Несколько вопросов связанных с разделением и соединением силовой, сигнальной и аналоговой земель. Для начала схема чтобы было ясно о чем идет речь, упрощенная блочная. В рамки обведено то, что будет находится на одной плате. Не значимые для вопроса детали не отображены, например в каждом устройтстве три полумоста и гораздо больше конденсаторов рядом с силовыми ключами.

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Исхожу из того, что драйвер должен иметь короткий путь по земле до ключей, а МК такую же хорошую связь по земле с драйвером. Разводка должна исключать силовой ток в этих участках соединения. На рисунке это показано не достаточно хорошо. И тогда получается, что относительно выбранной точки заземления сигнальной и аналоговой части питание оказывается шумным.

1. Мне не нравится наличие отдельного преобразователя на каждой плате (на зеленых), но как можно использовать один общий не понятно. Кое какой компромиссный вариант это брать внешнее немного завышенное +14 и +5 например и фильтровать линейными стабилизаторами.

2. Сигнальная земля между устройствами получается разная, но у них общая диф. линия. Разность потенциалов земель шумовая, связанная с переходными процессами в силовых цепях. Мне кажется это проблема, но я не знаю решения.

Если бы можно было заземлять сигнальную часть после конденсаторного фильтра, ближе к источнику а не у самых силовых ключей, то проблемы как-то и не было бы. Изолированный источник-преобразователь не спасает от проблемы 2 и не очень хочется его вносить.

Добавка: Изоляция CAN трансивера не желательна. Длина сигнальных и силовых линий 20-50 см между устройствами.

Как правильно делается?

Спасибо.

Похоже я как-то плохо, непонятно спросил, попробую еще раз.

1. Соединяю сигнальную землю с силовой в точке подключения нижнего ключа. Иного выхода (без использования изоляции в передаче сигналов управления ключами) не вижу. В итоге получаю заниженное и зашумленное питание относительно этой выбранной земли. Это приводит к необходимости фильтрации, стабилизации питания по месту его использования. Было бы хорошо вынести тот DC/DC с платы и сделать его общим для всех, но тогда падение на проводе силовой земли окажется в питании на 12в и 5в. В таком виде может как работать так и не работать в зависимости от деталей, длина проводов, величина тока, скорость переключения ключей, параметры и разводка фильтра, и т.д. Это понятно, мне интересно есть ли какие-то принципиально иные варианты о которых я не знаю? Или может быть где-то ошибаюсь в сказанном?

2. Несколько устройств соединены в CAN. По общему проводу при этом ходит большой ток и создает градиент потенциала. Предположим хороший сценарий, разность потенциалов земли между разными can-трансиверами не превышает 1в, частота шума ограничена несколькими десятками килогерц. В ДШ трансиверов которые я смотрел нет информации о подавлении синфазных шумов, но судя по характеристикам распространенных ОУ такой шум легко давится и проблем не вызовет. Но так ли это?

Я считаю, что достаточно сделать общие источники 12В и 3.3 В, а на платах обычные RC-фильтры (может быть, еще дроссели добавить).
Это при условии, что у Вас не будет большого постоянного (омического) падения на земляных проводах, приводящего к выходу напряжений 12В и 3.3 В за допустипые пределы.
Земли от плат правильнее будет подключить "звездой" к одной точке (например, к минусу батареи).
И туда же землю от общего источника напряжений.
CAN шина при правильной реализации должна работать нормально. Ну, можно ее экранированной парой провести (особенно при большой скорости передачи).
Гораздо важнее, на мой взгляд, правильная разводка земли и прочего на самих платах.

А откуда берется этот ток? По общему проводу ходит постоянный ток, но его бояться нечего. А шумы в общем проводе откуда возьмутся?

http://www.ti.com/lit/an/slla271/slla271.pdf

Нагрузка импульсная, какая-то пульсация будет неизбежно. После конденсаторного фильтра можно считать, что пульсации малы, но земля трансиверов подключена до фильтра (или где-то среди него, зависит от разводки) к нижнему ключу и его драйверу. А там большой импульсный ток.

