Co powoduje duże oscylacje w moim przetworniku podwyższającym napięcie DC / DC? Czy to odbicie ziemi czy jakiś inny efekt?

Pierwszą płytkę PCB zaprojektowałem dla przetwornicy podwyższającej napięcie DC-DC, aby przekonać się, że generuje bardzo głośny dźwięk. Konstrukcja oparta jest na MIC2253 .
Oto schemat:

Chociaż mój obwód dopuszcza różne kombinacje napięć wejściowych (Vin) i napięć wyjściowych (Vout). Przypadek, w którym debuguję, dotyczy Vin = 3,6 V i Vout = 7,2 V. Obciążenie było rezystorem 120 omów. Obliczyłem cykl pracy D = 0,5 (tj. 50%). Wydaje się, że jest to w granicach 10% i 90% maksymalnych limitów cyklu pracy określonych w arkuszu danych. Pozostałe elementy, tj. Zaślepki, cewki indukcyjne, rezystory są takie same lub podobne do tego, co sugeruje karta katalogowa w przykładzie zastosowania.

Wygląda na to, że daje prawidłowy wzrost napięcia RMS na wyjściu, ale po obejrzeniu sygnału przez oscyloskop widzę, jak okresowo pojawiają się tłumione sinusoidalne oscylacje napięcia, które wydają się być inicjowane przez przełączenie cewki indukcyjnej. Widzę te same oscylacje w prawie każdym punkcie naziemnym na planszy. Oscylacje na wyjściu są duże, tj. 3 V między szczytami. Po przeprowadzeniu drobnych badań wydaje się, że moje problemy nie dotyczą konkretnego wyboru konwertera, ale problemów z układem płytki drukowanej (patrz linki poniżej). Nie jestem pewien, jak naprawić mój układ, aby zapewnić akceptowalne wyniki.

Te dokumenty wydają się przydatne do debugowania problemu:

• 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

Załączam trzy obrazy. „original pcb.png” zawiera obraz planszy, z którą mam problemy. Jest to płyta dwuwarstwowa. Czerwona to górna miedź. Niebieski to dolna miedź.

„current loops.jpg” pokazuje płytkę prototypową z pomarańczowymi i żółtymi nakładkami dwóch różnych ścieżek prądowych używanych do ładowania (pomarańczowego) i rozładowywania (żółtego) induktora. Jeden z artykułów ( http://www.physics.ox.ac.uk/lcfi/Electronics/EDN_Ground_bounce.pdf ) sugerował, że dwie pętle prądowe nie powinny się zmieniać w obszarze, dlatego starałem się zminimalizować ich zmianę w obszarze w nowym układzie zacząłem w „pcb_fix.png”. Zhakowałem oryginalną płytkę drukowaną, aby była bliższa temu nowemu układowi, ale wydajność płyty się nie zmieniła. Nadal jest głośno! Jakość włamania nie jest tak dobra, jak pokazano w „pcb_fix.png”, ale jest to dość przybliżone przybliżenie. Spodziewałbym się nieco poprawy, ale nie widziałem żadnej.

Nadal nie jestem pewien, jak to naprawić. Może zalewanie ziemi powoduje zbyt dużą pojemność pasożytniczą? Być może pułapki mają zbyt dużą impedancję (ESR lub ESL)? Nie sądzę, ponieważ wszystkie są ceramiczne wielowarstwowe i mają wartości i materiał dielektryczny wymagany przez arkusz danych, tj. X5R. Być może moje ślady mogą mieć zbyt dużą indukcyjność. Wybrałem ekranowany induktor, ale czy jest możliwe, że jego pole magnetyczne zakłóca moje sygnały?

Każda forma pomocy jest mile widziana.

Na prośbę plakatu zamieściłem dane wyjściowe oscyloskopu w różnych warunkach.

