DC / DC yükseltme dönüştürücümde büyük salınımlara neden olan nedir? Bu zemin sıçrama mı yoksa başka bir etki mi?

İlk PCB'mi bir DC-DC güç çevirici için sadece çok gürültülü çıktılar üretmesi için tasarladım. Tasarım MIC2253'ün temeline dayanıyor .
İşte şematik:

Devrim, farklı giriş gerilimi (Vin) ve çıkış gerilimi (Vout) kombinasyonlarına izin veriyor. Hata ayıkladığım durum Vin = 3.6V ve Vout = 7.2V. Yük 120 ohm'luk bir dirençti. D = 0.5 (yani% 50) görev döngüsünü hesapladım. Bu, veri sayfasında belirtilen% 10 minimum ve% 90 maksimum görev döngüsü sınırları içerisinde görünüyor. Diğer bileşenler, yani kapaklar, indüktörler, dirençler, veri formunun uygulama örneğinde önerdikleriyle aynı veya benzerdir.

Tasarım, çıkışta doğru RMS kademeli voltaj veriyor gibi görünüyor, ancak sinyali bir osiloskoptan gördükten sonra, indüktörün anahtarlaması tarafından başlatılmış gibi görünen periyodik olarak görünen sönmüş sinüzoidal voltaj salınımları görüyorum. Tahtanın hemen hemen her yer noktasında aynı salınımları görüyorum. Çıktıdaki salınımlar büyüktür, yani zirveye 3 V tepedir. Biraz araştırma yaptıktan sonra, sorunlarımın dönüştürücü seçimim için değil, PCB düzenim ile ilgili sorunlara özgü olduğu görülüyor (aşağıdaki bağlantılara bakın). Kabul edilebilir sonuçlar elde etmek için düzenimi nasıl düzelteceğimi bilmiyorum.

Bu belgeler sorunu ayıklamak için yararlı görünüyor:

• 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

Üç resim ekledim. "original pcb.png", sorun yaşıyorum kartın bir resmini içeriyor. 2 katlı bir levhadır. Kırmızı üst bakırdır. Mavi alt bakırdır.

"current loops.jpg" prototip panosunu, indüktörü şarj etmek (turuncu) ve boşaltmak (sarı) için kullanılan iki farklı akım yolunun turuncu ve sarı kaplamalarıyla gösterir. Makalelerden biri, ( http://www.physics.ox.ac.uk/lcfi/Electronics/EDN_Ground_bounce.pdf ), iki mevcut döngünün alanda değişmemesi gerektiğini önerdi, bu yüzden değişimlerini en aza indirmeye çalıştım. Alanında yeni bir düzende "pcb_fix.png" içinde başladım. Orjinal PCB'yi hackledim, böylece bu yeni düzene daha yakındı, fakat kartın performansı değişmedi. Hala gürültülü! Kesmenin kalitesi "pcb_fix.png" de gösterildiği kadar iyi değildir, ancak adil bir yaklaşımdır. Biraz iyileşme beklerdim ama görmedim.

Bunu nasıl düzelteceğimi hala bilmiyorum. Belki zemin dökülen çok fazla parazitik kapasitansa neden oluyordur? Belki de kapakların çok fazla empedansı vardır (ESR veya ESL)? Sanmıyorum, çünkü hepsi seramik çok katmanlı ve veri sayfası tarafından istenen değerlere ve dielektrik malzemeye sahip, yani X5R.Per belki izlerimin çok fazla endüktansı olabilir. Korumalı bir indüktör seçtim, ama manyetik alanının sinyallerime müdahale etmesi mümkün mü?

Herhangi bir yardım çok takdir edilecektir.

Posterin isteği üzerine farklı koşullar altında bazı osiloskop çıktıları dahil ettim.