У вас для подключения нагрузки показан только один терминал для каждого выхода. А земляной провод нагрузки куда подключен?


Это в основном зависит от того, как подключена нагрузка. Если, например, вы земляные концы нагрузок сведете воедино и подключите к своему устройству в одной точке, тогда помехи в земле устройства, действительно, будут неизбежны.


Про "конденсаторный фильтр" я не понял. Это вы развязывающие конденсаторы называете "фильтрами", что ли? Советую этого не делать, поскольку это сбивает с толку, и даже не меня, а вас: развязывающий конденсатор не является фильтром, это совсем разные концепции.

Большой импульсный ток циркулирует по своему контуру, для каждого выхода и каждой нагрузки - свой контур. Развязывающий конденсатор - абсолютно необходимая составная часть этого контура. У импульсного тока нагрузки нет причин выходить за пределы этого контура. Если вы подключите земли вашего устройства к разным точкам этого контура (этих контуров), то получите импульсные помехи в земле. Если вы каждый из этих контуров подключите к земле устройства только в одной точке, то помех в земле не будет. Можно даже подключаться через небольшие дроссели или ферритовые зерна, от этого вреда не будет, а ВЧ компоненту (которая ветвится по земле в силу паразитных емкостей и т.п.) этим можно придавить.

Я зря все так упростил на схеме. Извиняюсь за лишнее запутывание. Теперь когда начал заниматься трассировкой платы я это понял. Схема там обычные три полумоста, нагрузка двигатель. Вот силовая часть, прототип. Нажмите для просмотра прикрепленного файла



Понятно, значит развязывающие.



Насколько я начал понимать, развязывающий конденсатор должен быть подключен в те же точки куда подведены питание и земля, чтобы исключить такой сегмент проводника по которому подводится питание и при этом ходит импульсный ток. Правильно?

У меня все проблемы с трассировкой рождены тем, что первое из чего я исхожу это минимизация контуров затвор-драйвер. То есть дорога до затвора минимальная, обратный путь по земле (и по средней точке полумоста) тоже. Из этого выходит, что каждый драйвер заземлен в своей точке рядом со своим полумостом. Как это место соединения свести в одно я пока представляю с трудом. А если оставить как есть, то по приблизительным расчетам можно получить скачки разности потенциалов земель разных драйверов из-за индуктивности около 2в (дорога 30мм в длину 5мм в ширину, ток 10А, считаю, что нарастает за 100нс). Для 3.3в входов драйвера будет многовато.

Конденсаторы подключать к единой точке заземления вместо простой установки их на входе, тоже приносит трудности разводки. Их еще и много нужно, иначе получается недобор по допустимому rms току.

Добавка: Хотя наверно нужно просто подвести земли драйверов к силовой земле в одну точку, будет петля ~15мм туда и обратно. У верхнего транзистора все равно такая же петля в затворной цепи. Остается только понять не будет ли это приоткрывать транзистор когда не нужно.

В ваших словах многое осталось "за кадром", поэтому точно сказать - правильно или нет - крайне затруднительно. Что для вас "куда подведены питание и земля" в данном тексте?

При анализе помех рассматривайте развязывающий конденсатор как источник питания нагрузки. Таким образом, у каждой нагрузки (мотора) - свой источник питания. Теперь нарисуйте, как циркулируют токи в этом контуре в каждом такте: от источника (конденсатора) - через ключи - в нагрузку - от нагрузки к источнику. Ну а теперь подключите этот контур к остальной земле устройства в одной единственной точке.