Wyjście, sprzężone z prądem przemiennym, 1 M Ohm, 10X, ograniczenie BW wyłączone

Wyjście, sprzężone z prądem przemiennym, 1 M Ohm, 10X, ograniczenie BW wyłączone

Wyjście, prąd przemienny, 1M Ohm, 10X, limit BW 20 MHz:

Wyjście, sprzężone prądem przemiennym, 1M Ohm, 1X, ograniczenie BW 20 MHz, 1 uF, 10 uF, 100nF i wyjście blokujące rezystor 120 omów, tj. Wszystkie są równoległe:

Węzeł przełączający, sprzężony z prądem stałym, 1M Ohm, 10X, ograniczenie BW WYŁ

Węzeł przełączający, AC, 1M Ohm, 10X, BW limit 20 MHz

DODANO: Oryginalne oscylacje znacznie się zmniejszyły, jednak pod większym obciążeniem występują nowe niepożądane oscylacje.

Po wdrożeniu kilku zmian sugerowanych przez Olin Lathrop zaobserwowano duży spadek amplitudy oscylacji. Zhakowanie oryginalnej tablicy cicuit w celu przybliżenia nowego układu pomogło nieco, obniżając oscylacje do 2 V między szczytami:

Zdobycie nowych prototypowych płyt zajmie co najmniej 2 tygodnie i więcej, więc unikam tego zamówienia, dopóki nie rozwiążę problemów.

Dodanie dodatkowych wejściowych kondensatorów ceramicznych 22uF spowodowało jedynie nieznaczną różnicę. Jednak znacząca poprawa nastąpiła po prostu lutując ceramiczną nasadkę 22uF między pinami wyjściowymi i mierząc sygnał w poprzek nasadki. Doprowadziło to maksymalną amplitudę szumu do 150 mV od szczytu do szczytu bez żadnego ograniczenia pasma zakresu !! Madmanguruman zaproponował podobne podejście, z wyjątkiem tego, że zasugerował zmianę końcówki sondy zamiast obwodu. Zasugerował, aby umieścić dwie nakrętki między ziemią a końcówką: jedną elektrolityczną 10uF i jedną ceramiczną 100nF (założyłem, że równolegle). Ponadto zasugerował ograniczenie szerokości pasma pomiaru do 20 MHz i umieszczenie sond na 1x. Wydawało się, że ma to również efekt tłumienia hałasu w przybliżeniu tej samej wielkości.

Nie jestem pewien, czy jest to akceptowalnie niski poziom szumu, czy nawet typowa amplituda szumu dla przełączającego konwertera, ale jest to ogromna poprawa. To było zachęcające, więc przystąpiłem do testowania odporności obwodu pod większym obciążeniem.

Niestety, pod większym obciążeniem obwód wywołuje nowe dziwne zachowania. Przetestowałem obwód z rezystancyjnym obciążeniem 30 omów. Chociaż płytka nadal podnosi napięcie wejściowe tak, jak powinna, wyjście ma teraz piłokształtny sygnał wyjściowy niskiej częstotliwości / falę trójkątną. Nie jestem pewien, co to oznacza. Wygląda mi to na ciągłe ładowanie i rozładowywanie nasadki wyjściowej na znacznie niższą częstotliwość niż częstotliwość przełączania 1 MHz. Nie jestem pewien, dlaczego tak się stanie.

Sondowanie węzła przełączającego w tych samych warunkach testowych wykazało niechlujny sygnał i straszne oscylacje.

Znaleziono rozwiązanie

Odpowiedź na pytanie i obwód działa prawidłowo. Problem rzeczywiście był związany ze stabilnością pętli kontrolnej, jak sugerował Olin Lathrop. Otrzymałem może wielkie sugestie, jednak Olin był jedynym, który zaproponował taki sposób działania. Dlatego przypisuję mu właściwą odpowiedź na moje pytanie. Bardzo jednak doceniam pomoc wszystkich. Kilka przedstawionych sugestii było nadal istotnych dla ulepszenia projektu i zostanie wdrożonych w następnej rewizji tablicy.

