Що викликає великі коливання в моєму перетворювачі постійного струму / постійного струму? Це відскок землі або якийсь інший ефект?

Я створив свою першу друковану плату для постійного перетворювача постійного струму, щоб виявити, що вона дає дуже шумний вихід. Конструкція базується на MIC2253 .
Ось схема:

Хоча моя схема передбачає різні комбінації вхідних напруг (Vin) і вихідних напруг (Vout). Справа, яку я налагоджую, є з Vin = 3.6V та Vout = 7.2V. Навантаження була резистором 120 Ом. Я обчислював робочий цикл D = 0,5 (тобто 50%). Це, здається, знаходиться в межах 10% мінімального та 90% максимального робочого циклу, визначеного в таблиці. Інші компоненти, тобто ковпачки, індуктори, резистори, є такими ж або схожими на те, що пропонує аркуш даних у прикладі його застосування.

Здається, що конструкція дає правильне посилення напруги RMS на виході, але, переглядаючи сигнал через осцилоскоп, я бачу періодичні поява затухаючих синусоїдальних коливань напруги, які, здається, ініціюються перемиканням індуктора. Я бачу однакові коливання майже в кожній точці на дошці. Коливання на виході великі, тобто від 3 В до піку. Провівши трохи досліджень, здається, що мої проблеми стосуються не мого вибору перетворювача, а проблеми моєї компонування друкованої плати (див. Посилання нижче). Я не впевнений, як виправити макет, щоб забезпечити прийнятні результати.

Ці документи здаються корисними для налагодження проблеми:

• http://www.physics.ox.ac.uk/lcfi/Electronics/EDN_Ground_bounce.pdf
• http://www.analog.com/library/analogDialogue/cd/vol41n2.pdf
• http://www.enpirion.com/Collateral/Documents/English-US/High-frequency-implications-for-switch-mode-DC-R_0.pdf
• http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/3645
• http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/735

Я додав три зображення. "оригінальний pcb.png" містить зображення дошки, з якою у мене виникають проблеми. Це двошарова дошка. Червоний - це верхня мідь. Синій - це нижній мідь.

"current loops.jpg" показує плату-прототип із помаранчевим та жовтим накладками двох різних потоків струму, що використовуються для заряджання (помаранчевий) та розряджання (жовтого) індуктора. Одна з статей, ( http://www.physics.ox.ac.uk/lcfi/Electronics/EDN_Ground_bounce.pdf ), припускає, що дві поточні петлі не повинні змінюватися в області, таким чином я намагався мінімізувати їх зміни в області в новому макеті я запустив у "pcb_fix.png". Я зламав оригінальну плату, щоб вона була ближче до цієї нової верстки, але продуктивність плати не змінилася. Досі шумно! Якість злому не настільки хороша, як показано на "pcb_fix.png", однак це справедливе наближення. Я б очікував дещо покращення, але я цього не бачив.

Я досі не впевнений, як це виправити. Можливо, наливка в землю викликає занадто велику ємність для паразитів? Можливо, у ковпаків занадто великий опір (ШОЕ або ESL)? Я не думаю, що вони всі керамічні багатошарові і мають значення та діелектричний матеріал, який вимагає таблиця, тобто X5R. Можливо, мої сліди можуть мати занадто велику індуктивність. Я вибрав екранований індуктор, але чи можливо його магнітне поле заважає моїм сигналам?

Будь-яка допомога буде дуже вдячна.

На прохання плаката я включив деякий вихід осцилографа за різних умов.

Вихід, змінений струм, 1 М Ом, 10X, BW межа OFF:

Вихід, змінений струм, 1 М Ом, 10X, BW межа OFF:

Вихід, змінного струму, 1 М Ом, 10X, BW межа 20 МГц:

Вихід, змінного струму, 1 М Ом, 1X, BW межа 20 МГц, 1uF, 10uF, 100nF шапки та 120 Ом маневровий резистор, тобто всі вони паралельно:

Вузол комутації, з'єднаний з постійним струмом, 1 М Ом, 10X, межа BW вимкнено

Комутаційний вузол, змінений струм, 1М Ом, 10X, BW межа 20 МГц

ДОБАВЛЕНО: Первісні коливання сильно послаблюються, проте при більш важкому навантаженні виникають нові небажані коливання.

