Помощь - Поиск - Пользователи - Календарь
Полная версия этой страницы: Еще одна плата контроллера BLDC
Форум разработчиков электроники ELECTRONIX.ru > Печатные платы (PCB) > Работаем с трассировкой > Примеры плат
amaora
Рассматривал несколько вариантов расположения компонентов, но в итоге пришел к тому же, что уже есть в прототипе. Только емкости пришлось расположить с одной стороны, плохо а надо. Транзисторы в корпусах VSON 5x6 мм. С переходными отверстиями в падах решил не связываться, сделал отдельно, но предельно часто. Пропаивать их пользы мало как я понимаю, так что маску над ними не открываю. Нормы по толщине дорог и расстоянию выбраны с намерением иметь возможность сделать 70 мкм меди хотя бы на внешних слоях. Надо еще добавить vias между полигонами, в левой части платы.

Предполагаемые предельные параметры: 40А амплитуда фазного тока, 48в напряжение питания, 10 Вт тепловыделение, 80 КГц частота переключения.

Сверху на разъемы (и если нужно на три болта) должна устанавливаться управляющая плата. Количество датчиков минимально необходимое. Где разместить разъем для датчика температуры и фазных напряжений не нашел. Да и необходимости в них пока не испытываю. Хотя с нагревом сомнительно, как оно на самом деле будет.

Применение устройства: радиоуправляемые ЛА.

Слои в порядке сверху вниз.

Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Исходник из kicad думаю никому не интересен, поэтому не добавил. Принимаю любые замечания, комментарии. Если знаете лучшие примеры трассировки подобного устройства, сообщите. Спасибо.
EvilWrecker
Цитата
Принимаю любые замечания, комментарии.


Начать, вестимо, надо со следующего:

1)Уберите термобарьеры с конденсаторов напрочь. Насчет последних хорошо если соответствуют пиковым/RMS токам и ESR- но я бы набирал на пленке.

2) Напрасно разводите землю дорожкой у С33- если нужно локальное "толстое" подключение к землям, то нарисуйте небольшой островок полигоном вокруг пина и прошейте переходными. Для силовых частей годится только полигональная разводка- а "дорожки" только если вы потом на них положите что-то играющего роль толстой шины(провод, брусок, встроенная медь и т.д).

3)Нет смысла резать землю на L2, сплошная лучше.

4) Парные силовые транзисторы в верхней части я бы повернул на 90гр по часовой стрелке, сократил до минимума расстояние "управление- затвор", дорожки бы ставил толщиной не менее чем пад затвора.

5) Не совсем понял в чем назначение 3-го полигона: на разъемы пины +12В и +36В подключены к одной цепи, зачем еще одна "резьба по полигонам" и тонкая дорога соединяющая его?

6)
Цитата
С переходными отверстиями в падах решил не связываться, сделал отдельно, но предельно часто. Пропаивать их пользы мало как я понимаю, так что маску над ними не открываю.


Отчего такие мысли?
amaora
Цитата
1)Уберите термобарьеры с конденсаторов напрочь. Насчет последних хорошо если соответствуют пиковым/RMS токам и ESR- но я бы набирал на пленке.


Зачем? Сопротивление одного мостика меньше 1 мОм. А их там четыре, и на каждом слое. А ESR у конденсаторов 22 мОм, если не забыл. По RMS есть небольшой недобор.

Цитата
2) Напрасно разводите землю дорожкой у С33 ...


Это у kicad небольшие сложности с размещением via отдельно от дорожек, не обращайте внимания, уже переделываю.

Цитата
3)Нет смысла резать землю на L2, сплошная лучше.


L2 это второй (желтый) слой? Там отдельный полигон земли драйверов. В первую очередь пытаюсь обеспечить корректность передачи управляющих сигналов с разъема на входы драйверов. Дальше минимизация сопротивления силовых цепей. А уж потом минимизация затворных контуров. Наоборот можно делать когда есть только один полумост и частоты несколько выше.

Цитата
4) Парные силовые транзисторы в верхней части ...

см. п3

Цитата
5) Не совсем понял в чем назначение 3-го полигона: на разъемы пины +12В и +36В подключены к одной цепи, зачем еще одна "резьба по полигонам" и тонкая дорога соединяющая его?


Нет, +12 и +36 не соединяются. На разъем идет +36 для питания управляющей платы, а с него возвращается все остальное, в том числе +12.

