Spannungsgewitter loswerden beim Einstecken von USB

[Jan R. (janra)]

Moin,
meine jüngste Bastelei hat als Herz einen Low Power Micro von ST 
(STM32), der von einer 3-V-Knopfzelle gefüttert wird.

Zudem hat die Schaltung einen USB-Port, über den ich u.a. auch die 
Batterie entlasten möchte, während ich mit dem USB Daten mit dem µC 
austausche. Dafür habe ich eine kl. Weiche gestrickt (s. Schaltbild).

Diese Weiche geht auch fast wie gewünscht, jedenfalls mit langsamem Auge 
betrachtet. Wenn ich den Oskar dranhalte und dann das USB-Kabel 
reinstecke, sieht das häufig aus wie im OsziGramm. Blau: 5 Volt vom USB 
minus 0,3 Volt der Schottky-Diode. Gelb: schon etwas abgesackte 
Batteriespannung.

Das ganze ist aktuell noch fliegend aufgebaut mit zu langen Strippen, 
was die schnellen Transienten sicher nicht besser macht. Im Moment 
erwarte ich mit diesem Aufbau, dass der µC in der Schaltung auch mit 
richtiger Platine und kurzen Leiterbahnen öfters abstürzt, wenn der 
Stecker rein- oder rausgeht. Wie macht man das denn richtig? Meine Suche 
hier ergab bisher leider nichts Hilfreiches.

VG, Jan.

[Stefan F. (Gast)]

Du hast da einen fatalen Denkfehler. Du gehst einfach davon aus, dass 
die Diode und der Transistor exakt im selben Moment nahtlos umschalten. 
Das tun sie aber nicht.

Die Diode lässt die 5V mit Sicherheit schneller durch, als der 
Transistor abschaltet. In diesem Moment hast du einen Kurzschluss, der 
nur durch den Innenwiderstand der Batterie abgeschwächt wird.

Wenn du das USB kabel abziehst, wird der Transistor noch viel langsamer 
wieder einschalten und dadurch eine Versorgungslücke auslösen.

Nimm besser zwei Dioden:

3V o---|>|-----+
               |
5V o---|>|-----+-------o Ausgang

[Jan R. (janra)]

Diese (einfachere) Schaltung hatte ich auch im Sinn, bevor ich zu der 
mit dem Mosfet überging. Ich sehe in der oberen Diode den Nachteil, dass 
diese mir von den 3 V mal mind. 0,3 V klaut. Der Mosfet hat ja viel 
weniger Spannungsabfall an der DS-Strecke.

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

Jan R. schrieb:
> Wenn ich den Oskar dranhalte und dann das USB-Kabel reinstecke
Und wie und wo ist da die Masse vom Oszi angeschlossen?
Oder andersrum: miss doch mal einfach ein paar "andere" Massestellen 
deiner Schaltung im "Umsteckmoment"...

Stefan U. schrieb:
> Die Diode lässt die 5V mit Sicherheit schneller durch, als der
> Transistor abschaltet. In diesem Moment hast du einen Kurzschluss, der
> nur durch den Innenwiderstand der Batterie abgeschwächt wird.
Das ist nicht so schlimm.

> Wenn du das USB kabel abziehst, wird der Transistor noch viel langsamer
> wieder einschalten und dadurch eine Versorgungslücke auslösen.
Die Body-Diode des FET wird aber genauso schnell leiten, wie eine der 
Dioden deiner Schaltung.

Jan R. schrieb:
> Diese (einfachere) Schaltung hatte ich auch im Sinn, bevor ich zu der
> mit dem Mosfet überging. Ich sehe in der oberen Diode den Nachteil, dass
> diese mir von den 3 V mal mind. 0,3 V klaut. Der Mosfet hat ja viel
> weniger Spannungsabfall an der DS-Strecke.
Trotzdem musst du den Mosfet erst mal zum Leiten bringen. Bis dahin 
wirkt nur die Body-Diode...

[Jan R. (janra)]

Lothar M. schrieb:
> Jan R. schrieb:
>> Wenn ich den Oskar dranhalte und dann das USB-Kabel reinstecke
> Und wie und wo ist da die Masse vom Oszi angeschlossen?

Hm ja, leider über den Std.-Tastkopf mit seiner Krokoklemme und den 10 
cm Kabel dran.

> Oder andersrum: miss doch mal einfach ein paar "andere" Massestellen
> deiner Schaltung im "Umsteckmoment"...

Guter Punkt. Ich versuche gleich mal Variationen. Und mit viel kürzerer 
Masseleitung am Tastkopf.

[Stefan F. (Gast)]

> Die Body-Diode des FET wird aber genauso schnell leiten
Ach ja, die habe ich vergessen.

>> In diesem Moment hast du einen Kurzschluss,
> Das ist nicht so schlimm.

Ich vermute, dass er die Schwingung auslöst.

[Jan R. (janra)]

Jan R. schrieb:
> Lothar M. schrieb:
>> Jan R. schrieb:
>>> Wenn ich den Oskar dranhalte und dann das USB-Kabel reinstecke
>> Und wie und wo ist da die Masse vom Oszi angeschlossen?
>
> Hm ja, leider über den Std.-Tastkopf mit seiner Krokoklemme und den 10
> cm Kabel dran.
>
>> Oder andersrum: miss doch mal einfach ein paar "andere" Massestellen
>> deiner Schaltung im "Umsteckmoment"...
>
> Guter Punkt. Ich versuche gleich mal Variationen. Und mit viel kürzerer
> Masseleitung am Tastkopf.

Hallo Lothar,
Deine Tips sind echt Gold wert hier. Ich habe den Tastkopf nun ohne 
Masse-Kroko, dafür mit einer dieser kl. runden Stahlfedern als Masseende 
an den Meßpunkt gehalten, der im OP den blauen Kurvenverlauf nahm. Jetzt 
ist der ganze hochfrequente Dreck raus, meine Zeitbasis ist Faktor 1000 
langsamer und im Oszigramm ist nun das typ. Steckverhalten zu sehen, das 
ich ein paarmal wiederholt habe und das mit kl. Variationen nun so 
aussieht wie im Screenshot dieses Posts.
Auch wenn ich nur den USB-Stecker-Metallkörper an der Buchse reibe, ist 
nix mehr. Das war vorher schon genug, um den Trigger zu feuern und 
Bilder wie oben zu ergeben.
Also: alles gut! Der Fehler saß vor der Schaltung und den Geräten ;-)

An der Versorgungsspannung für den Micro (im OP die gelbe) ist immer 
noch ein kleiner Einbrecher im Moment des Einsteckens des Steckers (habe 
ich eben nicht mit aufgenommen, weil zu wenige Hände für zweikanalig, 
den Tastkopf mußte ich ja festhalten wegen der fehlenden Clipse und den 
Stecker stecken). Diesen Absacker kriege ich aber locker mit einem C weg 
oder abgeschwächt. Der Controller sollte davon nicht erschrecken oder 
gar in Brown Out gehen.

Vielen Dank zusammen!