Step-up und Störungen

[Malte _. (malte)]

Hallo,
vielleicht kann mir ja jemand sagen, wie ich die Störungen auf meiner 
Vcc Leitung reduzieren kann.
Zunächst das Gute:
Die LEDs meiner 5x5 RGB LED Matrix leuchten
Der STM32F405 lässt sich per USB Programmieren
Die SD Karte ist auch ansprechbar
Und per DAC kann ich an den 0,2W Lautsprecher Töne ausgeben.

Aber, je nach Anzahl der leuchtenden LEDs gibt der Lautsprecher auch 
ungewollt Töne aus.
Dabei scheint es vor allem bei geringer Last zu Knackgeräuschen zu 
kommen.
Und schaue ich mir die Vcc Leitung an, ist die alles andere als eine 
Linie. Zum Einen treten periodisch hochfrequente Störungen auf (die man 
nicht hört) und zum anderen bricht die Spannung immer wieder kurz ein 
(was man hört). Beides in voltage-leds-off.png zu sehen.

Beim Layout und den Werten für den MCP1640 habe ich mich so weit wie 
möglich an den empfohlenen Werten des Datenblattes orientiert. Aber 
schon bevor ich den STM drauf gelötet hatte, habe ich die Spannung 
kontrolliert und war von den minimal und maximal Werten überrascht 
(step-up-no-load.png).

Halte ich einen 220µF Elko an Vcc und GND wird das Bild besser und ich 
höre nichts mehr im Lautsprecher, aber von gut kann keine Rede sein.
Also was lässt sich verbessern?
Der MCP1640 soll als Ausgangskondensator mindestens 10µF und maximal 
100µF haben. Dass es ein Minimum geben muss ist, klar aber ein Grund für 
ein Maximum erschließt sich mir nicht, außer dass es für den MCP1640 
irgendwann wie ein Kurzschluss aussehen würden.

[Flip B. (frickelfreak)]

Störung im Lautsprecher auch bei speisung über USB?

[Max H. (nilsp)]

Also unabhängig von deinen Problemen: Hut Ab für die Qualität Deines 
Schaltplans. Sowas sieht man hier selten.

[Lutz K. (Firma: private) (lutz66)]

Malte _. schrieb:
> Hallo,
> vielleicht kann mir ja jemand sagen, wie ich die Störungen auf meiner
> Vcc Leitung reduzieren kann.

wie du das reduzieren kannst per Ferndiagnose kann ich leider nicht.

Aber wenn du Knackgeräusche im Lautsprecher hast, dann kannst du ja 
darauf triggern und mit dem anderen Kanal die Versorgungsspannung 
messen, wenn man misst was mit der Versorgung los ist kommt man dann 
hoffentlich weiter, und ich würde letztendlich vom Verstärker bis zum 
USB die kette messen, dann ist es schon mal eingegrenzt

[Lu (oszi45)]

Malte _. schrieb:
> Der MCP1640 soll als Ausgangskondensator mindestens 10µF und maximal
> 100µF haben.

Manchmal ist es günstiger statt nur einem dicken Elko mehrere kleine 
zu nehmen, um den ESR zu verbessern? Dicke Masseverbindungen sind auch 
oft nützlich.

[Rainer W. (rawi)]

Malte _. schrieb:
> Und schaue ich mir die Vcc Leitung an, ist die alles andere als eine
> Linie.

Wo hast du das Signal genau gemessen und wie hast du es abgegriffen 
(Tastkopf, Massefeder)?
Haben die Spikes eine bestimmte Frequenz oder ist das Rauschen?
Die Spannungseinbrüche sind nicht sooh dramatisch. Was sagt das PSSR von 
deinem U100. Wie sieht VDDA gegen GNDA aus?
Störungen bei "geringer Last" deuten auf lückenden Betrieb des Wandlers.

Trigger auf die Knackgeräusche am Lautsprecher und verfolge die 
Störsignale nach vorne bis Dac1 und zu den Versorgungsspannungen. Treten 
die Knackgeräusche auch auf, wenn du die Schaltung aus einem 
Labornetzteil speist?
Treten die Störungen auch auf, wenn du den Verstärkereingang nicht mit 
Dac1 verbindest sondern auf GNDA legst?

