Habe eine eigene Platine zum Betrieb meines Raspberry Compute Module 4 entworfen. Ich bringe 24VDC auf das system und Wandle es dann auf 5,15V mittels einem Step-Down namens "AP63300WU-7". Leider pfeift der Step-Down sehr laut und es ist nahezu unaushaltbar, im Umkreis von 3metern an der Platine zu stehen, da der Lärm so penetrant ist.
Meine Platzverhältnisse auf der Platine sind eher eng, weswegen ich auf den oben gennannten Step-Down zurückgegriffen habe, da dieser im gegensatz zu einem LM2596 o.ä. schneller taktet und ich somit weniger Platz für die LC-Filterung benötige.
Nun zu meinem Problem:
Was könnte dazu führen, dass mein Step-Down so laut pfeift? Gemäss Datenblatt ist er für 3A konzipiert, habe aber nur das nackte Compute Module und ein kleines Touchscreen welches ca. 0,75W aufnimmt. Wäre es denkbar, dass durch die tiefe Belastung der Step-Down zu pfeifen beginnt? Oder müsste ich die Ein- oder Ausgangsspannung noch mit zusätzlichen KeKo's filtern? Habe versucht, die Designregeln des Step downs gemäss Datenblatt zu beachten und wenn ich mit dem Oszilloskop die Spannung ansehe, dann ist diese relativ stabil bei 5,15V.
Im Anhang befinden sich Datenblatt und Bilder meiner Schaltung, bin froh um eure Hilfe, da ich mich nur begrenzt in diesem Thema auskenne.
Deine beiden Layouts unterscheiden sich. Welches verwendest du denn? Die Anbindung von Masse sieht im Datenblatt deutlich besser aus.
Welche Schaltfrequenz, welche Spule und welche Kondensatoren verwendest du? Die Spule muss den Strom können und die Kondensatoren müssen auch bei der Spannung noch die Kapazität haben. Thermals würde ich vermeiden.
Und sonst mal messen mit dem Oszi. Wie sieht die Ausgangsspannung aus? Bricht die Eingangsspannung ein?
Ist der LDO dahinter bestückt? Der kann auch schwingen.
Keramikkondensatoren mit 6.3V max haben bei 5V nur noch einen eher kleinen Teil ihrer Kapazität.
Als Faustregel empfehle ich welche mit mindestens der doppelten Spannung zu nehmen. Hier sollten laut Datenblatt am Ausgang 2 x 22uF reichen. Aber dann eben mit 16 V Nennspannung.
Was genau meinst du damit? Wo hätte diese bei mir besser sein sollen?
Naja im Datenblatt sind deutlich mehr Vias gezeichnet. Und dann fließt ja immer der Strom auf der Masse zurück. Da sollten also beide Versorgungsleitungen schön zur Last gehen.
Und dann zu den Ausgangskondensatoren:
Die sollten im Strompfad liegen damit der Strom an den Anschlüssen der Kondensatoren vorbei muss, also über deren Pads fließt. Hier fließt der Strom vom Switchpin durch die Spule nach oben im Bild zur Last. Die Filterkondensatoren sind aber unten im Bild und so wenig effektiv.
Was meinst du mit Thermals? meinst du die Vias? sorry für mein Fehlende
Fachkundigkeit
Macht nichts. Thermals ist die Anbindung von Pads über mehrere dünne Leitungen. Das lässt sich dann besser löten. Aber wenn man mit Heißluft lötet dann kann man Thermals weglassen und die Pads schön flächig anbinden.
Keramikkondensatoren mit 6.3V max haben bei 5V nur noch einen eher
kleinen Teil ihrer Kapazität.
Nicht nur, sondern biegen sich stärker durch als welche mit 50V. Es entsteht dabei ein Mix an allen möglichen Oberwellen und vielen Seitenbändern, auch hörbaren.
Als Drossel empfiehlt sich mehr an Induktivität zu wählen, weil bei Tastverhältnissen von rund 25% oder weniger (5,2V/24V=21,x%) läuft die Regelung schmutzloser. Sowas wie, MHCC10040-8R2M-R7 um bei Deiner pdf zu bleiben.
Danke für die Antworten. Welche Step-Downs hast du denn jeweils so verwendet? Möchte auf eine relativ exakte Spannung wandeln und mein verwendeter Step-Down hat 1% toleranz und ca. 0.1V spannungseinbruch von 0...2A.
Das Problem tritt interessantweise viel Stärker in meiner Schule auf, zuhause hingegen viel weniger. Kann es sein, dass die Störungen vom Netz/Netzteil kommen? Die Schule ist ein altes Industriegebäude. Habe dort auch ein leicht anderes Netzteil zum testen genommen
Ja das mit der mechanischen Verfolgung stimmt.
