PowerPlatine Überprüfen

[Florian K. (f-kae)]

Hallo zusammen,

nachdem ich viel Kritik zu meiner Powerplatine in einem vorherigen 
Thread einstecken musste, habe ich nun doch eine neue Version 
hergestellt.

Um gravierende Fehler oder Probleme rechtzeitig zu beheben, wollte ich 
nun gerne eine Meinung zum Layout.

1. Sind die Ground-Polygone (TOP UND BOTTOM) in Ordnung, oder sollte es 
nur ein Ground-Polygon geben, also TOP ODER BOTTOM?

2. Fallen optische Mängel sofort ins Auge?

Ich habe nur Screenshots gepostet, kann natürlich aber auch noch mehr 
posten falls nötig.

Die Platine wird für einen Hexacopter verwendet wobei diese Powerplatine 
von einem LiPo-Akku (MAX 16V) gespeist wird und lediglich eine weitere 
Sensorplatine versorgen soll. Der von den Step-Down Reglern benötigte 
Ausgangsstrom bleibt unter 500mA!
Bevor ich mit Nachfragen bombadiert werde... Ja, ich habe für 3,3V und 
5V jeweils zwei Spannungsregler vorgesehen. Da mir ausreichend Platz zur 
Verfügung stand, wollte ich die RECOM-Spannungswandler als Sicherheit 
vorsehen, falls die MAXIM, widererwartend nicht funktionieren... und ja, 
ich bin mir ganz sicher beide auf der Platine zumindest vorzusehen :)

Gruß,
Florian

[Frankman (Gast)]

Mach doch bitte den Schaltplan mit dazu

[Florian K. (f-kae)]

Frankman schrieb:
> Mach doch bitte den Schaltplan mit dazu

PNG oder doch Eagle-Files?

[Frank M. (frank_m35)]

Beim kurzen drüber schauen sieht es schon recht gut aus.

Dennoch habe ich ein paar kleine Fragen vornweg:
Warum willst du immer beidseitig bestücken, zumal du nur eine zweilage 
Platine benutzt, somit zwischen Top und Bottom kein GND zur Abschirmung 
haben kannst, was bei beidseitiger Bestückung sicherlich vorteilhafter 
wäre.
Warum willst du solche überdimensionierte Spannungsregler verwenden? Im 
anderen Thread habe ich dir einen vorgeschlagen der deutlich einfacher 
handzuhaben ist und mehr als ausreichend sein sollte.
Um 3.3V zu erzeugen könntest du auch einfach, falls nur wenig Strom bei 
3.3V verwendet wird, einen Linearregler nach dem 5V Spannungswandler 
schalten wodurch du deutlich weniger Schaltungsaufwand hättest und auch 
eine deutlich glattere Spannung. Das wäre immernoch eine Effizienz von 
66%, bei einem Spannungswandler hast du zwar ca. 80%, wenn aber nur 
100mA verbraucht werden ist das vernachlässigbar im Vergleich zum 
restlichen Verbrauch des Systems.

[Frank M. (frank_m35)]

Zusatz:
Du verwendest einen externen ADC um die Akku-Spannung zu überwachen.
Mal davon abgesehen, dass die Kapazität eines Akkus sich kaum durch die 
Akkuspannung zuverlässig bestimmen lässt und du auch noch den Strom 
messen solltest um die entladene Kapazität zu bestimmen, und auch davon 
abgesehen, dass dein uC drei 12-Bit ADC Eingänge schon besitzt, somit du 
keinen externen ADC benötigen würdest (sofern du die ADC Pins nicht 
anderweitig verwendest), ist der Eingang normalerweise viel zu hochohmig 
(100kOhm) um vernünftige Messergebnisse zu erhalten. Vermutlich steht im 
Datenblatt des ADC etwas darüber damit du auch die Auflösung und 
Samplerate die der ADC theoretisch liefern kann in der Realität auch 
erhälst.