При этом надо иметь ввиду, что для помех цепь питания практически ничем не отличается от земли. Поэтому, как только вы соединили истинные земли друг с другом напрямую, то, получается, что подключая питание напрямую - вы тем самым "соединяете земли" еще в одной точке, а этого делать нельзя. А посему, дабы соблюсти условие "подключения в одной точке", питание к развязывающему конденсатору надо подключить через дроссель или ферритовое зерно.


Этого не требуется. Затворы как раз таки довольно нечувствительны к помехам. И даже если словят (случайную) короткую помеху, то ничего страшного не произойдет, никто этого даже не заметит. Для цепи затвора играет рояль не случайные помехи, а искажения сигнала.

Вот на картинке первый вариант, это питание подведено к одной точке, а земля взята с другой. В результате имеем сегмент который создает разность потенциалов силовой земли и аналоговой/сигнальной, показан красным. Правильный вариант второй, но требует большего количества проводников на плате. Расположение компонентов на плате примерно такое же (если грубо) как на этой схеме.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла



Да это похоже ясно.



А что вы называете помехами? Я рассматриваю только внутренние переходные процессы, а слово помехи у меня вызывает ощущение, что это нечто внешнее.

Дальше тоже не понял, вы про то, что питание 3.3/12 будет не развязанным (не изолированным) от силового? То есть земли у них уже соединены, а здесь будет еще одно соединение. Могу ответить только, что для этого прототипа планирую брать питание 12в и для драйверов и как силовое. А 3.3 от отдельного изолированного источника. Как я вижу дальнейшее решение этой проблемы я показал на схеме в первом посте темы.

А ставить дроссели в затворные цепи, или даже на вход драйвера как-то очень странно, я бы много раз подумал прежде чем так делать. Мне пока кажется что они будут только мешать а не помогать, из-за того, что через них пойдет импульсный ток. Может я не правильно понял, вот так?

Нажмите для просмотра прикрепленного файла



Снова не ясно про помехи. Я разве про них говорил, вопросы вызывает именно искажение вызванное например индуктивность затворной цепи. А если её минимизировать укоротив дороги, то получаем что каждый драйвер имеет свою отдельную землю подключенную к своему транзистору. И проблемы тогда начинаются в искажении управляющих сигналов от МК к драйверам. Вот такие два варианта.

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Хотя даже во втором случае остаются импульсные токи в соединении земель, они еще и усугубляются увеличенной индуктивностью этих цепей. В этом вопросе я пока выхода не вижу.

Мне это непонятно. У вас же много моторов, т.е. много нагрузок? Каким образом у вас земля оказалась "справа", т.е. на стороне нагрузки? У вас каждая нагрузка заземлена вне вашего устройства? Или у вас один мотор, с тремя обмотками "звездой", как на последнем рисунке?

Можно пока ограничится одной платой, у нее один мотор и три полумоста. Мотор нигде не заземлен, только три вывода. На картинке упрощенно все три полумоста показаны одним блоком. Слева подводится питание с батареи по проводам (надо было показать символом силовой земли). Справа символом земли показана сигнальная земля самой платы. Относительно нее работает мк, can-трансивер и аналоговая часть (датчики тока).

В целом, между платами земли объединяются только по силовому проводу.

Тема по сути только о проблемах разводки данных схем — в идеале, три полумоста должны быть замкнуты в три минимального периметра кольца и располагаться веером вокруг одного блокировочного конденсатора.

Итак, нагрузка одна, трехфазный мотор. Нагрузка подключена к выходам полного трехфазного моста, который условно (но не совсем правильно, поскольку сбивает с толку) можно считать состоящим из трех полумостов. Правильнее говорить о трех плечах полного моста.

Импульсный ток нагрузки циркулирует между (одним общим) развязывающим конденсатором моста, плечами моста и нагрузкой. Соответственно, токи в цепях земли и питания, циркулирующие между плечами моста и развязывающим конденсатором, могут служить источником помех для остальной схемы.