Після впровадження декількох змін, запропонованих Оліном Летропом, спостерігалось значне зниження амплітуди коливань. Злому оригінальної дошки cicuit для наближення нового макета допомогло дещо, зменшивши коливання до 2В піку до піку:

Щоб отримати нові дошки-прототипи, знадобиться щонайменше 2 тижні і більше грошей, тому я уникаю цього замовлення, поки не розберу проблеми.

Додавання додаткових вхідних 22uF керамічних конденсаторів зробило лише незначну різницю. Однак переважне поліпшення відбулося завдяки простому пайку керамічної кришки 22uF між вихідними штифтами та вимірюванні сигналу через ковпачок. Це призвело до максимальної амплітуди шуму до 150mV до піку без обмеження пропускної здатності області !! Мадмангуруман запропонував подібний підхід, за винятком того, що він запропонував змінити наконечник зонда замість схеми. Він запропонував покласти два ковпачки між землею і наконечником: один 10uF електролітичний і один 100nF керамічний (паралельно я припускав). Крім того, він запропонував обмежити пропускну здатність вимірювання до 20 МГц і поставити зонди на 1х. Це, здавалося, має ефект зменшення шуму приблизно такої ж величини.

Я не впевнений, чи це підлога з низьким рівнем шуму або навіть типова амплітуда шуму для комутаційного перетворювача, але це масове вдосконалення. Це було обнадійливим, тому я продовжив перевірку надійності схеми при більш значному навантаженні.

На жаль, при більш важкому навантаженні ланцюг виробляє нову дивну поведінку. Я випробував схему з резистивним навантаженням 30 Ом. Хоча плата все ще збільшує вхідну напругу як слід, вихід тепер має низькочастотний вихідний пилоподібний / трикутний хвилі. Я не впевнений, що це вказує. Це схоже на постійну зарядку струму та розряджання вихідного ковпака для мене на набагато нижчій частоті, ніж частота комутації 1 МГц. Я не впевнений, чому це станеться.

Зондування вузла комутації в тих же умовах випробування показало безладний сигнал і жахливі коливання.

Рішення знайдено

На питання відповіли, і схема працює належним чином. Проблема справді була пов'язана зі стабільністю контуру управління, як запропонував Олін Летроп. Я отримав чудові пропозиції, однак Олін був єдиним, хто запропонував цей спосіб дій. Тому я вдячний йому за правильну відповідь на моє запитання. Однак я дуже вдячний всім за допомогу. Кілька запропонованих пропозицій все ще були актуальними для вдосконалення дизайну та будуть втілені в наступний перегляд ради.

Мене змусили дотримуватися порад Оліна ще й тому, що я помітив, що частота виходу пиляного зуба / трикутника мала таку саму частоту появи, що і частина сигналу квадратної хвилі на комутаційному вузлі. Я подумав, що наростання напруги на виході відбувається завдяки успішному включенню індуктора, а пандус вниз був через невдачу адекватної енергії індуктора під час коливальної частини сигналу на комутаційному вузлі. Мало сенс, що це проблема стабільності через це.

Виконуючи пропозицію Оліна, щоб детальніше ознайомитися з компенсаційним штифтом, я визначив, що збільшення ємності мережі серії RC на комп’ютерному штирі відновило стабільність контуру управління. Ефект, який це вплинув на вузол комутації, був значним, як видно з виходу квадратної хвилі:

Була усунена низькочастотна пилоподібна / трикутна хвиля.

Деякі високочастотні шуми (100 МГц) все ще можуть існувати на виході, але, було висловлено припущення, що це лише артефакт вимірювання і зникає, коли смуга пропускання 200 МГц обмежена 20 МГц. Вихід на даний момент досить чистий:

Я вважаю, що у мене все ще виникають питання щодо високочастотного шуму, однак я вважаю, що мої запитання є загальнішими та не характерними для цього питання налагодження, тому тут закінчується нитка.

