet. Fang mal mit 470pf + 4R7 an und seh Dir an wohin dann 
die Reise geht.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Kurze, dicke Leitungen zum Leistungsteil und das mal absetzen von 
Teensy. Dafür sorgen, das der Injektorstrom nicht quer über die ganze 
Platine geführt wird, vor allem die Masse. Nicht umsonst sind in 
Motorsteuergeräten die Endstufen entfernt vom Rechner und mit massiven 
Kupferbahnen zur Masse verbunden.
Die Drain wird auch an der Kühlfahne des TO220 liegen, da den Injektor 
ran.

: Bearbeitet durch User
von ESP4096 S. (esp4096)


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Anja schrieb:
> Eingeschaltet wird auf der Low-Side. Die Highside taktet um den Strom zu
> regeln (normaler Freilauf wenn der Low-Side FET aktiv ist). Üblich sind
> 2 High-Side FETs: einer für die Booster Spannung und einer für die
> Batteriespannung (über eine Diode Entkoppelt). Wenn zusätzlich die
> low-Side öffnet hat man eine Schnelllöschung mit Rückspeisung in den
> Boosterkreis. (über beide Dioden).

So ähnlich habe ich es schon in einem Paper (Anhang: lsi4) gesehen, in 
dem 2 verschiedene Freilaufdioden benutzt werden, einmal zum langsamen 
(Stage B) und schnellem abbauen (Stage C).
Was ich jedoch noch nicht so ganz beim Prinzip verstehe, ist warum man 
als zweite Versorgung die Batteriespannung benutzt? Alle Beispiele die 
mir bisher so unter die Nase gekommen sind haben eine Leitung mit 48 - 
80V benutzt und diese dann entsprechend geschaltet damit man im Hold bei 
5 bis 8A rumdümpelt.

Danke für deinen ganzen Input! Du scheinst ja in dem Thema ganz gut drin 
zu sein :)

Matthias S. schrieb:
> Kurze, dicke Leitungen zum Leistungsteil und das mal absetzen von
> Teensy. Dafür sorgen, das der Injektorstrom nicht quer über die ganze
> Platine geführt wird, vor allem die Masse. Nicht umsonst sind in
> Motorsteuergeräten die Endstufen entfernt vom Rechner und mit massiven
> Kupferbahnen zur Masse verbunden.
> Die Drain wird auch an der Kühlfahne des TO220 liegen, da den Injektor
> ran.

Danke, wird beim nächsten Aufbau so umgesetzt.

Prokrastinator schrieb:
> Da der Strom ohnehin langsam über die Injektor Induktivität ansteigt,
> solltest Du den Fet langsamer machen. (Gate Widerstand)
> Sonst treibst Du nur massiv die parasitären Kapazitäten, was zu den
> Schwingungserscheinungen führt.
> Abschalten soll schnell gehen, also Gate Widerstand mit Diode
> überbrücken mit Kathode zum Treiber.

Ich bin ja der Meinung das ich keinen langsamen Fet haben will. Der soll 
ja 40kHz bitte entsprechen schnell auf und zu gehen damit ich den 
Haltestrom unter Kontrolle habe. Korrigiere mich wenn ich falsch liege. 
Ich plane das dennoch fürs nächste Bord mal mit ein.

Ref: Study on Effects of Common Rail Injector Drive Circuitry with 
Different Freewheeling Circuits on Control Performance and 
Cycle-by-Cycle Variations 
https://www.researchgate.net/publication/331068372_Study_on_Effects_of_Common_Rail_Injector_Drive_Circuitry_with_Different_Freewheeling_Circuits_on_Control_Performance_and_Cycle-by-Cycle_Variations

: Bearbeitet durch User
von Anja (Gast)


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Hallo,

ESP4096 S. schrieb:
> Was ich jedoch noch nicht so ganz beim Prinzip verstehe, ist warum man
> als zweite Versorgung die Batteriespannung benutzt?

Hast Du mal ausgerechnet welche Leistung dein DC/DC-Wandler bei der 
Maximal-Drehzahl und der maximalen Anzahl von Einspritzungen/TDC liefern 
muß. (Vor + Haupt + Nacheinspritzungen?) Und wieviel man einsparen kann 
wenn man nur die erste Flanke aus dem Boosterkreis bedient. Das ganze 
hängt natürlich auch davon ab wie niederohmig der Injektor im Verhältnis 
Versorgungsspannung zu  Pull-In Strom und Haltestrom ist.

ESP4096 S. schrieb:
> damit man im Hold bei
> 5 bis 8A rumdümpelt.

Ist das ein etwas größerer Motor und 24V Bordnetz?

Gruß Anja

von ESP4096 S. (esp4096)


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Anja schrieb:
> Hast Du mal ausgerechnet welche Leistung dein DC/DC-Wandler bei der
> Maximal-Drehzahl und der maximalen Anzahl von Einspritzungen/TDC liefern
> muß.

Jo im Worst Case ~760W bei einem V16 und unrealistischen 2400RPM wenn 
ich alles über den Step-Up  laufen lasse. Es geht also darum den Wandler 
zu entlasten, okay danke.

Anja schrieb:
> (Vor + Haupt + Nacheinspritzungen?)