Byłem zmuszony postępować zgodnie z radą Olina również dlatego, że zauważyłem, że częstotliwość wyjściowa piłokształtna / trójkątna miała tę samą częstotliwość pojawiania się, co część fali prostokątnej sygnału w węźle przełączającym. Myślałem, że wzrost napięcia na wyjściu był spowodowany udanym pobudzeniem cewki indukcyjnej, a spadek był spowodowany brakiem odpowiedniego wzbudzenia cewki podczas oscylacyjnej części sygnału w węźle przełączającym. Z tego powodu miało to sens ze względu na stabilność.

Postępując zgodnie z sugestią Olina, aby przyjrzeć się bliżej pinowi kompensacji, stwierdziłem, że zwiększenie pojemności sieci serii RC na pinie comp przywróciło stabilność pętli sterowania. Wpływ, jaki to miało na węzeł przełączający, był znaczący, co widać na wyjściu fali kwadratowej:

Fala piłokształtna / trójkątna niskiej częstotliwości została wyeliminowana.

Na wyjściu może nadal występować pewien szum wysokiej częstotliwości (100 MHz), ale zasugerowano, że jest to jedynie artefakt pomiaru i znika, gdy szerokość pasma zakresu 200 MHz jest ograniczona do 20 MHz. W tym momencie dane wyjściowe są dość czyste:

Przypuszczam, że wciąż mam pytania dotyczące szumu o wysokiej częstotliwości, jednak myślę, że moje pytania są bardziej ogólne i nie są specyficzne dla tego pytania dotyczącego debugowania, więc wątek kończy się tutaj.

Twój schemat jest zbyt duży i ułożony w sposób mylący, co zniechęca ludzi do odpowiedzi. Na przykład nie rysuj uziemień w górę, chyba że części naprawdę pochodzą od napięcia ujemnego. Jeśli chcesz, aby inni spojrzeli na schemat, daj im szacunek. Nie zmuszaj nas, abyśmy przechylali głowy, aby czytać rzeczy i upewnić się, że tekst nie nachodzi na inne części rysunku. Dbałość o te szczegóły nie tylko zwiększa twoją wiarygodność, ale także okazuje szacunek tym, od których szukasz przysługi. Widziałem to pytanie wcześniej, ale wszystkie powyższe sprawiły, że pomyślałem: „za dużo kłopotów, pieprzyć to”, a potem przeszedłem do czegoś o mniejszym problemie.

Podałeś nam wiele szczegółów, ale zapomniałeś o oczywistych problemach na wysokim poziomie. Jakie napięcie ma być na wyjściu? Wspomniałeś o zwiększeniu gdzieś w swoim długim zapisie, ale wydaje się, że przez złącze wyjściowe jest również napisane „7.2V”. To nie pasuje do „2,5 V-10 V” zapisanego przez wejście. Sposób okablowania cewki indukcyjnej, przełącznika i diody zapewnia topologię doładowania. To nie zadziała, jeśli wejście przekroczy pożądane napięcie wyjściowe. Jakie są twoje rzeczywiste napięcia wejściowe i wyjściowe? Przy jakim prądzie?

Teraz dzwoni. Po pierwsze, niektóre z tych rzeczy są wyraźnie artefaktami zakresu. Masz bardzo mały (2,2µH) induktor. Nie spojrzałem na arkusz danych kontrolera, ale brzmi to zaskakująco nisko. Na jakiej częstotliwości przełączania ma pracować kontroler? O ile nie jest to MHz lub więcej, jestem sceptycznie nastawiony do wyboru 2,2 µH cewki indukcyjnej.

Spójrzmy na niektóre z twoich śladów zakresu:

Pokazuje to właściwie oczekiwany impuls przełączający. Z tego widać również, że częstotliwość przełączania, przynajmniej w tym przypadku, wynosi 1 MHz. Czy to jest to, co zamierzałeś?