Ваша схема надмірно велика і викладена в заплутаному вигляді, що відштовхує людей від реакції. Наприклад, не малюйте підстав, що піднімаються вгору, наприклад, якщо деталі дійсно не надходять від негативного напруги. Якщо ви хочете, щоб інші дивились схематично, приділіть їм певну повагу. Не змушуйте нас нахиляти голови, щоб читати речі, і переконайтесь, що текст не перекриває інші частини малюнка. Увага до цих деталей не тільки сприяє вашій довірі, але також виявляє повагу до тих, від кого ви шукаєте послуги. Я вже бачив це питання раніше, але все вищесказане змусило мене думати "занадто багато проблем, викрутити це", і тоді я перейшов до чогось із меншим фактором клопоту.

Ви розповіли нам купу деталей, але забули про очевидні проблеми високого рівня. Якою напругою повинен бути вихід? Ви згадали про збільшення рівня десь у вашій тривалій реєстрації, але, здається, також є "7,2 В", записане вихідним роз'ємом. Це не відповідає "2,5V-10V", записаному на вході. Від того, як індуктор, вимикач і діод проводяться, ви маєте топологію підвищення. Це не спрацює, якщо вхід перевищує бажану вихідну напругу. Які ваші фактичні вхідні та вихідні напруги? При якому струмі?

Тепер до дзвінка. По-перше, деякі з цих речей - це явно артефакти. У вас дуже маленький (2,2 мкг) індуктор. Я не дивився на таблицю даних контролера, але це звучить напрочуд низько. На якій частоті комутації повинен працювати контролер? Якщо це не МГц або більше, я скептично ставлюся до вибору індуктора 2,2 мкГн.

Давайте розглянемо деякі ваші сліди сфери:

Це насправді показує розумно очікуваний імпульс комутації. З цього видно також, що частота комутації, принаймні в цьому випадку, становить 1 МГц. Це те, що ви задумали?

Слід починається ліворуч із закритим перемикачем, щоб індуктор заряджався. Вимикач відкривається зі швидкістю 100 нс і, отже, вихід індуктора негайно зростає, поки його струм не почне скидатися через D1. Це на 8 В, тому вихідна напруга, мабуть, щось на зразок 7,5 В, враховуючи, що D1 є діодом Шотткі, але отримує великий імпульс струму (було б добре знати, наскільки великий, або принаймні, наскільки великий середній показник). Це триває протягом 300 нс, поки індуктор не розрядиться при t = 400ns.

У цей момент вихідна частина індуктора відкрита і підключена лише до паразитарної ємності до землі. Індуктивність і ця паразитна ємність утворюють контур цистерни, який виробляє дзвін. Існує лише два цикли цього дзвінка перед наступним імпульсом, але зауважте, як воно трохи розпадається. Мало залишилася енергії, яка залишилася в індукторі після вимкнення діода, тепер ковзає між ним та ємністю, але кожен цикл трохи розсіюється. Це все, як очікувалося, і є однією з характерних ознак такого типу комутаційного джерела живлення. Зауважте, що частота дзвінка становить близько 5 МГц, що в справжньому комерційному дизайні ви повинні бути обережними в обробці, щоб уникнути її випромінювання. Цей дзвінок може бути фактично основним викидом від джерела живлення, що перемикається,

Ми також можемо побачити, що дзвінок згасає в бік трохи нижче 4В, що говорить нам про вхідну напругу, яку ви використовували в цьому випадку. Це підтверджує, що він дійсно працює як перетворювач посилення з приблизно 2х кроком, принаймні в цьому випадку. 2х ступінь також підтверджується приблизно рівними фазами заряду та розряду індуктора, що становить 300 нс у цьому випадку.

Фаза ланцюга вільного дзвінка закінчується різким завершенням, коли вимикач знову включається при t = 800ns. Вимикач залишається увімкненим близько 300 мс, заряджаючи індуктор, і процес повторюється приблизно за 1 мкс.