Цитата
6) ... Отчего такие мысли?


Нет полного представления, чтобы взвешенно решить, пока выбираю наиболее простое решение. Про заливку припоем отдельных групп ПО, посчитал исходя из удельного сопротивления, геометрии отверстия и гарантированной толщины гальванической меди, уменьшение лишь на ~25%.

Вот по теплопроводности не знаю, это сложно рассчитать.
EvilWrecker
Цитата
Зачем? Сопротивление одного мостика меньше 1 мОм.


Не начиная с вопроса о том откуда получены такие цифры(особенно круглые) и с очевидного факта того что любой термобарьер это камень в огород electrical performance, задам другой - а зачем они вам? Так наверное будет проще.

Цитата
А ESR у конденсаторов 22 мОм, если не забыл.


Мне то зачем эти цифры - главное чтобы у вас расчет был адекватный. biggrin.gif

Цитата
По RMS есть небольшой недобор.


А очевидно должен быть запас.

Цитата
L2 это второй (желтый) слой? Там отдельный полигон земли драйверов.


Какой же он отдельный? Он один на все, только странно и не понятно зачем порезанный. Что вы хотите этим добиться? И каким образом это помогает
Цитата
В первую очередь пытаюсь обеспечить корректность передачи управляющих сигналов с разъема на входы драйверов.
? Что-то мне подсказывает что ответ будет представлять из себя увлекательнейшее чтиво.

Касательно:
Цитата
Дальше минимизация сопротивления силовых цепей. А уж потом минимизация затворных контуров


Нет там никаких понятий "сперва/потом", это все должно быть сразу вместе - а сократить конкретно в этом дизайне расстояние до затворов проще простого. Далее:
Цитата
Наоборот можно делать когда есть только один полумост и частоты несколько выше.


Можете пояснить эту мысль подробнее? Опять же ожидаю увлекательнейший ответ.

Цитата
Нет полного представления, чтобы взвешенно решить, пока выбираю наиболее простое решение. Про заливку припоем отдельных групп ПО, посчитал исходя из удельного сопротивления, геометрии отверстия и гарантированной толщины гальванической меди, уменьшение лишь на ~25%.


А как расчет производили?
amaora
Термобарьер для более простого и надежного монтажа. Цифры привел для сравнения, 22 против менее чем 1 говорит не в пользу отсутствия термобарьеров. Индуктивность перехода полагаю тоже очень мала в сравнении с собственным ESL конденсатора.

Цитата
Какой же он отдельный? Он один на все, только странно и не понятно зачем порезанный. Что вы хотите этим добиться? И каким образом это помогает


Если сделать один сплошной полигон на земляном слое, то импульсный ток между силовыми транзисторами и емкостями очевидно будут идти и в той его части которая сейчас отрезана. Падение напряжения (на паразитных R и L) вызванное этим током будет создавать разность потенциалов земли между драйверами разных фаз. Управляющие сигналы с разъема приходят относительно земли в точке где подключен земляной вывод разъема (использоваться будет только один). То есть управляющие сигналы могут быть неправильно поняты драйверами, так как источник и приемники измеряют сигнал относительно разного уровня.

Цитата
Можете пояснить эту мысль подробнее?


С полумостом проще, потому-что драйвер один и соответственно земля у него одна. Нет проблем, что с одного источника нужно развести сигналы по разным драйверам каждый из которых имеет свой мгновенный потенциал земли. В этом случае можно не особо оглядываясь минимизировать дины затворных цепей, увеличивать скорость переключения и т.д.

Цитата
А как расчет производили?


Упрощенно, сопротивление проводника круглого сечения известного диаметра и длины. Это конечно предполагает подключение к торцам получившегося цилиндра, а на самом деле там будет "шляпка" из припоя на площадке переходного отверстия. Но от этого наверно сопротивление только увеличится, относительно расчетного. Коэффициент удельного сопротивления брал 0.2 Ом мм2 / м.

С медью так же, только там полый цилиндр с толщиной стенки 25 мкм а коэффициент 0.017 Ом мм2 / м.

Еще раз пересчитал, может быть и не так все плохо, в ~2.4 раза насчитал уменьшение сопротивления. Видимо была где-то ошибка в прошлый раз.
EvilWrecker
Цитата
Термобарьер для более простого и надежного монтажа.