Śledzenie rozpoczyna się po lewej stronie przy zamkniętym przełączniku, aby cewka indukcyjna się ładowała. Przełącznik otwiera się przy 100 ns i dlatego wyjście cewki natychmiast wzrasta, aż jego prąd zacznie spadać do D1. To jest na 8 V, więc napięcie wyjściowe jest najwyraźniej 7,5 V, biorąc pod uwagę, że D1 jest diodą Schottky'ego, ale otrzymuje duży impuls prądowy (dobrze byłoby wiedzieć, jak duża, a przynajmniej jak duża jest średnia). Trwa to przez 300 ns, dopóki cewka nie zostanie rozładowana przy t = 400 ns.

W tym momencie strona wyjściowa induktora jest otwarta i jest podłączona tylko do pasożytniczej pojemności do ziemi. Indukcyjność i ta pasożytnicza pojemność tworzą obwód w zbiorniku, który wytwarza dzwonienie. Są tylko dwa cykle tego dzwonka przed następnym impulsem, ale zwróć uwagę, jak lekko się rozkłada. Niewielka pozostała energia, która pozostała w cewce indukcyjnej po wyłączeniu diody, teraz cofa się w tę iz powrotem między nią a pojemnością, ale każdy cykl trochę się rozprasza. Wszystko to jest zgodne z oczekiwaniami i jest jedną z charakterystycznych sygnatur tego rodzaju zasilacza impulsowego. Należy pamiętać, że częstotliwość dzwonienia wynosi około 5 MHz, co w prawdziwym komercyjnym projekcie wymaga ostrożności, aby uniknąć promieniowania. To dzwonienie może być główną emisją z zasilacza impulsowego,

Widzimy również, że dzwonienie zanika w kierunku nieco poniżej 4V, co mówi nam o napięciu wejściowym, którego użyłeś w tym przypadku. Potwierdza to, że tak naprawdę działa on jako przetwornik podwyższający napięcie z około 2x skokiem, przynajmniej w tym przypadku. Zwiększenie 2x jest również potwierdzone przez w przybliżeniu równe fazy ładowania i rozładowania cewki indukcyjnej, które w tym przypadku wynoszą po 300 ns.

Faza obwodu swobodnego pierścienia w zbiorniku zostaje przerwana nagle, gdy przełącznik ponownie włącza się przy t = 800ns. Przełącznik pozostaje włączony przez około 300ns ładuje induktor, a proces powtarza się z okresem około 1 µs.

Ten ślad zakresu faktycznie pokazuje rzeczy działające zgodnie z oczekiwaniami. Tutaj nie ma pistoletu do palenia.

Narzekasz na oscylacje wyjściowe, ale niestety nie pokazują tego żadne ślady twojego zakresu. Wczesne nie mają znaczenia, ponieważ najprawdopodobniej pokazują artefakty lunety i odbicie w trybie wspólnym, pokazując się jako sygnał różnicowy. Nawet ten:

Niewiele nam mówi. Zwróć uwagę na wrażliwą skalę napięcia. Nic nie dziwi przy 20 mV / działce. Niektóre z nich są prawie na pewno przejściowymi trybami przejściowymi mylącymi zakres, tak że pojawiają się jako sygnał różnicowy. Wolniejszymi częściami są diody przewodzące, a następnie nieprzewodzące, a impuls prądu jest częściowo pochłaniany przez kondensator.

To wszystko sprowadza się do problemu. Jeśli widzisz duże wahania napięcia na wyjściu w trakcie kilku cykli przełączania, pokaż to. Myślałem, że na początku narzekałeś. W takim przypadku przyjrzyj się uważnie sieci kompensacyjnej układu przełączającego. Nie szukałem arkusza danych, ale od nazwy „comp” dla pinu 12 i faktu, że C4 i R2 są z nim połączone, prawie na pewno jest to sieć kompensacji sprzężeń zwrotnych. Zazwyczaj arkusze danych mówią tylko, czego należy użyć, i nie zawierają wystarczającej ilości informacji, aby wymyślić własne wartości. Przeczytaj uważnie tę sekcję arkusza danych i sprawdź, czy spełniasz wszystkie warunki korzystania z wprowadzonych wartości. To są sugerowane wartości dla tej części, prawda?