Поэтому проводники, соединяющие земляной вывод развязывающего конденсатора и земляные концы плеч моста, должны быть максимально короткими и толстыми. Желательно эти проводники выполнить в виде заливки отдельным полигоном. Землю остального устройства надо соединить с этим полигоном в одной точке и не очень толстым проводником. Возможно в цепь соединения полезно будет врезать ферритовое зерно или даже небольшой дроссель.

Аналогично, проводники, соединяющие питающий вывод развязывающего конденсатора и питающие концы плеч моста тоже должны быть максимально короткими и толстыми, их тоже желательно выполнить в виде полигона. Этот полигон надо соединить с цепями питания +24В при помощи хорошего дросселя.

Если драйверы MOSFET-ов по своим входам нечувствительны к помехам, то землю драйверов можно подключить к земляному полигону моста напрямую, лучше - в виде "звезды", когда земляной проводник драйвера идет к земляному концу своего плеча отдельным проводником. Такие иммунные к помехам драйверы могут быть выполнены, например, на базе высокоскоростных приемников RS485 в связке с HIP2101. В этом случае дифф. входы драйверов желательно протянуть к источнику сигнала в виде дифф. пар проводников, а затем соединить один их этих проводов с землей рядом с источником. Ну и волновое сопротивление в таком случае согласовать тоже было бы совсем не вредно. Если же дифф. пару протянуть не получится, то заземлить один из входов дифф. приемника можно на самой плате в точке, которая поближе к разъему и подальше от земляного полигона моста.

Если же драйверы по своим входам более чувствительны к помехам, чем затворы MOSFET-ов (что верно для "голых" HIP2101), то земли драйверов надо подключать не земляному полигону моста, а к земле устройства. Питание драйверов для каждого моста должно быть развязано от цепи +12В всего устройства при помощи дросселя.

У драйверов со схемой сдвига уровней, с отдельным питанием входных каскадов и отдельной землей, будет не то же самое?



Но тогда затворный ток пойдет через то соединение земли с полигоном моста, а если там еще и дроссель то даже и не пойдет, а будет только разность потенциалов земли устройства и земли моста создавать. Хотя какую роль здесь играет развязка 12в я не понял.



И землю тогда надо брать с батареи перед дросселем. А хотелось использовать индуктивность подводящих проводов, но тогда получается земля будет подключена после дросселя.

Итого, первый вариант я понял, драйверы близко к транзисторам как все и рекомендуют, а управляющие сигналы проходят сдвиг уровней. Не понятно только как здесь оценивать достаточность быстродействия схемы сдвига уровней. Да и самих параметров этого быстродействия я не вижу, чтобы указывали в ДШ.

Во втором варианте, драйверы соединяются с сигнальной землей которая имеет потенциал некоторой одной точки моста. Между этой точкой моста и истоками транзисторов длинный путь и связанная с ним разность потенциалов. На стабильность работы драйверов можно не рассчитывать. И еще импульсный ток затворных цепей проходя через соединение земли с мостом создает шум между разными землями.

Добавка: По хорошему такую схему развести не получится? Для это ведь нужно все три нижних транзистора расположить так, чтобы их истоки оказались в одной точке. Два еще как-то можно, но три, получается все выводы к двигателю с разных сторон платы.

Укажите конкретный тип, чтобы разговор был предметным.


Что в этом плохого? Вы что, надеетесь заряжать емкости затворов мгновенно? Этого не будет. Ваш драйвер способен выдавать всего 100 мА. Укажите тип MOSFET-в, чтобы знать емкость затворов. Малый дроссель на пути протекания зарядного-разрядного тока ничего не изменит. Обычно резистор ставят в затвор, чтобы ограничить ток, но у вас драйвер слабый, поэтому можно и без резистора.


Уменьшает помехи в земле.


Она слишком мала. Нужен нормальный дроссель.


Беспочвенные страхи. "Разности потенциалов" приложены к выходам драйверов, а не ко входам, а потому на работу самих драйверов влияния вообще не оказывают.