Цей слід обстеження насправді показує роботу, як очікувалося. Тут немає курильного пістолета.

Ви скаржитеся на коливання на виході, але, на жаль, жодні сліди вашої області цього не показують. Ранні з них не мають сенсу, оскільки вони, швидше за все, демонструють артефакти масштабу та загальний режим відскоку наземних, показуючи як диференціальний сигнал. Навіть цей:

Не багато нам каже. Зверніть увагу на чутливу шкалу напруги. Тут немає нічого дивного при 20 мВ / поділ. Дещо з цього майже напевно є загальноприйнятими перехідними режимами, що плутають область дії, щоб вони відображалися як диференціальний сигнал. Повільніші частини діода проводять, а потім не проводять, а імпульс струму частково відключається конденсатором.

Отже, це все зводиться до того, у чому саме проблема? Якщо ви бачите великі коливання напруги на виході протягом декількох циклів комутації, то покажіть це. Це те, що я думав, що ти спочатку скаржився. Якщо це так, то уважно подивіться на компенсаційну мережу мікросхеми комутатора. Я не шукав таблицю даних, але від назви "comp" для контакту 12 і того, що до нього підключені C4 і R2, це майже напевно мережа компенсації зворотного зв'язку. Зазвичай, таблиці даних просто говорять вам про те, що використовувати, і не дають вам достатньо інформації, щоб придумати свої власні значення. Уважно прочитайте цей розділ аркуша даних і переконайтеся, що ви виконали всі умови використання значень, які ви зробили. Це пропоноване значення для цієї частини, правда?

Додано:

Я мав на увазі згадати це раніше, але він проскочив через тріщини. Ви повинні переконатися, що індуктор не насичує. Це може спричинити всілякі неприємні проблеми, включаючи великі перехідні процеси та нестабільність контролю. З першого скопійованого нами сліду діапазону ми бачимо, що індуктор заряджається на 300 нс приблизно від 3,8 В. 3,8 В х 300 нс / 2,2 мкГ = 518 мА. Це піковий індукторний струм у цьому випадку. Однак це знаходиться на досить низькому вихідному струмі. Знову з сліду діапазону ми можемо зробити висновок, що вихідний струм становить лише приблизно 75-80 мА. При більш високих вихідних струмах піковий індукторний струм буде збільшуватися, поки з часом контролер не буде працювати в безперервному режимі (я здогадуюсь, але це, ймовірно). Ви повинні переконатися, що струм індуктора не перевищує межу його насичення протягом повного діапазону. На що оцінюється індуктор?

Додано2:

Я думаю, що тут є дві основні проблеми:

1. Ви очікуєте, що джерело живлення з комутацією матиме низький рівень шуму, як лінійні джерела живлення, які ви розглядали. Це нерозумно.

2. Ви отримуєте безліч вимірювальних артефактів, завдяки яким вихід виглядає набагато гірше, ніж є насправді.

Ваш оригінальний макет не допоміг питанням. Другий краще, але я все ж хочу побачити декілька вдосконалень:

На жаль, у вас увімкнено шар tStop, що захаращує те, що ми насправді хочемо бачити, але я думаю, що ми все ще можемо розшифрувати цю картину.

Тепер у вас є прямий шлях від діода через вихідний ковпачок назад до основної сторони вхідного ковпачка без прорізання через площину заземлення. Це велике поліпшення в порівнянні з оригіналом. Однак у вас розбита площина заземлення з великим гніздом у формі L в середині, який простягається аж до нижнього краю. Ліва і права частини нижньої площини землі з'єднані лише довгим маршрутом. Це можна легко виправити, зменшивши вимогу надмірного відстані навколо деяких ваших мереж і трохи перемістивши кілька деталей. Наприклад, немає причин, щоб два дуже великі пучки праворуч від входу + не могли бути віддаленими, щоб земна площина протікала між ними. Те саме стосується ліворуч від R3, між катодом діода і C5, і між краєм плати та D1.

Я також думаю, що у вас занадто мала ємність як до, так і після комутатора. Змініть C1 на 22 мкФ, як C5, і додайте інший керамічний ковпачок відразу між двома штифтами JP2.