[Florian K. (f-kae)]

Frank M. schrieb:
> Beim kurzen drüber schauen sieht es schon recht gut aus.
>
> Dennoch habe ich ein paar kleine Fragen vornweg:
> Warum willst du immer beidseitig bestücken, zumal du nur eine zweilage
> Platine benutzt, somit zwischen Top und Bottom kein GND zur Abschirmung
> haben kannst, was bei beidseitiger Bestückung sicherlich vorteilhafter
> wäre.
> Warum willst du solche überdimensionierte Spannungsregler verwenden? Im
> anderen Thread habe ich dir einen vorgeschlagen der deutlich einfacher
> handzuhaben ist und mehr als ausreichend sein sollte.
> Um 3.3V zu erzeugen könntest du auch einfach, falls nur wenig Strom bei
> 3.3V verwendet wird, einen Linearregler nach dem 5V Spannungswandler
> schalten wodurch du deutlich weniger Schaltungsaufwand hättest und auch
> eine deutlich glattere Spannung. Das wäre immernoch eine Effizienz von
> 66%, bei einem Spannungswandler hast du zwar ca. 80%, wenn aber nur
> 100mA verbraucht werden ist das vernachlässigbar im Vergleich zum
> restlichen Verbrauch des Systems.

Danke, für die schnelle Antwort. Ehrlich gesagt hatte ich schon 
Schwierigkeiten mit einer zwei seitigen Bestückung, alles vernünftig 
unterzubekommen (ohne Recom-Spannungsregler). Einseitig scheint mir 
aussichtslos!

Die Spannungsregler nutze ich hauptsächlich deswegen, weil mein 
Professor unbedingt verlustarme Spannungsregler und keine Linearregler 
haben wollte. Mit deiner Erklärung hätte ich ihn mit Sicherheit 
überzeugen können, das es keine große Rolle spielt, aber dazu ist es 
inzwischen zu spät.

[Florian K. (f-kae)]

Frank M. schrieb:
> Zusatz:
> Du verwendest einen externen ADC um die Akku-Spannung zu überwachen.
> Mal davon abgesehen, dass die Kapazität eines Akkus sich kaum durch die
> Akkuspannung zuverlässig bestimmen lässt und du auch noch den Strom
> messen solltest um die entladene Kapazität zu bestimmen, und auch davon
> abgesehen, dass dein uC drei 12-Bit ADC Eingänge schon besitzt, somit du
> keinen externen ADC benötigen würdest (sofern du die ADC Pins nicht
> anderweitig verwendest), ist der Eingang normalerweise viel zu hochohmig
> (100kOhm) um vernünftige Messergebnisse zu erhalten. Vermutlich steht im
> Datenblatt des ADC etwas darüber damit du auch die Auflösung und
> Samplerate die der ADC theoretisch liefern kann in der Realität auch
> erhälst.

Oh, ok also ich möchte "nur" die Spannung messen, damit ich ab ca. 
13,5Volt eine akustische Benachrichtigung senden kann, um den Akku vor 
einer zu hohen Entladung zu schützen.
Ich muss halt die Eingangsapnnung auf 3,3V herunter teilen. Dafür der 
Spannungsteiler am Eingang, ist dieser besser mit anderen 
Widerstandswerten zu konstruieren?

Vielen Dank auch für diese Information! :)

[Frank M. (frank_m35)]

Florian K. schrieb:
> Danke, für die schnelle Antwort. Ehrlich gesagt hatte ich schon
> Schwierigkeiten mit einer zwei seitigen Bestückung, alles vernünftig
> unterzubekommen (ohne Recom-Spannungsregler). Einseitig scheint mir
> aussichtslos!
ja, bei deinen verwendeten Spannungswandlern mit den Mega-Spulen wird es 
schwer.
Daher der Vorschlag bspw.
http://www.linear.com/product/LTC3621
zu verwenden, da er einen integrierten Switch hat, mit 1MHz arbeitet und 
somit eine deutlichst kleinere Spule erlaubt, insgesamt mit weniger 
Bauteilen auskommt und man weniger Fehler in der Leiterplatte machen 
kann. Davon kann man auch zwei leicht auf eine Seite packen und muss 
nicht beidseitig bestücken.