Dodany:

Chciałem wspomnieć o tym wcześniej, ale prześlizgnęło się przez pęknięcia. Musisz upewnić się, że cewka indukcyjna nie jest nasycona. Może to powodować różnego rodzaju paskudne problemy, w tym duże stany przejściowe i niestabilność sterowania. Z pierwszego zapisu zakresu, który skopiowałem, widzimy, że induktor jest ładowany przez 300 ns od około 3,8 V. 3,8 V x 300ns / 2,2 µH = 518 mA. To jest szczytowy prąd cewki indukcyjnej w tym przypadku. Jest to jednak dość niski prąd wyjściowy. Znów ze śledzenia zakresu możemy wywnioskować, że prąd wyjściowy wynosi tylko około 75-80 mA. Przy wyższych prądach wyjściowych szczytowy prąd cewki indukcyjnej będzie wzrastał, aż w końcu kontroler będzie działał w trybie ciągłym (domyślam się, ale to prawdopodobne). Musisz upewnić się, że prąd cewki indukcyjnej nie przekroczy limitu nasycenia w pełnym zakresie. Jaka jest ocena induktora?

Dodano 2:

Myślę, że są tutaj dwa podstawowe problemy:

1. Oczekujesz, że zasilacz impulsowy będzie charakteryzował się niskim poziomem szumów, takim jak zasilacze liniowe, które oglądałeś. To nie jest rozsądne.

2. Otrzymujesz wiele artefaktów pomiarowych, które sprawiają, że wyniki wyglądają o wiele gorzej niż w rzeczywistości.

Twój oryginalny układ nie pomógł. Drugi jest lepszy, ale nadal chcę zobaczyć kilka ulepszeń:

Niestety masz włączoną warstwę tStop, która zaśmieca to, co naprawdę chcemy zobaczyć, ale myślę, że nadal możemy rozszyfrować ten obraz.

Masz teraz bezpośrednią ścieżkę od diody przez nasadkę wyjściową z powrotem do strony uziemienia nasadki wejściowej bez przecinania płaszczyzny uziemienia. To duża poprawa w stosunku do oryginału. Jednak płaszczyzna podłoża została rozbita z dużym otworem w kształcie litery L na środku, który rozciąga się aż do dolnej krawędzi. Lewa i prawa część dna płaszczyzny podłoża są połączone tylko długą trasą. Można to łatwo naprawić, zmniejszając nadmierne odstępy między niektórymi sieciami i przesuwając kilka części tylko trochę. Na przykład nie ma powodów, dla których dwie bardzo duże przelotki po prawej stronie wejścia + nie mogłyby być trochę dalej od siebie, aby umożliwić przepływ płaszczyzny uziemienia między nimi. To samo dotyczy lewej strony R3, między katodą diody i C5 oraz między krawędzią płytki a D1.

Myślę też, że masz za mało pojemności zarówno przed, jak i po przełączniku. Zmień C1 na 22µF jak C5 i dodaj kolejną ceramiczną nasadkę między dwoma pinami JP2.

Wypróbuj nowy eksperyment z nowym układem. Ręcznie przylutuj kolejną nasadkę 22µF bezpośrednio między pinami JP2 na spodzie płytki. Następnie przypnij masę sondy pomiarowej do styku „-” (nie jakikolwiek inny punkt uziemienia na płycie, tylko bezpośrednio do styku „-” ) i zaczep samą sondę do styku „+” (ponownie, tuż przy styku, nie jakiś inny punkt na sieci napięcia wyjściowego). Upewnij się, że nic więcej nie jest podłączone do płytki, w tym wszelkie inne sondy pomiarowe, zaciski uziemienia, przewody uziemiające itp. Jedynym innym połączeniem powinna być bateria, której również nie należy podłączać do niczego innego. Trzymaj tę konfigurację w odległości co najmniej jednej stopy od czegokolwiek innego przewodzącego, szczególnie od uziemionego. Teraz spójrz na przebieg wyjściowy. Podejrzewam, że zobaczysz znacznie mniej hałasu, który wydawał się być w pierwszym śladzie zasięgu, który opublikowałeś.