Спробуйте новий експеримент з новим макетом. Вручну припаяйте ще одну кришку 22 мкФ безпосередньо між штифтами JP2 в нижній частині плати. Потім зафіксуйте заземлення датчика сфери на штифті "-" (не в якійсь іншій точці заземлення на дошці, безпосередньо до штифта "-" ) і підключіть сам датчик до штиря "+" (знову ж, прямо біля штифта, а не якась інша точка в мережі вихідної напруги). Переконайтесь, що до плати нічого іншого не підключено, включаючи будь-які інші датчики, затискачі для заземлення, заземлюючі дроти тощо. Єдиним іншим з'єднанням повинен бути акумулятор, який також не повинен бути підключений ні до чого іншого. Тримайте цю установку принаймні на відстань стопи від будь-якої іншої провідності, особливо будь-якої обґрунтованої. Тепер подивіться форму вихідної хвилі. Я підозрюю, що ви побачите значно менше шуму, який виявився в першому вашому розміщенні сліду.

Я спершу переконаюся, що проблема, яку ви переслідуєте, насправді існує і не є артефактом від поганого заземлення осцилографа. Я витратив досить багато годин, переслідуючи шум на рейки електроживлення, лише щоб виявити, що він зник (ну майже), коли я використовував заземлення на зонді осцилографа, а не окремий провід до осцилографа.

"Правильне" пульсація та вимірювання шуму у світі електроживлення робиться дуже конкретно, щоб уникнути отримання шуму CM.

$10 \mu F$$100 nF$$1 M \Omega$

Якщо форма хвилі пульсацій, яку ви зараз бачите, виглядає докорінно по-різному, я б зробив висновок, що ваше первісне вимірювання було хибним через підбір CM. В іншому випадку у вас законна проблема шуму на руках.

Оновлення 1: Я бачу, що у вас є схематичні AGND і PGND разом на вашій схемі, а також на вашій компоновці, і що ваші компенсаційні компоненти йдуть на заземлення живлення окремо від штифта AGND. Це "погана річ". Подивіться уважно на орієнтир Micrel. Повернення конденсатора з компенсацією та плавним запуском все направляється на приватну землю, яка потім підключається до AGND, потім до PGND. Це гарантує, що жоден сильний комутаційний струм не порушить чутливі компенсаційні та контрольні компоненти.

Здається, що HF дзвонить, коли перемикач вмикається, судячи з наданої вами форми сигналу вузла комутації. Цей ІС не дає вам контролювати час увімкнення та вимкнення (FET вбудований), тому вам може знадобитися спробувати інший підсилювальний випрямляльний діод або додати кілька снуберів, щоб увімкнути дзвінок.

Я думаю, що ваш макет регулятора далеко не великий - Перевірте наведений приклад на аркуші даних:

Усі фільтри знаходяться безпосередньо біля ІС (зокрема, C5). Наприклад, ваша вихідна кришка (C5) знаходиться на відстані більше дюйма від ІМС. Якщо C3 знаходиться так далеко, як і для вибору напруги, також може виникнути проблема (шум, що виникає на контактному штифті, може спричинити помилкове перемикання?)

Не дозволяйте, щоб ця стаття відмови від землі вела вас у неправильному напрямку - хоча я впевнений, що її точки щодо розміру та орієнтації циклу важливі, це, мабуть, найважливіше:

• Мінімізуйте довжину вузла SW (ваш простягає справедливу відстань, щоб досягти D1, перемістіть цей D1 / L1 перехід безпосередньо до кута ІМС.

• Максимально зменшіть розмір петлі.

Я також дозволю трохи більше пробілу у вихідному ковпачку - ваші схематичні характеристики 16V, але у вас є вибір вихідної напруги @ 15v.

Я не фахівець з SMPS, але в мене було кілька успіхів і невдач у минулому.

це загальна здогадка, і я не переглянув таблицю даних чіпів, але C1 здається трохи невеликим. Ви спробували просто підсилити цього хлопця на щось на кшталт 100uF?