Потрібна допомога у усуненні світлодіодного шуму

Я дуже новачок в електроніці, на electronics.SE.com, і це мій перший проект, тож потерпіть мене, якщо в моєму питанні пропущена якась ключова інформація (у такому випадку просто залиште коментар, і я спробую додати відсутніх біт).

Я створив пристрій, який керує приблизно 500 світлодіодами на 106 різних каналах. По суті дизайн:

• 1 комутований джерело живлення 24А 3А
• 1 регулятор напруги, що виводить 5В
• 1 пульт керування AVR ATmega168 (підключений до регулятора напруги)
• 106 струн LED (підключений до 24V силової шини)
• 7 TLC5940 (16 каналів кожен) мийки драйверів для світлодіодних струн (вони миють решту 24В від світлодіодів, але їх логіка живиться від регулятора 5В).

Все спрацьовує, але у мене виникають серйозні проблеми із шумом, який іноді викликає несподіване перезавантаження мого пристрою .

Завдяки другові, який має DSO, я зміг дослідити цю справу, і це мої висновки ...

Шум на силовій рейці 5V, і він досить великий, загальна гойдалка - 2,55В. Усі канали SPI відносно не впливають:

Здається, шум генерується світлодіодами , а не SPI, що передає дані (немає явної кореляції між будь-яким із каналів SPI та шумом). У цьому відео (вибачте, не вдалося знайти спосіб вбудувати його сюди) ви бачите, що кількість світлодіодів, що ввімкнено, впливає на амплітуду шуму, тоді як їх інтенсивність (керована через ШІМ) впливає на довжину шуму " лопнути »[детальніше про опис відео на youtube].

Частота шуму становить ~ 8 МГц , що є частотою, яку я не використовую (принаймні не явно), враховуючи, що моя плата контролера працює на 16 МГц, а мій SPI - на 250 КГц.

Роблячи свої експерименти, я зрозумів, що DSO піднімав шум навіть тоді, коли був підключений лише заземлений клем зонда. Я трактую це як ознаку того, що шум викликаний нестабільністю напруги 5В, а коливальним потенціалом рівня землі . Я правий?

Будучи абсолютно новим в галузі електроніки і не маючи офіційних знань у цій галузі, я спробував ряд рішень "з Інтернету", правда, не будучи на 100%, вони мали повний сенс у моєму сценарії. Серед інших я спробував:

• побудувати фільтр низьких частот за допомогою резистора 1Ком та 100nF конденсатора та розмістити його на 5V напрузі, але шум не сильно змінився за амплітудою.
• роз'єднати 5V рейку різноманітними конденсаторами, включаючи танталові [різні оцінки] (немає видимого ефекту)
• роз'єднати лінію землі (змусив DSO піти банани)
• заземлити світлодіоди, плату TLC та DSO для різних частин моєї схеми, включаючи якомога більше "назад" (тобто підключення їх окремими проводами до порту заземлення 24 В блоку живлення), але щоб уникнути замикання на землю) ... але також у цьому випадку мені не пощастило.

Цілком може бути, що я зробив це вище неправильно (тобто рішення є одним із вищезазначених, але я реалізував його неправильно), тому - якщо ви вважаєте, що рішення є одним із перерахованих, не соромтеся сказати це, можливо, дасть мені якийсь напрямок щодо того, як це "правильно" реалізувати.

Заключне зауваження: через фізичний розмір мого проекту я провів усі випробування, використовуючи лише одну з моїх плат TLC, яку я обережно вийняв із установки та використав декілька індивідуальних контрольних світлодіодів, що живляться від джерела 5В. Однак менш точні тести на повній установці показують, що поведінка в "реальній речі" узгоджується з показаннями тесту.

Заздалегідь дякую за ваш час та підтримку!

Винувателем є не самі світлодіоди, вони нешкідливі, а TLC5940, які перемикаються на високій частоті для управління яскравістю світлодіодів через ШІМ. Ви не можете фільтрувати вихідні ШІМ (ви можете, але тоді контроль яскравості вже не працює належним чином), тому це не вдається, але ви можете спробувати зробити щось щодо роз'єднання джерел живлення. Не гарантовано працює, той факт, що зонд діапазону приймає сигнал без зв'язку, вказує на те, що він, мабуть, випромінюється, але варто спробувати.
Розв’яжіть належним чином TLC5940. Вони повинні забезпечити велику потужність, так що значить 100 F, 1 F і 100nF всі паралельно на джерелі живлення для кожного пристрою, найменше значення, найближче до штифтів. Правильно відключіть 5В потужність від мікроконтролера: $\mu$$\mu$

Ви справді використовуєте джерело живлення 24 В з TLC5940, коли на першій сторінці таблиці даних TLC5940 чітко зазначено, що абсолютна максимальна напруга на вихідних штифтах оцінюється в +18 В?

2,55 Vpp-шуму на вашій 5-метровій шині? Це так погано, що змушує мене підозрювати, що, можливо, це не реально - можливо, ваш 5-ти напрямний силовий рейку добре, але щось виробляє магнітні поля настільки сильні, що провід з вашої «області зонду до вашої» сфери дії, як антена, піднімає 2,55 Vpp шуму.