Max H. schrieb:
> Also unabhängig von deinen Problemen: Hut Ab für die Qualität Deines
> Schaltplans. Sowas sieht man hier selten.

Warum der allerdings ins PDF verpackt sein muss, obwohl er keine 
(durchsuchbaren) Texte und Linien enthält, sondern nur bunte Pixel, ist 
irgendwie unklar.

[Lu (oszi45)]

Rainer hat alles schon schön beschrieben. Mal zum Test mit Labornetzteil 
speisen und NF-Eingang kurzschließen waren auch so meine Idee.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Max H. schrieb:
> Hut Ab für die Qualität Deines Schaltplans. Sowas sieht man hier selten.
Leider hat sich das nicht auch in der Qualität des Layouts 
niedergeschlagen. Den eines ist offensichtlich zu erkennen: im 
Layoutvorschlag aus dem DB sind keine Thermals.
Aus der Praxis: es ist eine überaus schlechte Idee, Schaltregler einfach 
mit dünnen Leitungen zu verbinden und dann hinterher Kupfer zu fluten. 
Und: Leitungen, auf denen Strom fließt (alles, was zu Cin, L, und Cout 
führt) müssen "so breit und kurz wie möglich" ausgeführt werden.

Malte _. schrieb:
> habe ich die Spannung kontrolliert und war von den minimal und maximal
> Werten überrascht (step-up-no-load.png).
Sieht gut aus. Der MCP1640 und der MC1640C gehen dann ohne Last dann 
einfach in den "Pulse-Skip" Betrieb und laden den Ausgangskondensator 
nur ab&zu nach, wenn er durch den FB-Spannungsteiler ein wenig entladen 
wurde. Das ist dort in der AN1337 dann auch beschrieben:
- https://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/01337A.pdf

Abhilfe: probiers mal mit dem MC1640B oder dem MC1640D, die haben den 
Pulse-Skip Modus nicht, dafür aber einen schlechteren Wirkungsgrad bei 
geringer Last.

Man sieht daran, dass es nicht reicht, die Datenblätter zu haben und zu 
lesen. Nein, man muss auch verstehen, was da drin steht. Und wenn man es 
nicht versteht, dann muss man dahingehend dazulernen.

[Loco M. (loco)]

Lothar M. schrieb:
> Man sieht daran, dass es nicht reicht, die Datenblätter zu haben und zu
> lesen. Nein, man muss auch verstehen, was da drin steht. Und wenn man es
> nicht versteht, dann muss man dahingehend dazulernen.

Ja, das ist auch beim Enable Eingang erkennbar. Der Spannungsteiler 
R82/R83 legt den EN Pin auf 50% Vin, das Datenblatt fordert aber >90% 
Vin für ein Logic High.

Das Verhalten bei PWM und PFM Mode ist im Diagramm 2-21 des 
MCP1640/B/C/D Datenblatt (DS20002234D-page 8) schön dargestellt.

[Malte _. (malte)]

Vielen Dank für die vielen Antworten, also ich habe mal versucht sie zu 
gruppieren:

Flip B. schrieb:
> Störung im Lautsprecher auch bei speisung über USB?
Ja, gerade. Bei Batteriebetrieb werden es weniger.

Lu schrieb:
> Manchmal ist es günstiger statt nur einem dicken Elko mehrere kleine
> zu nehmen, um den ESR zu verbessern? Dicke Masseverbindungen sind auch
> oft nützlich.
Alle 2,2µF und 10µF sind X7R: 
https://www.reichelt.de/de/de/shop/produkt/mlcc_0805_10_f_25_v_-10_x7r-409167
Der erste für Vcc ist möglichst nah am Step-up, der Zweite etwas weiter 
weg.

Rainer W. schrieb:
> Wo hast du das Signal genau gemessen und wie hast du es abgegriffen
> (Tastkopf, Massefeder)?
Tastkopf, ich habe mal ein Foto angehängt.
> Haben die Spikes eine bestimmte Frequenz oder ist das Rauschen?
Ich würde die als periodisch alle 15µs betrachten, das wären 66kHz und 
damit nicht so weit von der Resonanzfrequenz des AVcc Filters entfernt.