Çıkış, AC Bağlantılı, 1M Ohm, 10X, BW limit KAPALI:

Çıkış, AC Bağlantılı, 1M Ohm, 10X, BW limit KAPALI:

Çıkış, AC Bağlantılı, 1M Ohm, 10X, BW sınırı 20Mhz:

Çıkış, AC Bağlantılı, 1M Ohm, 1X, BW, 20Mhz, 1uF, 10uF, 100nF kapaklar ve 120 ohm direnç şönt çıkış limitlerini sınırlar, yani hepsi paraleldir:

Anahtarlama Düğümü, DC Bağlantılı, 1M Ohm, 10X, BW sınırı KAPALI

Anahtarlama Düğümü, AC Bağlantılı, 1M Ohm, 10X, BW sınırı 20Mhz

EKLENDİ: Orijinal salınımlar büyük ölçüde zayıfladı, ancak daha ağır yük altında yeni istenmeyen salınımlar meydana geldi.

Olin Lathrop tarafından önerilen değişikliklerin birçoğunun uygulanması üzerine salınım genliğinde büyük bir azalma gözlendi. Orijinal cicuit panosunu yeni düzene yaklaştırarak kesmek, salınımları en üst seviyeye 2V'a düşürerek biraz yardımcı oldu:

Yeni prototip panoları elde etmek en az 2 hafta ve daha fazla para alacaktır, bu yüzden sorunları çözene kadar bu siparişten kaçınıyorum.

İlave giriş 22uF seramik kondansatörlerin eklenmesi sadece ihmal edilebilir bir fark yarattı. Bununla birlikte, ezici gelişme, çıktı pimleri arasında 22 uF'lik bir seramik kapın lehimlenmesi ve kapağın karşısındaki sinyalin ölçülmesinden kaynaklanmaktadır. Bu, maksimum bant genliğini 150mV zirveye çıkardı, bu da bant genişliği sınırlaması olmadan zirveye ulaştı !! Madmanguruman, devre yerine prob ucunu değiştirmeyi önermesi dışında benzer bir yaklaşım önerdi. Toprakla uç arasına iki başlık koymasını önerdi: bir 10uF elektrolitik ve bir 100nF seramik (sanırım paralel). Ek olarak, ölçümün bant genişliğini 20MHz ile sınırlandırmayı ve probları 1x üzerine koymayı önerdi. Bunun yaklaşık aynı büyüklükte olduğu gibi bir gürültü azaltıcı etkisi var gibiydi.

Bunun kabul edilebilir derecede düşük gürültülü bir zemin veya bir anahtarlama dönüştürücüsü için tipik bir gürültü genliği olup olmadığından emin değilim, ancak, büyük bir gelişmedir. Bu cesaret verici oldu, bu yüzden devrenin sağlamlığını daha önemli bir yükleme altında test etmeye devam ettim.

Ne yazık ki, ağır yükleme altında devre bazı yeni garip davranışlar üretiyor. Devreye 30 ohm direnç yükü ile test ettim. Kart hala giriş gerilimini gerektiği gibi arttırsa da, çıkış şimdi düşük frekanslı testere dişi / üçgen dalga çıkışına sahiptir. Bunun ne anlama geldiğinden emin değilim. Çıkış kapağının bana sabit olarak şarj edilmesi ve boşalması bana 1 Mhz anahtarlama frekansından çok daha düşük bir frekansta geliyor. Bunun neden olacağından emin değilim.

Anahtarlama düğümünü aynı test koşulları altında araştırmak dağınık bir sinyal ve korkunç salınımlar göstermiştir.

Çözüm bulundu

Soru cevaplandı ve devre uygun şekilde çalışıyor. Sorun aslında Olin Lathrop'un önerdiği gibi kontrol döngüsünün istikrarı ile ilgiliydi. Ancak bazı önerilerde bulundum, ancak bu eylemi öneren tek kişi Olin'dir. Dolayısıyla, soruma doğru cevabı verdim. Ancak, herkesin yardımını takdir ediyorum. Yapılan önerilerin birçoğu, tasarımın geliştirilmesi ile ilgili idi ve kurulun bir sonraki revizyonuna uygulanacak.