Florian K. schrieb:
>Ich muss halt die Eingangsapnnung auf 3,3V herunter teilen. Dafür der
>Spannungsteiler am Eingang, ist dieser besser mit anderen
>Widerstandswerten zu konstruieren?
Ich würde vielleicht noch einen Unity-Gain Stable OpAmp nach dem 
Spannungsteiler und vor den ADC Eingang setzen. (sozusagen ein 
Spannungsfolger)

[Florian K. (f-kae)]

Frank M. schrieb:
> Florian K. schrieb:
>>Ich muss halt die Eingangsapnnung auf 3,3V herunter teilen. Dafür der
>>Spannungsteiler am Eingang, ist dieser besser mit anderen
>>Widerstandswerten zu konstruieren?
> Ich würde vielleicht noch einen Unity-Gain Stable OpAmp nach dem
> Spannungsteiler und vor den ADC Eingang setzen. (sozusagen ein
> Spannungsfolger)

Ich kenne mich mit einem solchen Bauteil überhaupt nicht aus, bzw. hab 
noch nie davon gehört. Für mich ist der genaue Spannungswert garnicht so 
relevant.
Die Spannung ist im vollen Akkustatus 16,8V und ich möchte bei ca. 13,5 
Volt benachrichtigt werden. Ob das jetzt 13,8V oder 13,2V ist, wäre 
dabei nicht so tragisch.
Ist es eine Option die Widerstände auf 16,5 Ohm und 100 Ohm zu 
reduzieren oder fließen dann zu hohe Ströme?

[Dietrich L. (dietrichl)]

Florian K. schrieb:
> Ist es eine Option die Widerstände auf 16,5 Ohm und 100 Ohm zu
> reduzieren oder fließen dann zu hohe Ströme?

Dann rechne mal die Verlustleistung in den Widerständen aus!
Du musst die Werte ja nicht gleich um den Faktor 1000 verkleinern...

Entscheident sind die Fehler, die durch die Restströme von D3 und den 
Eingangsstrom des ADC entstehen.

Gruß Dietrich

[Weingut P. (weinbauer)]

Florian K. schrieb:
> (sozusagen ein
>> Spannungsfolger)

Impedanzwandler?

[Frank M. (frank_m35)]

Florian K. schrieb:
> Ich kenne mich mit einem solchen Bauteil überhaupt nicht aus, bzw. hab
> noch nie davon gehört. Für mich ist der genaue Spannungswert garnicht so
> relevant.
http://www.mikrocontroller.net/articles/Operationsverstärker-Grundschaltungen#Spannungsfolger_.28Impedanzwandler.29
mit bspw. http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21669D.pdf

[Florian K. (f-kae)]

Dietrich L. schrieb:
> Dann rechne mal die Verlustleistung in den Widerständen aus!
> Du musst die Werte ja nicht gleich um den Faktor 1000 verkleinern...
>
> Entscheident sind die Fehler, die durch die Restströme von D3 und den
> Eingangsstrom des ADC entstehen.
>
> Gruß Dietrich

Ja, danke die Rechnung hätte ich vermutlich nicht einmal in den 
Taschenrechner eintippen müssen.

Ich denke 3,3k und 22,6k Ohm sollten dann passen, oder kann ich noch 
etwas tiefer mit den Werten gehen? Die verwendeten Widerstände haben 
eine Nennleistung von 100mW.

[Christian B. (chbalnuweit)]

Fhutdhb Ufzjjuz schrieb:
> Florian K. schrieb:
>> (sozusagen ein
>>> Spannungsfolger)
>
> Impedanzwandler?

