Woher weiß ich, wo ich Entkopplungskondensatoren benötige?

Ich baue ein Motortreiberschild für den Arduino. Hier ist der Schaltplan (bitte verzeihen Sie das chaotische Layout):

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Und hier ist das PCB-Layout:

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Ich teste es, indem ich es mit einem Steckbrett verbinde, während ich auf der MCU ein einfaches Verfahren „5 Sekunden lang laufen lassen und dann umkehren“ ausführe, und ich habe einige seltsame Probleme mit dem Entkoppeln von Kondensatoren. Wenn ich sie auslasse, stottert der Motor, anstatt sich reibungslos zu bewegen, vermutlich weil die Stromschiene des Motors abfällt. Ich legte einen 100-uf-Elektrolytkondensator darüber (auf der Platine gezeigt), und es begann reibungslos zu laufen.

Jetzt kehrt der Motor jedoch scheinbar zufällig um, ich nehme an, dass die MCU aus dem einen oder anderen Grund zurückgesetzt wird. Nach dem Mantra "Mehr Kapazität ist besser" installierte ich die zweite Elektrolytkappe zwischen den 5-V- und Erdungsschienen. Jetzt sind wir seltsamerweise wieder bei Schritt 1: Der Motor stottert.

Schließlich fügte ich eine dritte 0,1-uf-Keramikkappe über den Motoranschlüssen hinzu. Plötzlich ist alles in Ordnung: Der Motor läuft rund, und er reversiert, wenn er soll.

Der Schild von Adafruit scheint das Problem zu lösen, indem er einfach viele Kappen, sowohl Elektrolyt- als auch Keramikkappen, auf das Problem wirft. Wie Sie sehen können, habe ich leider nur begrenzt Platz auf der Leiterplatte, daher kann ich mir das nicht leisten. Ich könnte den Cargo-Cult-Ansatz verfolgen und sagen "es funktioniert jetzt, großartig" und aufhören, aber ich würde lieber verstehen, was es ist, das jedes dieser Symptome verursacht hat, und was ich tun sollte, um sicherzustellen, dass sie nicht auf dem auftreten echtes Brett.

Die erste Antwort auf diese Frage beantwortet die meisten meiner offensichtlichen Fragen zur Kapazität, aber ich habe noch ein paar verbleibende:

  • Ist die 100u- und 0,1u-Kappe zwischen der 5-V- (Logik-) Schiene und Masse, die der Schild von Adafruit hat, notwendig? Das Entfernen auf meinem Steckbrett scheint keine Wirkung zu haben.
  • Benötige ich die 0,1-u-Keramikkappen sowohl über der Motorschiene am H-Brückeneingang als auch direkt über den Motoranschlüssen?

Bearbeiten: Ich habe den Schaltplan und das PCB-Layout mit den vorgeschlagenen Positionen der Kappen aktualisiert, basierend auf den Ratschlägen derjenigen, die freundlich genug sind, um meine Frage zu beantworten.