Вы боитесь шумов, создаваемых хилыми 100-мА выходами драйверов? Ну поставьте для перестраховки дополнительно резисторы между выходами драйверов и затворами.

Вы бы лучше опасалиcь силовых токов в проводниках земли и питания, соединяющих плечи полумоста. Там и токи больше на порядки, и фронты круче.


Не обязательно в одной точке. Достаточно объединить их полигоном.

IRS2110.

Добавка: Почему-то такие драйверы есть только у IR.



В ДШ указано 2А (hip2101). IRF8788, 44nC / 5720 pF. Плохо то, что этот ток импульсный, проходя по тому соединению будет создавать шум между землями. Ну и драйвер может не удержать нижний транзистор закрытым при больших dv/dt. Сильный колебательный процесс в затворной цепи. Влияние силовых токов на процессы заряда-разряда затвора.



Понятно, только это лишние место на плате и миллиомы сопротивления. На такой ток 20-30А еще и не знаю где искать. Хочу посчитать пульсацию тока но не знаю как.



Но затворы то не заряжаются вовремя? Колебания еще пойдут.



Так их и опасаюсь, силовые токи в земляном полигоне будут создавать разность между землями драйверов, основная проблема.

По драйверам, а если нужно другой транзистор, например с зарядом ~200 nC, драйвер 4-5А. Разве в таком случае можно будет не обращать внимание на индуктивности затворного контура и пересечение его с силовыми токами?

Да, это в сущности то же самое, что я предлагал сделать "в россыпи".


Вы напрасно называете это "шумом". Для драйверов и моста это вовсе не шум, эти сигналы строго детерминированы, а потому рассматривать их как "шум" крайне непродуктивно. В вашем случае речь может идти только о паразитных элементах схемы и их влиянии на форму сигнала. Соответственно, все это поддается строгому анализу и симуляции на спайсе.


Как правило такие системы охвачены какой-то обратной связью. Неидеальная форма сигналов, вредное влияние паразитных элементов как правило не играют роли сами по себе, а в конечном счете проявляются в отклонении основного выходного параметра от заданного. В результате чего обратная связь вносит коррекцию и компенсирует отклонения.

Шумом называю в том смысле, что создается разность потенциалов сигнальных земель разных плат. И разность переменная, между платами не синхронизированная и потому шумовая.

На фоне шумов, создаваемых мостами в других платах, вклад драйверов настолько ничтожен, что рассматривать его не имеет ни малейшего смысла.

Но вообще-то мой комментарий был к вашему высказыванию, которое вряд ли возможно трактовать как "шумы в других платах".

Посмотрел разные варианты разводки, вот что получилось.

Нажмите для просмотра прикрепленного файла Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Жуть.

На мой взгляд, вполне нормальный вариант. Я бы только две вещи изменил
- Перемычку, соединяющую две части GNDPWR, сделал бы на красном слое, а не на зеленом. Это позволило бы соxранить непрерывность полигона +24V на зеленом слое.
- Уменьшил бы размеры полигона AGND, а размеры GNDPWR - соответственно увеличил.

Если не ставить условием 2 ампера тока на выходе, то не только у IR, а еще у Фейрчайлда, Айксиса, СТ, ОнСеми, Инфинеона, да и у самого IR есть драйверы поновее.
А про 2 ампера - в ряде случаев лучше умощнить полуамперный драйвер в DIP8/SO8 двумя транзисторами в SOT23 или SOT89, вместо одного чипа в DIP14/SO16.

Спасибо, сам не подумал, что так можно.



Почему так? Большой затворный ток нужен для высокой частоты, а она бывает только в полумостах которые разведутся и без отдельной земли? А для полных мостов большинство драйверов выдает ниже 1А, тоже из-за предполагаемых частот? Но если ниже ток, то и время переключения больше, а переходные процессы мягче. То есть отдельная земля больше нужна драйверам с током 2-5А, разве нет?