Vielleicht auch die Lötstellen nochmal angucken ob die auch schön flächig festgelötet sind. Bei SMD wird manchmal nur der Rand gelötet wenn man nicht lange genug heiß macht oder zu wenig Flussmittel verwendet. Dann ist das Zinn eher wie Fugensilikon nur am Rand aussen rum aber nicht drunter geflossen. Ob da gut gelötet war sieht man wenn man das Bauteil abreißt. Aber das will man vermutlich nicht tun beim Einzelstück.
Bei der Induktivität würde ich am Datenblatt bleiben.
Liefert dein Netzteil genug Strom? Bricht die Eingangsspannung ein? Ist auf der Eingangsspannung ein großer Ripple? Kannst du messen.
Ja ich verwende schon auch Schaltregler aber eigentlich muss ich immer von 5 V runter auf 1.0 V oder 1.8 V oder so. Ich tendiere zu hohen Schaltfrequenzen und kleinen Bauteilen. Da bekommt man die Stromschleife schön kompakt gelayoutet. Und ich halte mich möglichst 1:1 ans Layout und die Bauteile im Datenblatt/Evalboard. Bin damit bisher gut gefahren.
Habe eine neue Erkenntnis erlangt:
Dimme mit meiner Platine ein LED-Band, welches an der 24V versorgungsspannung hängt. Dies ist der Grund, weshalb das pfeifen in meinem Testaufbau in meiner Schule viel stärker war als zuhause, da ich dort auch mehr LED-Band verwendet habe. Denke also, dass die Störungen vom 24VDC-Netz kommen. Werde mal ein wenig rummessen und wäre dann froh um mögliche Behebung für das Problem. Habe mal von Gleich- und Gegentaktstörungen gehört, passt eines dieser Stichworte zu meinem genannten Problem?
Danke
Moment, das LEDBand will 24 V und du gibst dem dann 5 V? Sind das denn LEDs die man so dimmen kann?
Naja erstmal messen mit dem Oszi, gerne auch hier Bilder posten so mit Skala von Oszi. Und dann gucken wir was das Problem ist. Die Eingangsspannung sollte schön glatt sein.
Moment, das LEDBand will 24 V und du gibst dem dann 5 V? Sind das
denn
LEDs die man so dimmen kann?
Naja erstmal messen mit dem Oszi, gerne auch hier Bilder posten so mit
Skala von Oszi. Und dann gucken wir was das Problem ist. Die
Eingangsspannung sollte schön glatt sein.
Nein, betreibe das LED-Band mit 24V, steuere es über meinen Raspberry mittels PWM-Signal an. Der Step-Down pfeift bei ca. 50% dutycycle am stärksten. Wenn ich das LED-Band zuschalte und dimme, dann ist die welligkeit der 24V deutlich stärker. Habe zwei Fotos angehängt: 1x mit dimmen und 1x ohne.
P.S. habe den 0-Punkt des Oszilloskop unter den sichtbaren bereich geschoben damit ich bei den 24V weiter reinzoomen kann. Habe an den Kondensatoren C7-1,C7-3,C7-4,C7-5,C7-6 gemessen.
Habe aus Jux mal einen 100uF @63V Supercap vor den Spannungswandler gesetzt. Das pfeifen ist nahezu verschwunden:) Ist das die "saubere" art, das Problem zu beheben? also einen grösseren Kondensator davorzusetzen? Oder muss ich da was spezielles beachten?
Ok, also 24 V gehen zu den LEDs und zum Stepdown und vom Stepdown geht das zum Raspberry Modul. Und von dort geht etwas zu den LEDs?
Und wie ist die Masse von dem Raspberry und die (Minuspol) von den LEDs angeschlossen? Fließt da vielleicht ein Strom zwischen Raspberry Modul und LEDs?
Habe aus Jux mal einen 100uF @63V Supercap vor den Spannungswandler
gesetzt.
Naja für einen Supercap ist das eher klein. Aber ja das passt schon so. Vor allem hat ein Elko eine höhere ESR, das kann da vorteilhaft sein. Kannst auch noch einen zweiten dazutun. Der Ripple auf dem 24 V sollte dadurch auch deutlich kleiner geworden sein.
Begrenzung der Ladestromspitzen des Bootstrap caps, würde ich drin lassen für störungsarmen Betrieb. Musste ich schon mal in einen step down nachträglich ein designen - in der Appnote gabs den nicht. Ansonsten, wenn der Regler hörbar pfeift, ist die Regelung instabil und Du findest die Pfeiffrequenz als ripple hinter der Speicherdrossel wieder.