Ich glaube nicht, dass es sich um ein exaktes Duplikat handelt, aber in der Antwort von @stevenvh finden Sie nützliche Informationen. Ich könnte immer noch Ratschläge gebrauchen, welche Kappen wo in meinem Fall notwendig sind - brauche ich zum Beispiel eine Elektrolytkappe pro Motor oder reicht eine 100u-Kappe für beide? Welche Auswirkungen hat es, die Kappe vor oder nach der H-Brücke zu platzieren?
Wenn ich darüber nachdenke, beantwortet dies die meisten meiner Fragen und macht das Design von Adafruit viel klarer. Ich werde meine Frage aktualisieren, um meine verbleibenden Fragen widerzuspiegeln.
Sie können direkt auf die Antwort auf eine Frage verlinken. Wenn Sie den Mauszeiger über die Antwort bewegen, wird editIhnen die Beitrags-ID der Antwort angezeigt. An die URL der Frage anhängen: <Frage-URL>/<Beitrags-ID>#<Beitrags-ID>. (Ich weiß nicht, warum Sie es zweimal hinzufügen müssen, aber es scheint notwendig zu sein)
WAHR. Sie können auch einfach auf "Link" neben der Antwort klicken - ich habe es einfach versäumt. :)
Hey, das ist mir noch nie aufgefallen link! :-) Ich wusste , dass es einen besseren Weg geben musste
Auf diesem Board hast du jede Menge Platz! Wechseln Sie einfach zu SMD-Teilen: Ihr ATtiny ist 1" x 0,3", es könnte 1/2" x 3/8" mit einem SOIC-Teil oder nur 0,15" x 0,15" in QFN sein. Auch wenn Sie dies aus Gründen der Lötbarkeit nicht möchten, helfen 0805-Keramikkappen bei der Lösung Ihres Problems, und Sie haben immer noch genügend Platz dafür.
@Federico Russo Es verwirrt mich immer, wenn einige "Mögliches Duplikat von" eingeben. Wenn jemand dafür stimmt, als Duplikat zu schließen, fügt er automatisch einen solchen Kommentar ein.
@Kevin Vermeer Ich bin an dem Punkt angelangt, an dem ich mich selbst für grundlegende Dinge für die Oberflächenmontage entscheiden muss. Es ist so viel einfacher zu löten, besonders auf Platinen ohne durchkontaktierte Löcher.
@Kellenjb: Ich habe diese Formulierung verwendet, weil ich sie schon einmal gesehen habe. Ich habe nicht genug Vertreter, um für das Schließen zu stimmen, daher wusste ich nicht, dass der Kommentar automatisch hinzugefügt wird.
Ich denke nicht, dass dies als Duplikat geschlossen werden muss. Sie sind sehr ähnliche Schaltungen, aber diese fügt die wichtige Frage der Kapazität auf der Motorschiene selbst hinzu. Außerdem hat dieser einen Schaltplan, und ich würde es hassen, die maßgebliche Frage für dieses Problem noch ohne Schaltplan zu haben.
@Nick - Es kann hilfreich sein, wenn Sie Ihren Schaltplan aktualisieren, um die potenziellen Positionen der Entkopplungskappen hervorzuheben.
@Federico Ich versuche, SMD zu vermeiden. Ich habe es jedoch geschafft, es zu überarbeiten, um Keramik an relevanten Stellen zu haben - ich werde den Schaltplan aktualisieren.
Ich habe den Schaltplan und das Layout mit vorgeschlagenen Kappenplatzierungen aktualisiert.
@Nick - Danke für das Update! Warum versuchen Sie, SMD zu vermeiden? Sie könnten sogar riesige Sachen bekommen, wie 1206, die viel einfacher zu löten sind als Durchgangslöcher, selbst auf Größenbasis. Die Leitungen an einer Keramikkappe fügen Induktivität hinzu, sodass es nicht so gut funktioniert.
@Kevin Angst vor dem Unbekannten? Ich werde es bei meinem nächsten Projekt versuchen, aber ich bin schon weit genug, dass ich es hier lieber nicht versuchen möchte. :)

Antworten (3)

Alle digitalen ICs sollten Entkopplungskappen zwischen ihren Strom- und Massestiften haben. Diese sollten aus Keramik sein und physikalisch so nah wie möglich am IC sein. Sie möchten die Schleifenlänge vom Stromversorgungsstift über die Kappe zum Erdungsstift durch den IC und zurück zum Stromversorgungsstift minimieren.

Entkopplungskappen befassen sich mit kurzfristigen Stromspitzen, die der IC zieht. Sie müssen daher hochfrequent sein. Eine große Kapazität ist nicht erforderlich, und da große Kondensatoren normalerweise einen schlechten Hochfrequenzgang haben, sind sie schlechter. Eine 100-µF-Elektrolytkappe ist zum Entkoppeln ziemlich nutzlos. 1µF bis 100nF Keramik ist gut.