Если оборудование, скажем так, сильно начального уровня(избегая мерзких определений biggrin.gif )то указанную простоту допускаю, что касается надежности- если имеется в виду надежность паянного соединения в таком случае, соглашусь. Если же речь идет об "обшей" надежности, то точно нет.
Цитата
Цифры привел для сравнения, 22 против менее чем 1 говорит не в пользу отсутствия термобарьеров.


Я правильно понял- цифры взяты с потолка?

Цитата
Индуктивность перехода полагаю тоже очень мала в сравнении с собственным ESL конденсатора.


Конечно нет - в ESL конденсатора входит индуктивность выводов которые заведомо толще чем подключение термобарьером. С ESR я бы тоже поспорил, но если цифры будут не с потолка- в этом случае может и спорить не придется, и так ясно все станет biggrin.gif
Цитата
Если сделать один сплошной полигон на земляном слое, то импульсный ток между силовыми транзисторами и емкостями очевидно будут идти и в той его части которая сейчас отрезана. Падение напряжения (на паразитных R и L) вызванное этим током будет создавать разность потенциалов земли между драйверами разных фаз. Управляющие сигналы с разъема приходят относительно земли в точке где подключен земляной вывод разъема (использоваться будет только один). То есть управляющие сигналы могут быть неправильно поняты драйверами, так как источник и приемники измеряют сигнал относительно разного уровня.


Это в целом совершенно правильная и адекватная мысль, однако проблема в том что она не сработает при расположении драйверов так как сделано у вас и вот почему: физически микросхемы стоят как раз на пути следования return path силовой части, разрыв полигона в текущей конфигурации ничего не дает- нечто похожее на нужный вариант есть на L4.Приложил пару картинок для большей наглядности.
Цитата
С полумостом проще, потому-что драйвер один и соответственно земля у него одна. Нет проблем, что с одного источника нужно развести сигналы по разным драйверам каждый из которых имеет свой мгновенный потенциал земли. В этом случае можно не особо оглядываясь минимизировать дины затворных цепей, увеличивать скорость переключения и т.д.


По порядку:

1)Независимо от топологии длина "управление затвор" должна быть минимальной,это абсолютно критическое условие- при этом проводник должен быть еще и толстый что дает
в первую очередь малую индуктивность а после нее малое сопротивление. Топология роли при этом не играет- это верно для всех типов.

2)О потенциале земли смысла говорить нет потому как у вас все ровно на силовой части(предыдущий пункт), все большие токи идут как раз под вашими драйверами.

На вашем месте я бы начал с того, как вышло что 36В полигон запитывается тонкой длинной дорогой.

Цитата
Упрощенно, сопротивление проводника круглого сечения известного диаметра и длины. Это конечно предполагает подключение к торцам получившегося цилиндра, а на самом деле там будет "шляпка" из припоя на площадке переходного отверстия. Но от этого наверно сопротивление только увеличится, относительно расчетного. Коэффициент удельного сопротивления брал 0.2 Ом мм2 / м.

С медью так же, только там полый цилиндр с толщиной стенки 25 мкм а коэффициент 0.017 Ом мм2 / м.


Тут еще интереснее- откуда взяты эти цифры?
amaora
Цитата
Я правильно понял- цифры взяты с потолка?


ESR указан в ДШ выбранного конденсатора, сопротивление термоперехода считается исходя из удельного сопротивления меди и геометрии.

Цитата
На вашем месте я бы начал с того, как вышло что 36В полигон запитывается тонкой длинной дорогой.


Не так, источник подключается к двум площадкам на нижнем слое, они находятся у левого края платы и окружены переходными отверстиями. А тонкой дорогой на разъем идет питание для другой платы, ей много не надо. Я думал это очевидно, что разъем не силовой.

Цитата
Тут еще интереснее- откуда взяты эти цифры?


А вам они разве нужны? sm.gif
EvilWrecker
Цитата
ESR указан в ДШ выбранного конденсатора, сопротивление термоперехода считается исходя из удельного сопротивления меди и геометрии.


Дык вопрос именно про термобарьеры - про конденсатор мне не интересно, тем более уже выяснилось что они не соответствуют применению данному. Почему вопрос возник? На электрониксе как принято - на такие темы сбегаются обычно толпы гуров которые начинают немедленную раздачу диагнозов в духе "да ты то, да ты се". Я бы с этого начинать не хотел и прежде чем делать выводы намерен выяснить природу вещей.