Ayrıca Olin'in tavsiyesine uymaya zorlandım, çünkü testere dişi / üçgen çıkışının frekansının, anahtarlama düğümündeki sinyalin kare dalga kısmıyla aynı görünüm frekansına sahip olduğunu fark ettim. Çıkıştaki voltajın yükselmesinin indüktöre başarıyla enerji vermesinden kaynaklandığını ve rampanın düşmesinin, anahtarlama düğümü üzerindeki sinyalin salınan kısmı sırasında indükleyiciye yeterince enerji verememesinden kaynaklandığını düşündüm. Bundan dolayı bunun bir istikrar sorunu olduğu anlaşıldı.

Olin'in tazminat pimine daha yakından bakmak için önerisini takip ederek, komponent pini üzerindeki RC serisi ağın kapasitansını arttırmanın kontrol döngüsünün kararlılığını geri kazandırdığını belirledim. Bunun anahtarlama düğümü üzerindeki etkisi, kare dalga çıktısının görebileceği gibi önemliydi:

Düşük frekanslı testere dişi / üçgen dalga ortadan kaldırıldı.

Çıktıda hala bazı yüksek frekanslı gürültü (100MHz) mevcut olabilir, ancak bunun 200Mhz kapsamının bant genişliği 20MHz ile sınırlı olduğu zaman, bunun yalnızca ölçümün bir eseri olduğu ve ortadan kalktığı ileri sürüldü. Bu noktada çıktı oldukça temiz:

Sanırım yüksek frekanslı gürültü ile ilgili hala bazı sorularım var, ancak sorularımın daha genel olduğunu ve bu hata ayıklama sorusuna özgü olmadığını düşünüyorum, bu yüzden konu burada bitiyor.

Şemanız aşırı derecede büyük ve kafa karıştırıcı bir şekilde yerleştirilmiş ve bu da insanların tepki vermesini engelliyor. Mesela, parçalar gerçekten negatif bir voltajdan gelmiyorsa, yukarıya doğru zemin çizmeyin. Başkalarının şematik bakmasını istiyorsanız, onlara saygı gösterin. Bir şeyleri okumak için metnimizi eğdirmeyin ve metnin çizimin diğer bölümleriyle çakışmadığından emin olun. Bu ayrıntılara dikkat etmek yalnızca güvenilirliğinize yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda bir iyilik arayanlara saygı gösterir. Bu soruyu daha önce görmüştüm, ama yukarıdakilerin hepsi bana "çok fazla sorun, bunu mahvet" demişti ve sonra daha düşük güçlük faktörü olan bir şeye devam ettim.

Bize bir sürü detay verdiniz, ancak bariz üst düzey meseleleri unuttunuz. Çıkış hangi gerilimde olmalıdır? Uzun yazıcınızdaki bir yerde ilerletmekten bahsettiniz, ancak çıkış konektörü tarafından yazılmış "7.2V" de var. Bu, giriş tarafından yazılmış "2.5V-10V" ile eşleşmiyor. İndüktör, anahtar ve diyodun kablolanmasından nasıl bir destek topolojisine sahipsiniz? Giriş istenen çıkış voltajını aşıyorsa bu işe yaramaz. Gerçek giriş ve çıkış voltajlarınız nelerdir? Hangi akımda?

Şimdi çalana. İlk olarak, bunlardan bazıları açıkça kapsam eserlerdir. Bir var çok küçük (2.2μH) indüktör. Denetleyici veri sayfasına bakmadım, ancak bu şaşırtıcı derecede düşük geliyor. Kontrolörün hangi anahtarlama frekansında çalışması gerekiyor? MHz veya daha fazla değilse, indüktör için 2.2 µH seçimi konusunda şüpheye düşüyorum.

Kapsam izlerinizden bazılarına bakalım:

Bu aslında makul olarak beklenen bir anahtarlama darbesi gösteriyor. Bundan, anahtarlama frekansının, en azından bu durumda, 1 MHz olduğunu görebiliriz. Amacın bu mu?