Ja, Spannungsfolger = Impedanzwandler.

[Florian K. (f-kae)]

Frank M. schrieb:
> 
http://www.mikrocontroller.net/articles/Operationsverstärker-Grundschaltungen#Spannungsfolger_.28Impedanzwandler.29
> mit bspw. http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21669D.pdf

Vielen Dank, wenn mir jetzt noch jemand bei den Bauteilen und der 
korrekten Verschaltung helfen kann, dann realisier ich es auf diese 
Weise!

Brauche ich so keinen Spannungsteiler mehr?

Wie dimensioniere ich Rx?

Was für eine Diode Dx kann ich hierfür nehmen?

Ist über eine geeignete Wahl von Rx sichergestellt das an V(IN+) keine 
Spannung über 4,3V also (VDD+1V) anliegt?

R4 und C8 sind wieder von der Standardbeschaltung des ADC121C021

[Frank M. (frank_m35)]

Anstelle von Rx und Dx setzt du deinen hochohmigen Spannungsteiler, dann 
sollte es passen. 0.1uF Kondensator an der OpAmp Spannungsversorgung 
nicht vergessen.

Dein ADC lädt einen internen 26pF Kondesator auf und misst anschließend 
dessen Entladezeit.
Das Aufladen sollte recht flott verlaufen um Störungen zu vermeiden. 
Bisher wird er über 100kOhm aufgeladen, wodurch eine gescheite Messung 
nicht funktionieren wird.

Der OpAmp macht nun aus dem hochohmigen Eingang (Spannungsteiler) einen 
niederohmigen Ausgang, wodurch er den Kondensator im ADC sehr schnell 
aufladen kann, daher hat hier jemand auch den Begriff 'Impedanzwandler' 
erwähnt.


Zu deiner Schaltung generell:
Die Ausgangsspannung sollte nach den Kondensatoren abgenommen werden und 
nicht zwischen Kondensator und Widerstand.
Deine Eingangs-Elektrolyt-Kondensatoren überlappen sich noch.
Auch sollte alles auf eine Seite der Platine noch gut passen, was 
Störungstechnisch bevorzuzugen wäre, da du dann eine besser 
zusammenhängende GND Fläche hättest. Kaum ein kritisches Bauteil liegt 
wirklich unterhalb eines anderen. Ebenso stelle ich es mir einfacher vor 
zu routen und auch nacher zu bestücken und durchzumessen.
C1 liegt ein bisschen arg dicht an dem Befestigungsloch.

Ansonsten fällt mir momentan nichts weiter auf.

[Florian K. (f-kae)]

Vielen Dank für die Erklärung und deine Hinweise!

Brauche ich die Diode D3 nun überhaupt noch?

Du meintest den (Hochohmigen-)Spannungsteiler mit 100k und 17,55k, oder?

Passt die Verschaltung so? Das Layout würde ich gleich nochmal posten.

[Florian K. (f-kae)]

Hier auch noch einmal die Layouts.

Macht die Spannungsführung auf diese Weise, einen wirklichen 
Unterschied? Also der Abgriff hinter dem Kondensator (C1 und C108) 
anstatt "vor".

Ach ja und den MCP6041 gibt es in zwei Varianten, welche sollte ich 
wählen?

http://de.mouser.com/ProductDetail/Microchip-Technology/MCP6041T-I-OT/?qs=sGAEpiMZZMtCHixnSjNA6N5WMYiF%252b1minttTbZ5KbGk%3d

http://de.mouser.com/ProductDetail/Microchip-Technology/MCP6041T-E-OT/?qs=sGAEpiMZZMtCHixnSjNA6CNtDM%252bKVid48trYKNQYty4%3d

[Frank M. (frank_m35)]

Einen merklichen Unterschied merkt man wahrscheinlich nicht, aber 
schaden tut's auch nicht, und so ist es eben die logisch sinnvollere 
Lösung. So einen großen Schlenker hätte ich nicht gemacht, sondern nur, 
dass die Leiterbahn eben am Pin des Kondensators wieder abgenommen wird.