Najpierw sprawdziłbym, czy problem, którego szukasz, naprawdę istnieje i nie jest artefaktem z powodu słabego uziemienia oscyloskopu. Spędziłem sporo godzin ścigając hałas na szynach zasilających, ale okazało się, że zniknął (prawie prawie), kiedy użyłem uziemienia na sondzie oscyloskopu, zamiast osobnego przewodu do oscyloskopu.

„Właściwy” pomiar tętnień i szumów w świecie zasilaczy jest wykonywany bardzo konkretnie, aby uniknąć wychwytywania szumów CM.

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

Jeśli kształt fali tętnienia, który teraz widzisz, wygląda zupełnie inaczej, wyciągnę wniosek, że twój pierwotny pomiar był wadliwy z powodu przetwornika CM. W przeciwnym razie masz uzasadniony problem z hałasem.

Aktualizacja 1: Widzę, że masz na przewodach AGND i PGND razem na schemacie, a także na swoim układzie, i że twoje elementy kompensacyjne idą do uziemienia mocy oddzielnie od pinu AGND. To jest „zła rzecz”. Przyjrzyj się dokładnie układowi odniesienia Micrel. Zwroty kondensatora kompensacji i miękkiego rozruchu są kierowane do prywatnego uziemienia, które następnie jest podłączone do AGND, a następnie do PGND. Zapewnia to, że żaden duży prąd przełączający nie zakłóci czułych elementów kompensacji i sterowania.

Wydaje się, że po włączeniu przełącznika dzwoni w wysokiej częstotliwości, sądząc po dostarczonym przez ciebie kształcie węzła przełączającego. Ten układ scalony nie daje kontroli czasu włączania i wyłączania (FET jest zintegrowany), więc może być konieczne wypróbowanie innej diody prostowniczej doładowania lub dodanie tłumików, aby wyciszyć dzwonienie.

Myślę, że twój układ regulatora jest zbyt duży - sprawdź podany przykład w karcie danych:

Wszystkie filtry znajdują się bezpośrednio obok układu scalonego (w szczególności C5). Na przykład twój limit wyjściowy (C5) wydaje się być ponad cal od układu scalonego. Posiadanie C3 tak daleko jak do wyboru napięcia może również powodować problem (hałas indukowany na styku FB może powodować nieprawidłowe przełączanie?)

Nie pozwól, aby ten artykuł o odbiciu od ziemi poprowadził cię w złym kierunku - chociaż jestem pewien, że jego punkty dotyczące wielkości i orientacji pętli są ważne, prawdopodobnie najważniejsze jest:

• Zminimalizuj długość węzła SW (twój rozciąga się na znaczną odległość, aby dotrzeć do D1, przenieś to złącze D1 / L1 bezpośrednio do rogu układu scalonego.

• Zmniejsz rozmiar pętli tak bardzo, jak to możliwe.

Pozwoliłbym również na trochę więcej miejsca w twoim ograniczeniu mocy wyjściowej - twoje specyfikacje schematu 16v, ale masz wybór napięcia wyjściowego @ 15v.

Nie jestem ekspertem od SMPS, ale miałem w przeszłości kilka sukcesów i porażek.

jest to całkowite przypuszczenie i nie spojrzałem na arkusz danych układu, ale C1 wydaje się trochę mały. Czy próbowałeś właśnie zwiększyć tego faceta do czegoś takiego jak 100uF?