İz solda anahtar kapalıyken başlar, böylece indüktör şarj olur. Anahtar 100 ns'de açılır ve indüktör çıkışı bu nedenle akımı D1'e atmaya başlayana kadar derhal yükselir. Bu 8V'da, yani çıkış gerilimi görünüşe göre D1'in bir Schottky diyot olduğunu düşünen 7.5V gibi bir şey ama büyük bir akım darbesi elde ediyor (ortalamanın ne kadar büyük veya en azından ortalama olduğunu bilmek iyi olurdu). Bu, indüktör t = 400ns'de boşalana kadar 300 ns devam eder.

Bu noktada indüktörün çıkış tarafı açıktır ve sadece toprağa parazitik kapasitans ile bağlanır. Endüktans ve bu parazitik kapasitans, çınlamayı üreten bir tank devresi oluşturur. Bir sonraki darbeden önce bu çınlamanın sadece iki çevrimi var, ancak hafifçe çürümesine dikkat edin. Diyot kapandıktan sonra indüktörde kalan az kalan enerji şimdi ve onunla kapasitans arasında ileri geri kayıyor, ancak her döngü biraz dağılıyor. Bunların hepsi beklendiği gibi ve bu tür bir anahtarlama güç kaynağının karakteristik imzalarından biri. Zil frekansının yaklaşık 5 MHz olduğunu ve bunun gerçek bir ticari tasarımda yayılmasını önlemek için dikkatli olmanız gerektiğini unutmayın. Bu çınlama aslında bir anahtarlama güç kaynağının ana emisyonu olabilir,

Ayrıca, çalmanın 4V'nin biraz altına düştüğünü görüyoruz, bu da bize bu durumda kullandığınız giriş voltajını gösterir. Bu, en azından bu durumda, yaklaşık 2 kat kademeli bir güçlendirme dönüştürücüsü olarak çalıştığını onaylar. 2x kademesi ayrıca, bu durumda her biri 300 ns olan kabaca eşit indükleyici şarj ve deşarj fazları ile de doğrulanır.

Serbest zil tankı devresi fazı, anahtar t = 800ns'de yeniden açıldığında ani bir sona getirilir. Anahtar, indükleyiciyi şarj eden yaklaşık 300ns boyunca açık kalır ve işlem, yaklaşık 1 µs'lik bir süre ile tekrarlanır.

Bu kapsam izi aslında beklendiği gibi çalışan şeyleri gösterir. Burada sigara silahı yok.

Çıktı salınımlarından şikayet edersiniz, ancak ne yazık ki kapsam izlerinizden hiçbiri bunu göstermiyor. İlk olanlar anlamlı değildir çünkü büyük olasılıkla kapsam artefaktlarını ve ortak mod yer sıçramasını farklı bir sinyal olarak göstererek gösterirler. Bunu bile:

Bize pek anlatmıyor. Hassas voltaj skalasına dikkat edin. Burada 20 mV / bölmede şaşırtıcı bir şey yok. Bunlardan bazıları hemen hemen kesinlikle ortak mod geçicidir, kapsamı şaşırtır, böylece diferansiyel sinyal olarak görünürler. Daha yavaş olan kısımlar diyot iletkendir ve sonra iletken değildir ve akım darbesi kapasitör tarafından kısmen donar.

Yani, tüm bunlar tam olarak sorunun ne olduğuna iniyor? Çıkışta çok sayıda anahtarlama çevrimi üzerinde büyük çapta voltaj dalgalanmaları görüyorsanız, bunu gösterin. Aslen şikayet ettiğinizi düşündüğüm şey buydu. Bu durumda, şalter çipinin telafi ağına dikkatlice bakın. Veri sayfasına bakmadım, ancak pin 12 için "comp" adından ve C4 ile R2'nin buna bağlı olmasından dolayı, bu neredeyse kesinlikle geri besleme telafi ağı. Genellikle, veri sayfaları size ne kullanmanız gerektiğini söyler ve yine de kendi değerlerinizle yetinmek için yeterli bilgi vermez. Veri sayfasının bu bölümünü dikkatlice okuyun ve yaptığınız değerleri kullanmak için tüm koşulları sağlayıp sağlamadığınızı görün. Bunlar bu bölüm için önerilen değer, değil mi?