Was die Kappe am Motor betrifft, ist die Idee gut, aber ich denke, 100 nF sind zu groß. Dies könnte dazu führen, dass bei jedem Schalten übermäßiger oder unnötiger Strom in der H-Brücke fließt. Wenn Sie die Motorrichtung nur gelegentlich umkehren, ist dies keine große Sache. Wenn Sie die H-Brücke verwenden, um den scheinbaren Motorantrieb mit PWM zu modulieren, sollten Sie die Kappe senken. Etwas wie 1 nF sollte immer noch die Geräusche des Motors reduzieren, ohne das Schalten zu behindern.

Wie entscheiden Sie, wie groß die Motorentkopplungskappen sein sollten - Faustregel? Ist die Antwort anders, wenn ich zwischen Masse und jeder Motorleitung entkoppele und nicht zwischen den beiden Motorleitungen (und wie soll ich zwischen diesen Optionen wählen)?
@Olin - Der 100uF-Elektrolyt ist zwar zum Entkoppeln unbrauchbar, aber er (und die aus ähnlichen Gründen verwendeten Tantalkappen) sind aus anderen Gründen nützlich. Eine 0,1-uF-Kappe kann das Hochfrequenzmaterial verarbeiten, das an die Stromleitungen gekoppelt wird (und daher entkoppelt werden muss), kann jedoch nicht die langfristigen Energiespitzen verarbeiten, die die größeren Kappen absorbieren.
@Nick - Sie können auf drei Arten entscheiden: (1) Faustregel - siehe Beiträge von Steven und Rocket oder Johnsons Handbuch der schwarzen Magie (2) Durch das Verständnis der Funktionsweise von elektromagnetischen Hochgeschwindigkeitsschaltungen - siehe Pauls Einführung in Elektromagnetisch Kompatibilität und/oder einen EMV-Kurs belegen oder (3) den Cargo-Cult-Ansatz „Es funktioniert jetzt“ nutzen. 1 ist einfach, 2 ist schwer und ziemlich sicher, und 3 ist einfach und nicht sicher.
@Nick: Die Kappe über dem Motor ist keine Entkopplungskappe. Es dient dazu, die Geschwindigkeit der Spannungstransienten zu reduzieren und dadurch das vom Motor erzeugte Gesamtgeräusch zu reduzieren. Es ist ein Kompromiss zwischen groß genug, um dV/dt ausreichend zu reduzieren, und klein genug, um nicht bei jeder Schaltflanke eine zu große Ladung zu verschwenden. Wie gesagt, mein Bauchgefühl ist, dass 1nF besser ist als 100nF, es sei denn, Sie wechseln möglicherweise selten.
@Kevin: Ich stimme dem Massenspeicher mit niedrigerer Geschwindigkeit zu. Ich dachte, wir reden über Entkoppelung. Das komplette Design braucht beides.
@Olin Okay - wären also Kappen zwischen den Motor- und Masseleitungen Entkopplungskappen oder würden sie dem gleichen Zweck dienen wie eine über den beiden Motorleitungen? Brauche ich beides?
@Nick: Eine Entkopplungskappe hält den Leistungsspannungspegel, wenn die Last, an die sie fest angeschlossen ist, plötzliche Änderungen in ihrem Strombedarf aufweist. Der Motor kümmert sich nicht um kurzzeitige Spannungsspitzen, daher gibt es kein Problem der Entkopplung. Selbst wenn die Motorspannung für einige Mikrosekunden von 12 V auf 1 V und dann wieder zurück zusammenbrechen würde, würde sie weiterlaufen und ihre Leistung würde sich nicht in sinnvoller Weise ändern. Sie können damit experimentieren, Kappen an jedem Motorkabel zu erden, aber das gefällt mir nicht wirklich. Eine kleine Kappe über dem Motor trägt dazu bei, hohe dV/dt-Transienten zu reduzieren.