Im Datenblatt des OpAmp steht wofür die Bezeichnungen stehen.

Nun kannst du noch D100 zu top, parallel dicht zu C7 setzen, das Via das 
dann im Weg ist eben ein bisschen zu D1 rücken.
Den gesamten 5V Part auf der linken Seite um 180 Grad drehen und nach 
top holen. Die Leiterbahnen des ADC Teils einheitlich dünn (12 oder 16 
mil, was du halt auch für deine anderen 'stromlosen' Leiterbahnen 
verwendet hast), wodurch du die Bauteile weiter aneinander rücken kannst 
und auch nach Top holen kannst, an der Stelle an der sie jetzt eben auch 
sind, etwas kompakter, dichter am Stecker. Wenn du die Recom weiter nach 
oben schiebst hast du sogar massig Platz. Den oberen Recom um 180 Grad 
drehen, die beiden dazugehörigen Kondensatoren auch nach Top holen und 
einmal unterhalb, sowie beim oberen oberhalb platzieren.
Den Verpolungsschutz auch nach Top holen und seitlich vom Stecker 
platzieren.
Und schon sind alle Bauteile auf Top, selbst mit den 
Monster-Step-Down-Wandlern die du verwendest.

Du hast teils VIAs drin die nur da sind um eine Masse-Insel auf Top 
erzeugen zu können, die würde ich weg lassen. In Eagle halt Orphans auf 
Off stellen. So z.B. das Via oberhalb dem SCL Pin, rechts von R5 ist 
auch unnötig, da der Steckerpin das schon erledigt. Das Via links von R5 
zwischen R3 und D3 setzen, dafür ist es ja da. Genauso ist das Via 
oberhalb vom GND Pin des Steckers unnötig, die Durchkontaktierung wird 
ja schon vom GND Pin übernommen,


Aber wie schon gesagt, der Spannungswandler Teil sieht nun 
Zusammenhängend aus und dürfte dir eigentlich keine Probleme mehr 
bereiten.

Stell halt sicher dass du Low ESR Elektrolyt-Kondensatoren und ebenso 
auch hochwertige Tantalkondensatoren benutzt, von denen du doch einige 
verwendest.
Aufgrund der niedrigen Schaltfrequenz des Buck-Converters wereden eben 
leider recht große Werte bei den Kondenastoren und Spulen verlangt, 
wodurch es eben recht globig wird.

[Florian K. (f-kae)]

Vielen, vielen dank nochmal an alle (kann ich nur immer wieder sagen)!

Nach deiner (Frank M.) ausführlichen und konkreten Anweisung habe ich 
nun doch noch alle Bauteile auf TOP gelegt.

Ich hoffe nun habe ich alle wünschenswerten Aufgaben umgesetzt. :)

Im Maxim-Datenblatt über dessen Layout werden konkrete Bauteile benannt, 
ich habe mich sehr genau an diese Bauteile gehalten, insofern sollte es 
in der Hinsicht nicht zu unerwünschten Problemen kommen.

Ich werde berichten was die Platine für Ergebnisse erzielt!

[hmmm (Gast)]

Unter den Spulen sollte das Kupfer auf beiden Seiten weg.
Masse DK's könnte dein Board noch vertragen.
Div. Optimierungen im Kupfer wären noch möglich.

Lg

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Florian K. schrieb:
> Nach deiner (Frank M.) ausführlichen und konkreten Anweisung habe ich
> nun doch noch alle Bauteile auf TOP gelegt.