Katma:

Daha önce de bahsetmek istedim ama çatlaklardan geçti. İndüktörün doymadığından emin olmalısınız. Bu, büyük geçici olaylar ve kontrol dengesizliği de dahil olmak üzere her türlü kötü soruna neden olabilir. Kopyaladığım ilk kapsam izinden, indüktörün 300 ns için yaklaşık 3.8 V'den şarj edildiğini görebiliriz. 3.8V x 300ns / 2.2µH = 518mA. Bu, bu durumda tepe indüktör akımıdır. Ancak, bu oldukça düşük bir çıkış akımındadır. Yine kapsam izinden çıkış akımının sadece yaklaşık 75-80 mA olduğunu söyleyebiliriz. Daha yüksek çıkış akımlarında pik indüktör akımı, kontrolör sürekli modda çalışana kadar artacaktır (Tahmin ediyorum, ama bu muhtemel). Endüktör akımının doygunluk sınırını tüm aralıkta aşmadığından emin olmalısınız. İndüktörün değeri nedir?

Added2:

Burada iki temel sorun olduğunu düşünüyorum:

1. Bir anahtarlama güç kaynağının, baktığınız lineer güç kaynakları gibi düşük gürültüye sahip olmasını bekliyorsunuz. Bu mantıklı değil.

2. Çıktının gerçekte olduğundan daha kötü görünmesini sağlayan çok sayıda ölçüm eseri alıyorsunuz.

Orijinal düzeniniz önemli değil. İkincisi daha iyi ama yine de birkaç gelişme görmek istiyorum:

Maalesef, tStop katmanı, gerçekten görmek istediklerimizde yığılmaya başladı, ancak sanırım bu resmi deşifre edebiliriz.

Artık, topraklama düzleminde kesim yapmadan çıkış kapağındaki diyottan giriş kapağının zemin tarafına doğrudan bir yol var. Bu, orijinal üzerinde büyük bir gelişme. Bununla birlikte, yer düzlemini ortada L şeklinde bir yarıkla kırılmış, alttan sonuna kadar uzanmış. Zemin düzleminin tabanının sol ve sağ kısımları sadece uzun bir yoldan bağlanır. Bu, bazı ağların etrafındaki aşırı boşluk gereksinimini azaltarak ve birkaç parçayı biraz hareket ettirerek kolayca düzeltilebilir. Örneğin, + girişinin sağındaki çok büyük iki viyalin, zemin düzleminin aralarında akmasına izin vermek için birbirinden daha uzak bir litre olmamasının bir nedeni yoktur. Aynı şeyler R3'ün solunda, diyotun katodu ile C5 arasında ve tahta kenarı ile D1 arasında da geçerlidir.

Ayrıca değiştiriciden önce ve sonra kapasitenizin çok düşük olduğunu düşünüyorum. C1'i C5 gibi 22µF'ye değiştirin ve hemen JP2'nin iki pimi arasına başka bir seramik kapak ekleyin.

Yeni düzende yeni bir deneme deneyin. Tahtanın altındaki JP2 pinleri arasında doğrudan 22µF'lik bir başlığı elle lehimleyin. Ardından, kapsam probu topraklamasını "-" pime (tahtadaki başka bir topraklama noktası değil, yalnızca "-" pime ) klipsleyin ve probu kendisini "+" pime (tekrar, tam olarak pime) asın, çıkış gerilimi ağı üzerinde başka bir nokta değil). Başka herhangi bir kapsam probu, toprak klipsi, topraklama kablosu vb. Dahil olmak üzere panele başka hiçbir şeyin bağlı olmadığından emin olun. Başka bir bağlantı, başka hiçbir şeye bağlanmaması gereken pil olmalıdır. Bu kurulumu en az bir metre veya daha fazla iletken, özellikle topraklanmış herhangi bir şeyden uzak tutun. Şimdi bir çıkış dalga biçimine bakın. Yayınladığınız ilk kapsam izinde göründüğü kadarıyla gürültüden daha az göreceğinizden şüpheleniyorum.