Es liegt nicht daran, dass das Entfernen von Kappen keine Auswirkung zu haben scheint, dass Sie sie nicht verwenden sollten. Es kann jetzt funktionieren, aber nicht in einer Stunde oder so.
Die Prinzipien sind

  1. Bringen Sie Kappen an der Quelle der Störung an, damit sie nicht zu empfindlichen Komponenten leitet oder über die Drähte strahlt
  2. Setzen Sie Kappen auf empfindliche Komponenten. Ihre Störquelle ist möglicherweise nicht die einzige, und Sie können sich nicht immer darauf verlassen, dass die anderen richtig entkoppelt sind
  3. Verwenden Sie einen größeren und einen kleineren Kondensator. Der größere absorbiert die meiste Energie der Störung, ist aber nicht sehr gut bei hohen Frequenzen, wo der kleinere übernimmt.

Lohnt es sich, dieselbe Störquelle zweimal über unterschiedliche Komponenten zu entkoppeln? Höchstwahrscheinlich ja, Sie können nicht zu viel entkoppeln. Ich erinnere mich an das Design eines Kollegen, bei dem die Hälfte der Komponenten (etwa 200) Entkopplungskondensatoren waren.

Es ist auch schwierig, die effektive Entkopplung auf einer Schaltung mit Steckplatinen zu bewerten, da die Steckplatine wahrscheinlich sehr unterschiedliche Impedanzen haben wird als eine Leiterplatte.
@Madmanguruman - Ich denke, das Problem beim Steckbrett wird mehr in der Platzierung liegen: Platzieren der Kappen so nah wie möglich am Gerät.
Es ist im Allgemeinen ziemlich schwierig, Steckbrettschalter zuverlässig zu machen. Dinge wie das Minimieren von Schleifen, das Hinzufügen von Strommessungen usw. sind bei einem PCB-Layout schwierig genug. Eine pseudo-dreidimensionale Konstruktion kann tatsächlich besser funktionieren als das, was Sie in 2D auf einer Leiterplatte erreichen können - manchmal funktioniert es überhaupt nicht. Sie sollten bei der Entkopplung defensiv sein - setzen Sie mehr ein, als Sie für nötig halten, und lassen Sie einfach diejenigen weg, die sich als irrelevant herausstellen. (Das, und vertraue nicht immer einem Steckbrett. Oder einem neuen PCB-Layout.)
Wenn Sie nach anderen Designs suchen, die viele Kappen haben, werfen Sie einfach einen Blick auf Ihre Grafikkarte oder Ihr Motherboard, insbesondere auf die gegenüberliegende Seite des Prozessors. Überall Kappen, und die überwiegende Mehrheit dient der Entkopplung.

Ich würde dem Ansatz mit einem Ziel folgen: Minimieren Sie die Fläche für jede Wechselstromschleife, die mit Stromleitungen (Vcc und Masse) gekoppelt ist.

  1. Erstellen Sie eine Liste aller Stromnetze: Sagen Sie insgesamt 2 Einträge auf der Liste: V+, Masse.
  2. Identifizieren Sie Ports, die mit diesen Netzen verbunden sind und Strom führen: 2 oder mehr pro IC-Paket, aktives Element
  3. Teilen Sie die Liste dieser Ports (insgesamt etwa 15) in Paare auf, nach Relevanz für das Paket mit möglichen Duplikaten auf Bodenports oder V+-Ports.
  4. Fügen Sie 1 Kondensator pro Paar hinzu
  5. Verschieben Sie im Layout den Kondensator näher an die Anschlüsse, um die Fläche der Schleife zu verringern, die durch 2 Anschlüsse des Kondensators und 2 Anschlüsse des Paars gebildet wird.

Effektiv verkürzt dies den Strompfad, um Spannungsabfall und Spitzen zu minimieren, die durch die Leitungsinduktivität verursacht werden, und isoliert max(dI/dt)-Stromschleifen voneinander magnetisch.

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