Цитата
Не так, источник подключается к двум площадкам на нижнем слое, они находятся у левого края платы и окружены переходными отверстиями. А тонкой дорогой на разъем идет питание для другой платы, ей много не надо. Я думал это очевидно, что разъем не силовой.


Увы, не смог обнаружить какие-либо площадки слева в L4, что касается "очевидности" - зная что конденсаторы выбраны неправильно, не удивлюсь что с разъемами нечто похожее. Неочевидно-с. biggrin.gif

Цитата
А вам они разве нужны?


Конечно нет, мне интересна их природа о которой я и спрашиваю.
Владимир
Цитата(EvilWrecker @ Jan 9 2016, 16:03) *
Увы, не смог обнаружить какие-либо площадки слева в L4, что касается "очевидности" - зная что конденсаторы выбраны неправильно, не удивлюсь что с разъемами нечто похожее.

Есть. и это не разъемы. Просто площадки на том слое. Возможно провода просто припаиваются. Хотя крепление не мешало бы. А лучше бы не площадка на нижнем слое, а и отверстие
Про конденсаторы-- у нас в аналоге пленочные стоят, плюс еще есть поближе. Термобарьеров тоже нет.
EvilWrecker
Цитата
Есть. и это не разъемы. Просто площадки на том слое.


Понятно что есть- просто я их не вижу: не разглядеть на скриншотах. Переходные- видно, площадки- нет. biggrin.gif Зато хорошо видно запредельно большее вскрытие маски.

Цитата
Хотя крепление не мешало бы. А лучше бы не площадка на нижнем слое, а и отверстие


Полностью согласен- тем более что напаивать на площадку это прямой путь заиметь механические напряжения, тем паче с толстым (надеюсь)проводом.
Владимир
Цитата(EvilWrecker @ Jan 9 2016, 21:43) *
Понятно что есть- просто я их не вижу: не разглядеть на скриншотах. Переходные- видно, площадки- нет. biggrin.gif Зато хорошо видно запредельно большее вскрытие маски.

Там их можно определить только по циферке "1", которая означает обозначение площадки, + ниже написано название цепи, которой принадлежит площадка.
Так , что разглядеть можно было только со второй подсказки автора.
EvilWrecker
Благодарю за подсказку- теперь вижу их, вопрос снят.
Владимир
у автора еще
Цитата
80 КГц частота переключения

далековато конденсаторы от правых ключей. Хотя для
Цитата
BLDC
должно пройти
AlexandrY
Цитата(amaora @ Jan 8 2016, 17:32) *
Предполагаемые предельные параметры: 40А амплитуда фазного тока, 48в напряжение питания, 10 Вт тепловыделение, 80 КГц частота переключения.


Расскажите секрет, как при почти 2 кВт мощности в нагрузке добиваетесь всего 10 Вт мощности потерь?
Да еще на такой дикой частоте - 80 кГц.
Датчики тока на вашей плате предел имеют на 80 кГц. Что вы ими собираетесь измерять тогда?
А посчитали каково им будет ловить силовое поле ключей? Тем боле, что контур высокочастотного поля сделали проходящим через слои.
Я тут уже Comsol использовал бы. Конденсаторы в нижнем слое находятся в очень критическом положении и по электронным и по термическим параметрам.
Тем более, что видно вы не поставили даже элементарные снабберы.


amaora
Цитата
Возможно провода просто припаиваются. Хотя крепление не мешало бы. А лучше бы не площадка на нижнем слое, а и отверстие


Да, припаиваются провода, их механическое крепление в задачи решаемые платой не входит. Отверстие может быть действительно стоит сделать.

Цитата
далековато конденсаторы от правых ключей. Хотя для BLDC должно пройти


Мне тоже не нравится, но лучше не получается. Почему "для BLDC должно пройти" было бы интересно узнать.

Цитата
Расскажите секрет, ...


На sqrt(3) не забываете делить? А потери в двигателе учитывать? Не нужно понимать эти пределы как требования обязательные к выполнению и при том все одновременно. Вопрос то в том, не много ли 40А пропускать через такую плату, не много ли 48в при таких расстояниях между проводниками, и не много ли 10 Вт при такой площади ведь радиатора нет.