Öncelikle takip ettiğiniz sorunun gerçekten var olduğunu ve osiloskopun zayıf topraklanmasından kaynaklanan bir eser olmadığını kontrol ederdim. Osiloskop için ayrı bir tel yerine osiloskop probu üzerindeki toprak bağlantısını kullandığımda, sadece birkaç saat boyunca güç kaynağının raylarını gürültüyü kovalamakla harcadım.

Güç kaynağının dünyasında "uygun" dalgalanma ve gürültü ölçümü, CM gürültüsünü önlemek için çok özel olarak yapılır.

Bir osiloskop sondasını tutmaya korkmazsanız, kancayı çıkarmayı deneyin, lehim a $10 \mu F$ elektrolitik ve $100 nF$doğrudan prob ucu ile topraklama halkası arasındaki seramik kapasitör, ardından probu çıkış konektörünüze mümkün olduğu kadar yakın bağlayın (bağlantıyı yapmak için elektrolitik kapasitörün aşırı uçlarının bir kısmını kullanmayı deneyin). Kapsamınızı 20 MHz bant genişliği sınırına ayarlayın ve$1 M \Omega$ giriş empedansı.

Şimdi gördüğünüz dalgalanma dalga biçimi çok farklı görünüyorsa, CM toplaması nedeniyle orijinal ölçümünüzün hatalı olduğu sonucuna varırım. Aksi takdirde, elinizde meşru bir gürültü sorunu var.

Güncelleme 1: Şemada ve düzeninizde birlikte kablolu AGND ve PGND'nin bulunduğunu ve kompanzasyon bileşenlerinin AGND piminden ayrı olarak güç toprağına gittiğini görüyorum. Bu "kötü bir şey". Micrel referans düzenine yakından bakın. Kompanzasyon ve yumuşak çalıştırma kondansatörlerinin geri dönüşlerinin tümü, daha sonra AGND'ye, ardından PGND'ye bağlı olan özel bir toprağa yönlendirilir. Bu, hiçbir ağır anahtarlama akımının hassas kompanzasyon ve kontrol bileşenlerini rahatsız etmemesini sağlar.

Anahtarınız açıldığında, sağladığınız anahtar düğümü dalga şeklini değerlendirerek HF çalıyor gibi görünüyor. Bu IC size açılma ve kapanma süresinin kontrolünü vermez (FET entegredir);

Regülatör için düzeninizin çok büyük olduğunu düşünüyorum - Veri sayfasında verilen örneği kontrol edin:

Filtrelerin tümü doğrudan IC'nin yanındadır (özellikle C5). Örneğin çıkış kapağınız (C5) IC'den bir inçten fazla görünüyor. Voltaj seçimi için sizin kadar uzak bir C3'e sahip olmak da soruna yol açabilir (FB piminde meydana gelen gürültü düzensiz anahtarlamaya neden olabilir mi?)

Yerden çıkma makalesinin sizi yanlış yöne yönlendirmesine izin vermeyin - döngü boyutu ve yönlendirme ile ilgili noktalarının önemli olduğundan emin olduğumdan eminim:

• SW düğümünün uzunluğunu en aza indirin (sizinki D1'e ulaşmak için makul bir mesafeyi uzatır, bu D1 / L1 bağlantısını doğrudan IC'nin köşesine getirin.

• Döngünün boyutunu mümkün olduğu kadar azaltın.

Ayrıca, çıkış başlığınızda biraz daha fazla boşluk bırakılmasına izin veririm - şematik özellikleriniz 16v, ancak @ 15v çıkış voltajı seçiminiz var.

SMPS konusunda uzman değilim, ancak geçmişte birkaç başarı ve başarısızlık yaşadım.

Bu toplam bir tahmin ve çip veri sayfasına bakmadım, ancak C1 biraz küçük görünüyor. Bu adamı sadece 100 uF gibi bir şeye yükseltmeyi denedin mi?