Rainer W. schrieb:
> Warum der allerdings ins PDF verpackt sein muss, obwohl er keine
> (durchsuchbaren) Texte und Linien enthält, sondern nur bunte Pixel, ist
> irgendwie unklar.
Entschulidung. Ich hatte in Kicad unter "Export" vergeblich nach einer 
PDF Exportfunktion gesucht. Und bin dann auf Drucken in PDF ausgewichen. 
"Plot" wär wohl richtig gewesen.

Loco M. schrieb:
> Ja, das ist auch beim Enable Eingang erkennbar. Der Spannungsteiler
> R82/R83 legt den EN Pin auf 50% Vin, das Datenblatt fordert aber >90%
> Vin für ein Logic High.
Das ist Absicht. Der MCP1640 schaltet sich laut Datenblatt bei > 90% Vcc 
ein und bei < 20% Vcc aus. Eine exakte Zeit für das Anliegen des Signals 
ist zwar nicht angegeben, aber eine typische "Soft Start" Zeit von 
750µs, von daher sollten 50ms sicher reichen. Daraus kann man einen 
Zustandsspeicher bauen, wo ein Taster das Gerät einschaltet und der 
Microcontroller bei Unterspannung (oder sonstige Gründe) wieder aus. Und 
der MCP "merkt" sich dann den Zustand bei 50% Vcc. Das hatte ich bei 
einem kleinem Testprojekt mit dem MCP mal schon mal so gemacht und 
funktioniert dort wunderbar.

Rainer W. schrieb:
> Die Spannungseinbrüche sind nicht sooh dramatisch. Was sagt das PSSR von
> deinem U100. Wie sieht VDDA gegen GNDA aus?
> Störungen bei "geringer Last" deuten auf lückenden Betrieb des Wandlers.
Loco M. schrieb:
> Das Verhalten bei PWM und PFM Mode ist im Diagramm 2-21 des
> MCP1640/B/C/D Datenblatt (DS20002234D-page 8) schön dargestellt.
Danke für den Hinweis. Demnach liegen die Werten von Vpp=152mV im 
Rahmen. Im Datenblatt sind es sogar eher 250mV bei 1 auf 75mA 
Lastwechsel.
Nachdem ich dachte dass es da keinen Unterschied gibt, habe ich die mal 
gegeneinader gemessen (siehe Anhang, Gelb Vcc, Blau AVCC gegen GND). 
Demnach sieht mir Avcc sogar noch schlechter aus. Ich würde den Filter 
jetzt fast lieber entfernen?

Rainer W. schrieb:
> Trigger auf die Knackgeräusche am Lautsprecher und verfolge die
> Störsignale nach vorne bis Dac1 und zu den Versorgungsspannungen. Treten
> die Knackgeräusche auch auf, wenn du die Schaltung aus einem
> Labornetzteil speist?
> Treten die Störungen auch auf, wenn du den Verstärkereingang nicht mit
> Dac1 verbindest sondern auf GNDA legst?
Hmm, das müsste ich noch mal in Ruhe testen.

Lothar M. schrieb:
> Den eines ist offensichtlich zu erkennen: im
> Layoutvorschlag aus dem DB sind keine Thermals.
> Aus der Praxis: es ist eine überaus schlechte Idee, Schaltregler einfach
> mit dünnen Leitungen zu verbinden und dann hinterher Kupfer zu fluten.
> Und: Leitungen, auf denen Strom fließt (alles, was zu Cin, L, und Cout
> führt) müssen "so breit und kurz wie möglich" ausgeführt werden.
Lu schrieb:
> Dicke Masseverbindungen sind auch
> oft nützlich.
Ich hoffe ich lerne dazu, im Hobby Bereich habe ich dann nicht so viele 
Lerniterationen (man hat ja auch noch andere Beschäftigungen). Ich sehe 
das Beispiel im Datenblatt und versuche es nachzubilden weil ich gelesen 
habe dass alles andere bei Schaltregern potentiell unerwartet schief 
geht. Aber 1:1 klappt das nicht, da ich größere handlötbare Bauteile 
verwende. Und da meine Massefläche nur auf der Top-Layer liegt, die 
Bauteile aber auf Bottom, wollte ich eben eine bessere Anbindung 
erreichen und habe 3 Vias gesetzt. Angenommen es wäre eine 4-Lagen 
Platine, dann müsste ich doch auch irgendwie per Vias auf die innen 
liegenden VCC und Masseflächen kommen?