Der Step-Down pfeift bei ca. 50% dutycycle am stärksten.
Bei 24 auf 5V duerfte das Taktverhaeltnis nur bei grossen Lastleistungsspruengen im us-Bereich auftreten.
22% waere normal und 5% mehr wuerden unter 1ms ein Stromdelta von 2A nachregeln.
Habe aus Jux mal einen 100uF @63V Supercap vor den Spannungswandler
gesetzt.
Naja für einen Supercap ist das eher klein. Aber ja das passt schon so.
Vor allem hat ein Elko eine höhere ESR, das kann da vorteilhaft sein.
Kannst auch noch einen zweiten dazutun. Der Ripple auf dem 24 V sollte
dadurch auch deutlich kleiner geworden sein.
Bedeutet besseres ESR = tieferer Innenwiderstand in meinem Fall? Möchte den Supercap nur ungern drin lassen, da dieser RIESIG ist. Gehen auch 10x weitere 10uF KeKo's, von welchen ich schon 5stk. vor dem Step-Down verschaltet habe? Oder müssen es ElKo's sein? Oder hat es auch mit der Frequenz meiner "rauschenden" eingangsspannung zu tun?
Oder hat es auch mit der Frequenz meiner "rauschenden" eingangsspannung
zu tun?
Der Step-Down schwingt dadurch. Die Keramik 4xidentisch schwingt und
bringt Piezzoeffekte mit ein.
47uF Low ESR sollte auch gehen.
Also meinst du, die Kondensatoren C7-1,C7-3,C7-4,C7-5,C7-6 am Eingang vollständig wegzulassen und anstelle ca. 4-5x 47uF Low-ESR nehmen? Oder wie genau meinst dus?
Schmeiss mal einen Keramik c7-5 raus und setze einen 47uF Low ESR Elko
rein.
Werde ich morgen mal machen, werde dann berichten. Wäre es gescheiht, auch Ausgangsseitig noch besser zu Filtern? Auch mit ESR-Kondensatoren oder anderen?
Du holst die Spannung zum FB an der falschen Stelle, die muss am Ausgangs Kondensator abgegriffen werden und nicht an der Spule. Wie wurde C2 berechnet?
Warum nimmst Du für die 5V ganz andere Werte der Feedback Widerstände, R3 hat hier 12k im Datenblatt nehmen die 158k, dasselbe gilt für deinen R1. Dein Spannungsteiler ist also viel niederohmiger, somit passt der 47p Kondensator natürlich nicht mehr.
Konnte noch keinen LOW-ESR-Kondensator draufpacken, aber hab mal einen 220uF ElKo draufgetan und das pfeifen war auch schon deutlich besser. Hab noch einen Test mit mehr LED-Bändern gemacht, folglich bricht die Spannung um bis zu 1V ein!! Wie kann ich errechnen, wie ich meine Kondensatoren dimensionieren muss, damit ich dieses Spannungsloch nahezu lückenlos überbrücken kann?
Und wäre es auch Sinnvoll, direkt vor den MOSFET's meiner LED-Strips noch 2-3 low ESR-Kondensatoren hinzupacken? War ja jetzt jeweils nur die Rede von "direkt vor dem Step-Down", aber die Ursache liegt ja beim LED-Band.
Probiere mal die frequenzbestimmenden Teile etwas zu verändern. Das Pfeifen entsteht durch Resonanzen und aus diesem resonierenden Frequenzbereich muss du irgendwie raus.
Wenn da was pfeift, dann schwingt da was mechanisch. Das könnte man auch sehen, wenn man scharfe Augen hat.
Dieses 'mechanische' problem würde ich mit 'mechanischen' Massnahmen angehen. Vielleicht geht ja das PCB in Resonanz, also nimm andere Coil-pads oder versetze die um 90 grad. Vielleicht hilft es den Pfeifgenerator mechanisch freizustellen, alsoVias, aussparungen um diesen. Kühlkörper drauf verschiebt auch die Resonanzgüte, Frequenz ...
Die akustische Quelle des pfeifenden Tones kann man mit einem Stethoskop oder statt dessen hilfsweise auch mit einem Stück passendem Isolierschlauch im Ohr (nicht das Trommelfell durchbohren) genau lokalisieren.
Ich schmeiße noch Mal einen anderen Ansatz in den Raum:
Wenn ich es richtig sehe sind deine Einbrüche in der Spannung ca. 500us auseinander.
1/500us=2kHz ist das deine PWM-Frequenz?
Dann ist es kein Wunder, dass es pfeift. Das liegt mitten im Hörbereich.
Also PWM Frequenz erhöhen auf >20khz o.ä. könnten u.U. helfen.
