100kHz PWM Motor driver PCB/cable consideraciones

Question

Estoy diseñando una placa para accionar un micromotor de corriente continua que requiere una señal PWM de 100kHz. La placa es principalmente una placa de diseño digital, con muy poca señalización analógica. Estoy planeando conducir el motor con el IC de motor STSPIN240 a través de una MCU STM32. La tensión de alimentación es de 6V, necesito una tensión de motor de 4V98, es decir, conducir el motor a 100kHz PWM a un ciclo de trabajo de 0,83 para las características deseadas de par/velocidad a carga máxima.

El seguimiento de la señal desde la MCU hasta el IC del motor viajará aproximadamente 70mm. La salida PWM del IC del motor va a una placa hija a través de dos conectores kk macho/hembra + cable. A continuación, va desde la parte inferior a la parte superior de la placa, ~ 30 mm de seguimiento, y sale de esta placa hija a través de dos conectores kk macho / hembra + cable al motor de corriente continua.

El tablero es de cuatro capas. Señal, señal de tierra, potencia, señal. Los pasos que planeo tomar para estas señales:

1. Las señales PWM de la MCU recibirán pistas dedicadas, no utilizarán vías y serán lo más directas posible.
2. El plano de tierra en la PCB proporcionará la ruta para la ruta PWM de la MCU.
3. Cada vez que una señal PWM cruza una señal la cruzará perpendicularmente.
4. La salida y la entrada de la MCU se dirigirán directamente al conector (distancia de <10mm)
5. Los cables de salida PWM de la MCU estarán trenzados, con una longitud de 30mm.
6. Las pistas de la placa hija serán rastreadas y via'd a la capa superior para el segundo conector con <30mm de seguimiento.
7. El cable que va al CI del motor es un cable plano, ¿debería convertirse en otro par trenzado?
8. Cuando la señal va a un conector, el conector estará rodeado de vías a tierra.

¿Le parecen suficientes estas consideraciones sobre el diseño?

Answer 1

Las señales analógicas se desvanecerán, si hay un fuerte acoplamiento a través de los campos electrostáticos y la impedancia del nodo analógico (no la resistencia sino la impedancia) es ALTA. El acoplamiento es por filtro de paso alto; cualquier resistencia en la señal analógica es suficiente para implementar una DC_response.

Considere el acoplamiento capacitivo, de 1mm por 1mm de superposición de sus trazos perpendiculares, con 1/3 de 1/16" de espacio (0,5mm). La Er del FR4 es 5. La capacitancia es

Eo * Er * Área/Distancia = 9e-12 * 5 * 1mm * 1mm 0,5mm = 9e-11 * 1mm = 9e-14 farad. O ~~ 1e-13 Farad

Si tu nodo tiene una capacitancia de 10pF, tu nivel de voltaje inyectado es el 1% de la señal PWM (más cualquier pico de conmutación).

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En cuanto a los campos magnéticos, utilizo

Vinduce = 2e-7 * Área/Distancia * dI/dT

donde Área es la longitud * anchura de un bucle vulnerable de señal analógica/RTN y Distancia es el espacio más cercano entre las líneas PWM y ese bucle analógico.

Suponiendo un bucle de 1cm (0,01 metros * 0,01 metros) a 1cm de distancia, el PWM conmutando 1amp en 100 nanosegundos, el Vinduce es

2e-7 * 0,01 * 0,01 / 0,01 * 10^7 amperios/segundo

2e-7 * 0,01 * 10^7 = 0,02 voltios

En el borde de conmutación de 100 nanosegundos, cualquier plano tendrá unos pocos dB de apantallamiento por efecto piel. Los bordes más lentos estarán aún menos atenuados, pero también inducirán tensiones más pequeñas en el bucle analógico.