[Mani W. (e-doc)]

Schaut irgendwie aus wie eine Schleife...

[Rainer W. (rawi)]

Malte _. schrieb:
> Tastkopf, ich habe mal ein Foto angehängt.

Ich sehe dort eine ziemlich große Leiterschleife, die als 
Magnetfeldsonde fungiert und magnetische Felder, verursacht bspw. durch 
Ströme in der Umgebung, empfängt.

> Ich würde die als periodisch alle 15µs betrachten, das wären 66kHz ...

Schaltfrequenz des Wandlers?

[Malte _. (malte)]

Rainer W. schrieb:
> Ich sehe dort eine ziemlich große Leiterschleife, die als
> Magnetfeldsonde fungiert und magnetische Felder, verursacht bspw. durch
> Ströme in der Umgebung, empfängt.
Ok, das war von der Perspektive her ungünstig fotografiert. Ist der Pin 
Header von J1.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Malte _. schrieb:
> Ok, das war von der Perspektive her ungünstig fotografiert.
Immer noch ungünstig: ein beliebiger Massepunkt und eine elendig lange 
Krokoklemmenmasseschleife.

Mach einfach mal einen kleinen Test: lass deine Masseklemme, wo sie 
grade ist, und damnn taste mit dem Tastkopf andere Massepunkte ab. Gerne 
auch mal die Tastkopfspitze direkt auf die angeklemmte Krokoklemme 
halten. Ja richtig: "Masse gegen Masse" messen. Du würdest eine gerade 
Linie auf dem Oszi direkt auf dem 0V-Strich erwarten, stimmts? Was 
siehst du stattdessen?

Für solche Messungen nimmt man eine "Massefeder" und die richtige 
"Masse", die zum jeweiligen Messpunkt gehört:
- 
https://www.digikey.de/de/products/detail/cal-test-electronics/CT3668/5029188
- 
https://www.elektroniknet.de/messen-testen/oszilloskope/das-geht-auch-mit-dem-oszilloskop.168702.html

[Rainer W. (rawi)]

Malte _. schrieb:
> Ok, das war von der Perspektive her ungünstig fotografiert.

Das ändert aber nichts an der riesigen Leiterschleife.
Bei deinem Tastkopf sollte als Zubehör eigentlich eine Massefeder dabei 
sein.

[Mani W. (e-doc)]

Lothar M. schrieb:
> Gerne
> auch mal die Tastkopfspitze direkt auf die angeklemmte Krokoklemme
> halten. Ja richtig: "Masse gegen Masse" messen.

So haben wir früher(tm) 27 und 40MHz Sender auf Maximum gestellt,
die Schleife wurde über den Ferritstab gelegt...

Die Sender waren für Torantriebe von Chamberlain...

[Malte _. (malte)]

Lothar M. schrieb:
> Mach einfach mal einen kleinen Test: lass deine Masseklemme, wo sie
> grade ist, und damnn taste mit dem Tastkopf andere Massepunkte ab. Gerne
> auch mal die Tastkopfspitze direkt auf die angeklemmte Krokoklemme
> halten. Ja richtig: "Masse gegen Masse" messen. Du würdest eine gerade
> Linie auf dem Oszi direkt auf dem 0V-Strich erwarten, stimmts? Was
> siehst du stattdessen?
Danke für den Hinweis, stimmt, die "Störungen" sehen bei der Messung an 
der Krokoklemme genau so aus. Danke für die Links, dort stand man soll 
besser mit 1:1 am Tastkopf messen. Damit sieht es gleich aus, aber die 
"Störungen" sind nur noch 1:10 so groß. Somit tue ich die hochfrequenten 
Signale mal als Messfehler ab. Einen Funktionsgenerator um wie 
beschrieben PSSR zu messen habe ich leider nicht. Und hörbar sind die 
niederfrequenten durch den PFM Mode, wo sich der Chip auch so verhält 
wie er soll.

Rainer W. schrieb:
> Bei deinem Tastkopf sollte als Zubehör eigentlich eine Massefeder dabei
> sein.
Eine Massefeder war leider weder beim Oszilloskop noch bei einer 
nachgekauften Probe dabei. Setze ich für die nächste Bestellung mit auf 
die Liste.

Danke allen für die Hilfe.