Якби я був ти, наступними моїми кроками були б:

1. Використовуйте джерело живлення менше, ніж "17 V MAX Vo", зазначений на сторінці 3 специфікації TLC5940 - 12 В постійного струму та 15 В постійного струму є досить поширеними.
2. спробуйте зменшити магнітний шум шляхом перестановки проводів
3. додати більше фільтрації до 5В регулятора
4. уважно прочитайте та спробуйте застосувати поради щодо уникання шуму .

магнітний шум

Ваша петля високого струму проходить від джерела живлення +12 В постійного струму, до одного кінця ланцюга світлодіодів, через ланцюг світлодіодів, до вхідних штифтів TLC, вихідних штифтів заземлення TLC, назад до роз'єму GND джерела живлення та знову вийміть роз'єм +12 VDC. Магнітне поле, що генерується цією петлею, - це область цього циклу (яку ви можете керувати, по-різному розташовуючи дроти), помножена на струм цього циклу (над яким ви мало керуєте).

Постарайтеся мінімізувати площу цієї петлі. Розглянемо розбиття цієї петлі на 2 частини:

Шлейф низької частоти: пара провідників у кабелі, що йде від джерела живлення, до великого конденсатора біля мікросхеми TLC, більш-менш безпосередньо підключаючи цей конденсатор до роз'ємів +12 В постійного струму та GND на джерелі живлення. GND чіпа TLC також підключений до одного кінця цього конденсатора. (можливо, велика кришка 470 мкФ паралельно керамічній кришці 10 мкФ).

Шлейф високої частоти: кручена пара провідників, в кабелі, який проходить від мікросхеми TLC до світлодіодного ланцюга. Підключіть вихід мікросхеми TLC до малого резистора (можливо, 10 Ом?), А інший кінець резистора підключіть до одного провідника крученої пари. Підключіть інший провідник пари +12 В постійного струму великого конденсатора біля мікросхеми TLC.

Як зазначив хірург ракетного хірурга, фільтр низьких частот може допомогти:

• RC низькочастотний фільтр: дуже маленький конденсатор з боку кабелю цього маленького резистора до GND може допомогти, але занадто великий конденсатор там зіпсує модуляцію ШІМ
• феритовий фільтр низьких частот: Феритовий дросель навколо всього кабелю або 2 феритові кульки, по одному навколо кожного провідника крученої пари, або обидва можуть допомогти.

Оскільки може здатися, що TLC не потрібно підключати до +12 В постійного струму, все легко передати речі таким чином, щоб створити найгірший можливий цикл: дискретний "провід + 12 В постійного струму" від джерела живлення 12 В постійного струму до вершини ланцюга світлодіодів, що має достатньо місця для того, щоб чоловік міг стояти між цим проводом і зворотним контуром (зворотний шлях через світлодіодний ланцюг, потім знизу світлодіодного ланцюга до TLC, а потім від землі TLC повернути на джерело живлення), що має понад квадратний метр площі петлі, видаючи багато магнітного шуму.

(можливо, діаграма тут зробить це зрозумілішим ...)

регулятор фільтрації

Чи справді джерело живлення здатний обробляти такий сильний струм? Може, довгі кабелі між джерелом живлення та рештою системи не здатні підтримувати швидкі імпульси напруги?

Можливо, великі хитання на лінії +12 VDC можуть бути пов'язані через 5В-регулятор через недостатню CMRR, або, можливо, навіть лінія +12 VDC витягнута настільки низько, що 5В-регулятор "випадає" досить низький, щоб скинути інші пристрої ?

Я б спершу пройшов швидкий тест: переведіть регулятор + 5 В від другого джерела живлення (скажімо, джерела живлення +10 В), повністю незалежного від джерела живлення +12 В, що керує вашими світлодіодами, за винятком GND, що підключає джерела живлення .

Якщо здається, що другий блок живлення вирішує проблему, можливо, більше фільтрації регулятора дозволить системі відключити один джерело живлення: можливо, вам потрібно лише додати невеликий резистор і діод на шляху від +12 В постійного струму до винного регулятора регулятора . Можливо, також додати більше або більші конденсатори від шпильки Vin регулятора до GND.

найкращі розв’язувальні ковпачки

Якщо ви точно знаєте, що таке частоти шуму, найкраще відключити ковпачки для придушення, які є кришками з найнижчим опором на цих частотах. ( Фактичний опір фізичних конденсаторів на цих частотах, а не теоретичний опір, обчислений 1 / jwC). Ви використовуєте "графік імпедансу проти частоти", який виглядає приблизно так:

(від Тамари Шмітц та Майка Вонга. "Вибір та використання обхідних конденсаторів" .)

Такі діаграми завжди показують, що на дуже низьких частотах найкращі великі ємності є найкращими; на дуже високих частотах фізично невеликі пакети найкращі.

Дійсна діаграма імпедансу та частоти знаходиться на сторінці 61 каталогу керамічних конденсаторів монолітного керамічного конденсатора Murata .

Ваш шум не випадковий і виглядає як дзвін.

• Ефективно схема - це джерело імпульсів високої частоти з різким завантаженням / падінням, навантаженим на індуктивний кабель з ємністю закритих світлодіодів на кінці.

• Кабель має індуктивність в наногені, мікрогені

• Ємність становить близько декількох фФ на світлодіод

Отже, пропозицією, відповіддю, можна додати фільтр низьких частот між вихідними ШІМ та завантаженням.