Ich Tanze schon Kreise um den Motor wenn ich erstmal mit einer einfachen 
Einspritzung ein paar Umdrehungen mache :)

Anja schrieb:
> niederohmig der Injektor

Die haben zwischen 0.4 bis 0.8 Ohm

Anja schrieb:
> Ist das ein etwas größerer Motor und 24V Bordnetz?

Ja 24V und es handelt sich um Schiffsmotoren von 300 - 1400PS. Von 
Reihen-6 bis V16 ist alles zum Probieren dabei.

: Bearbeitet durch User
von Anja (Gast)


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Hmm,

und du bist Dir sicher daß Du alles selbst entwickeln willst (oder ist 
die Stückzahl entsprechend hoch daß es sich lohnt).

https://ssdiesel.com/product/bosch-motorsport-ms25-sport-standalone-ecu/

Gruß Anja

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Das erinnert mich an die Anekdote die der Händler meines Motorrades 
erzählte.

Als Einspritzung Pflicht wurde, hat der Hersteller versäumt, die 
Stromversorgung entsprechend aufzubohren. Ergebnis: Bei den ersten 
verkauften Maschinen wurde die Batterie während der Fahrt entleert und 
danach brannten einige Lichtmaschinen durch. Am Ende musste sogar das 
Motorgehäuse (für die nun doppelt so starke Lichtmaschine) umgestaltet 
werden.

von Mohandes H. (Firma: مهندس) (mohandes)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> Motorrad

Schöne Maschine. Wer heute ein klassisches Motorrad sucht, fast 
baugleich zu einem 1950er-Modell und ohne schicki-micki, der holt sich 
eine Enfield. Wobei ich die Continental GT 535 bevorzugen würde.

(Sorry für off-topic).

von ESP4096 S. (esp4096)


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Anja schrieb:
> Hmm,
>
> und du bist Dir sicher daß Du alles selbst entwickeln willst (oder ist
> die Stückzahl entsprechend hoch daß es sich lohnt).

Langfristig lohnt sich das. Bisher setzen wir auf fix&fertig Systeme.

: Bearbeitet durch User
von ESP4096 S. (esp4096)


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So, die Hinweise haben auf jeden Fall funktioniert, siehe vorher nachher 
Bild.
(Im Nachher habe ich allerdings 38V statt 24V auf der PRI_HI Leitung 
gehabt)

Es ist zwar immer noch ein bisschen was eingestreut, aber ich denke 
damit kann man leben.

Vielen Dank für die ganzen Tipps!

von ●DesIntegrator ●. (Firma: FULL PALATINSK) (desinfector) Benutzerseite


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ESP4096 S. schrieb:
> Vielen Dank für die ganzen Tipps!

Und, welcher Tipp hat denn nun zum gewünschten Ergebnis geführt?

von ESP4096 S. (esp4096)


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●DesIntegrator ●. schrieb:
> Und, welcher Tipp hat denn nun zum gewünschten Ergebnis geführt?

Folgendes:

Matthias S. schrieb:
> Kurze, dicke Leitungen zum Leistungsteil und das mal absetzen von
> Teensy

Matthias S. schrieb:
> Motorsteuergeräten die Endstufen entfernt vom Rechner und mit massiven
> Kupferbahnen zur Masse verbunden.

Die Bahnen sind jetzt dick möglischst kurz und weit weg von dem ADC. Der 
µC Sitzt auf einer anderen Platine und das SPI und die Steuerleitung 
sind über ein 5cm Kabel verbunden.

Prokrastinator schrieb:
> Da der Strom ohnehin langsam über die Injektor Induktivität ansteigt,
> solltest Du den Fet langsamer machen. (Gate Widerstand)
> Sonst treibst Du nur massiv die parasitären Kapazitäten, was zu den
> Schwingungserscheinungen führt.
> Abschalten soll schnell gehen, also Gate Widerstand mit Diode
> überbrücken mit Kathode zum Treiber.

Hab ich zwar gemacht, aber sehe nicht viel Unterschied wenn ich die 
Vorschaltung zum FET weglasse.

Zusätzlich hab ich noch eine Zener mit 75V parallel zum FET geschaltet 
damit die mir sicher alle Spitzen abrasiert (Durchbruch beim FET sind 
100V)

Der R2,4 Ohm wird gut heiß aber brauche ich damit der Abbau noch gerade 
so schnell geht das das Schließen zügig passiert.


Jetzt wird damit erstmal getestet. In der Nächsten Version werden dann 
die Hinweise von Anja mit "Battery-Hold" und Schnelllöschung mit 
Rückspeisung in den Boosterkreis realisiert.

: Bearbeitet durch User
von Christian M. (likeme)


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Hihi, Pertinax und Lochraster im Motorrad, das machst du hoffentlich mal 
schön mit Layout und Platine. Dir fallen sonst die Bauteile so nach und 
nach runter.

von ESP4096 S. (esp4096)


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Na klar, das geht direkt so in den Verkauf und wird nackt mit Gaffa an 
den Motor geklebt ;)


Das sind Protoboards. Die richtigen PCBs werden nachher beim Chinamann 
des Vertrauens bestellt.

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