Численно все моделировать сил нет, проще сделать еще один прототип. У керамических конденсаторов я не знаю допустимых значений Irms, не нашел. По напряжению запас в 2-3 раза, диэлектрик X7R. Снабберы, здесь я пока (наивно?) полагаю, что они не понадобятся если хорошо выполнить трассировку и выбрать транзисторы. С малым перезарядом диода, в корпусе с низкими паразитными индуктивностями. В крайнем случае замедлять переключение затворным резистором.
Владимир
Цитата(amaora @ Jan 10 2016, 01:55) *
не много ли 40А пропускать через такую плату, не много ли 48в при таких расстояниях между проводниками, и не много ли 10 Вт при такой площади ведь радиатора нет.

Про расстояния не скажу, по току пропускали и на такой частоте (только все было короче и ширше) радиаторы были. Но там мощность постоянная и большая была. Самым горячим местом была не медь на плате.
Цитата
при такой площади ведь радиатора нет.

У керамических конденсаторов я не знаю допустимых значений Irms, не нашел. По напряжению запас в 2-3 раза, диэлектрик X7R.

Это может и перегреться. хотя у вас нет постоянной мощности. но ключи то работают. ищите NPO и их поближе
Цитата
Снабберы, здесь я пока (наивно?) полагаю, что они не понадобятся если хорошо выполнить трассировку и выбрать транзисторы. С малым перезарядом диода, в корпусе с низкими паразитными индуктивностями. В крайнем случае замедлять переключение затворным резистором.

Наивно
amaora
Потревожу тему. Предыдущие прототипы показали себя хорошо, ощутимый нагрев начинается только на 30А фазного тока. Формы напряжения на транзисторах были достаточно чистые. Включаю на частоте 60 кГц. Но есть много мелких недостатков и желания поэкспериментировать, поэтому продолжаю делать новые варианты. Прошу посмотреть новую ревизию того же контроллера. Заменил драйверы, для большего термоконтакта с платой. Заменил датчики тока на шунты и усилители. Уменьшил количество конденсаторов в угоду габаритам.

Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Добавляю так же и плату управления, которая одевается сверху и соединяется по верхнему и двум нижним рядам. В ней добавил управление преобразователем для питания драйверов. Были случаи, что МК неудачно дергал ногами находясь в загрузчике и делал КЗ в силовой части. Отделил аналоговое питание, добавил повторитель на замер напряжения. Убрал переходные отверстия на площадках, не готов к таким технологиям, да и необходимости не ощутил.

Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Где-то делал изменения для того, чтобы случайное КЗ соседних площадок/выводов не приводило к подаче 36в на МК. Тоже были случаи. Внешние интерфейсы сейчас не защищены от таких происшествий. Это хотелось бы добавить в будущем.

В силовой части не хватает схемы заряда емкостей при первоначальной подаче питания, защиты от обратной полярности и чрезмерного тока. Все в угоду габаритам и минимизации тепловыделения.

Бывают еще мысли собрать все то на одну плату, пусть она будет более многослойная если надо, но при этом меньше размером.

Толщина меди на платах будет 35мкм.

Спасибо.
amaora
Провел некоторые испытания.

1) Проверял формы напряжения на транзисторах, больших выбросов нет (не больше ~10% от питания), снабберы не понадобились. Переключение происходит за ~50нс.

2) Нагрев при токе 50А от частоты не зависит, видимо все определяет Rdson (~3мОм). Максимальный продолжительный ток ~30А, самые горячие при этом транзисторы. На несколько секунд ток можно поднимать до 50А.

3) Шумовая составляющая измерения тока 0.2А.
amaora
Плохо делал измерения, проверил еще раз. Вот такие формы на затворе (желтый) и стоке (синий) нижних ключей, при разном напряжении питания.

Нажмите для просмотра прикрепленного файла Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Здесь затворный резистор Rg=0 Ом, при 10 Ом формы заметно глаже, но похоже драйвер не может удержать низкий уровень и появляется сквозной ток, есть нагрев без нагрузки. Думаю, больше не применять эти резисторы.

Надо как-то ограничивать выброс напряжения, при увеличении тока нагрузки он становится еще больше чем на этих картинках. Пока много не понимаю, например почему при большем напряжении выброс не увеличился пропорционально. Есть предположение, что емкость внутреннего диода зависит от напряжения, потому и указывается в ДШ транзисторов только заряд Qrr.
_Sergey_
Это вам в другую тему.
Трассировка не при чем здесь, это особенности переключения полевиков.
Для просмотра полной версии этой страницы, пожалуйста, пройдите по ссылке.
Invision Power Board © 2001-2017 Invision Power Services, Inc.