Im Vergleich mit deiner vorigen Platine (I2C Kommunikation...) liegen da 
Welten dazwischen, das sieht schon sehr gut aus. Das du alle Bauteile 
TOP gemacht hast, hat nun den Vorteil, das du gleichzeitig auf BOTTOM 
grosszügige GND Polygone und dicke Vcc legen kannst. Als Abschirmung 
gegen RF-Störungen eines etwaigen HF-Empfängers hat das grosse Vorteile.
wie 'hmmm' schon sagte, können ein paar Vias vor allem rund um die SMPS 
Controller nicht schaden. Apropos RF-Störungen: Die Schaltwandler ziehen 
natürlich pulsartig auf Vcc. Wenn du wirklich HF-Receiver an Bord 
betreibst, könnte es noch nötig werden, die Schaltwandler auf der 
Primärseite über eine Drossel zu speisen, um Störungen vom 15-Volt Netz 
fernzuhalten. Evtl. siehst du eine solche vor, und falls sie nicht nötig 
sein sollte, leg einfach eine Drahtbrücke.

[Frankman (Gast)]

Hm...
Irgendwie hab ich die Sorge, das bei den Schaltreglern Elkos nicht die 
richtige Wahl sind.

Und ( Ich hab echt nur ganz kurz drübergeschaut) - Ist der externe 
Mosfet richtig rum drin?

[L. P. (lpg)]

Frankman schrieb:
> Hm...
> Irgendwie hab ich die Sorge, das bei den Schaltreglern Elkos nicht die
> richtige Wahl sind.

Im MAX1744 Evaluation Kit sind auch Elkos drin. Es müssen allerdings 
LowESR Typen sein.

Frankman schrieb:
> Und ( Ich hab echt nur ganz kurz drübergeschaut) - Ist der externe
> Mosfet richtig rum drin?

Ja, ist richtig drin!

Evaluation Kit:
http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX1744EVKIT-MAX1745EVKIT.pdf

lgl

[Frank M. (frank_m35)]

Das sieht richtig gut aus.

Was für eine Spule verwendest du eigentlich? Achte darauf eine 
geschirmte zu verwenden!
Dem Tip GND unter der Spule raus zu holen würde ich mich anschließen, 
zumindest auf der Top seite. (kann aber auch sein, es macht Sinn auf der 
Bottom Seite ebenfalls, das weiß ich nicht, habe ich bisher nie gemacht)

Das Via unter der Spule würde ich rechts von D5 setzen und Vin 
dementsprechend ein bisschen nach oben verschieben. Das selbe natürlich 
mit dem anderen Spannungswandler.

Generell könntest du temporär das Top GND Polygon entfernen und dann die 
daraus entstehenden offenen GND Verbindungen versuchen durch VIAs 
möglichst direkt mit der Bottom GND Plane zu verbinden.

Ansonsten wünsche ich dir viel Erfolg, dass es dann hoffentlich dein 
ursprüngliches Problem behebt, es sieht zumindest vielversprechend aus 
:-)

[Florian K. (f-kae)]

So ich weiß zwar nicht ob es üblich oder sinnvoll ist aber ich möchte 
mich an der Stelle noch einmal bei allen bedanken!

Die Platine ist in der Zwischenzeit in der Produktion gewesen und 
anschließend von mir bestückt worden. Es funktioniert nun alles 
exzellent! Ich habe lediglich die Maxim Step-Down Regler aufgelötet und 
sie funktionieren einwandfrei! Genauso läuft die Spannungsüberwachung 
momentan zumindest wie sie soll. :D

Super wie einem hier geholfen wird :)

Gruß,
Florian

[L. P. (lpg)]

:)

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Florian K. schrieb:
> ich weiß zwar nicht ob es üblich

Ist leider oft nicht üblich - deswegen umso schöner, wenn man mal eine 
Rückmeldung hört, vor allem, wenn dann noch alles so funktioniert. 
Gratuliere!

[Frank M. (frank_m35)]

Sehr schön zu hören, dass nun alles wie gewollt funktioniert. Dann 
wünsche ich dir noch viel Erfolg bei deinem Projekt.