Нужна помощь в устранении шума, генерируемого светодиодами

Я очень новичок в электронике, в электронике. SE, и это мой самый первый проект, так что потерпите меня, если в моем вопросе не хватает ключевой информации (в таком случае, просто оставьте комментарий, и я постараюсь добавить отсутствующий биты).

Я построил устройство, которое контролирует около 500 светодиодов по 106 различным каналам. Существенно дизайн это:

• 1 импульсный источник питания 24 В 3A
• 1 регулятор напряжения, который выдает 5 В
• 1 плата управления с AVR ATmega168 (подключена к регулятору напряжения)
• 106 светодиодных цепочек (подключен к шине 24 В)
• 7 TLC5940 (по 16 каналов каждый) приводят драйверы для цепочек светодиодов (они отбирают оставшиеся 24 В от светодиодов, но их логика питается от регулятора 5 В).

Все работает, но я испытываю серьезные проблемы с шумом, который иногда вызывает неожиданный сброс моего устройства .

Благодаря другу, у которого есть DSO, я смог исследовать этот вопрос, и это мои выводы ...

Шум на линии электропередачи 5 В, и он довольно большой, общий размах составляет 2,55 В. Каналы SPI все относительно незатронуты:

Кажется, что шум создается светодиодами , а не передачей данных SPI (нет очевидной корреляции между любым из каналов SPI и шумом). В этом видео (извините, здесь не удалось найти способ его встраивания) вы можете видеть, что количество включенных светодиодов влияет на амплитуду шума, а их интенсивность (контролируемая с помощью ШИМ) влияет на длину шума ». взрыв "[подробнее о описании видео на YouTube].

Частота шума составляет ~ 8 МГц , это частота, которую я не использую (по крайней мере, явно), учитывая, что моя плата контроллера работает на 16 МГц, а мой SPI на 250 КГц.

Выполняя свои эксперименты, я понял, что DSO улавливал шум, даже когда был подключен только заземляющий контакт датчика. Я интерпретирую это как признак того, что шум не из-за нестабильности питания 5 В, а из-за колебательного потенциала уровня земли . Я прав?

Будучи совершенно новым для электроники и не имея формальных знаний в этой области, я попробовал несколько решений «из Интернета», правда, не будучи на 100%, они имели полный смысл в моем сценарии. Среди прочего я попробовал:

• построить фильтр нижних частот с использованием резистора 1 кОм и конденсатора 100 нФ и разместить его на шине питания 5 В, но шум не сильно изменился по амплитуде.
• разъединить шину 5 В с различными конденсаторами, включая некоторые танталовые [различные номиналы] (без видимого эффекта)
• чтобы отделить линию земли (заставил DSO пойти бананы)
• заземлить светодиоды, плату TLC и DSO к различным частям моей схемы, в том числе «как можно дальше назад» (т. е. подключать их отдельными проводами к порту заземления блока питания 24 В, чтобы избежать контуров заземления) ... но Также в этом случае мне не повезло.

Вполне возможно, что я сделал вышеупомянутое неправильно (то есть, что решение является одним из вышеупомянутых, но я реализовал его неправильно), поэтому - если вы чувствуете, что решение является одним из вышеупомянутых, не стесняйтесь сказать это, возможно, дает мне некоторое руководство о том, как реализовать это «правильно».

Последнее замечание: из-за физического размера моего проекта я выполнил все тесты, используя только одну из своих плат TLC, которую я осторожно снял с буровой установки и использовал несколько отдельных тестовых светодиодов, питаемых от источника 5В. Однако менее точные тесты на полной установке показывают, что поведение «реальной вещи» соответствует показаниям теста.

Заранее спасибо за ваше время и поддержку!

$\mu$$\mu$

Вы действительно используете источник питания 24 В с TLC5940, когда на первой странице таблицы данных TLC5940 четко указано, что абсолютное максимальное напряжение на выходных контактах оценивается в +18 В?

2.55 Vpp шум на вашей силовой шине 5 В? Это настолько плохо, что заставляет меня подозревать, что, возможно, это не реально - возможно, ваша силовая шина 5 В в порядке, но что-то производит магнитные поля, настолько сильные, что провод от вашего «зондового датчика к вашему» прицелу действует как антенна, набирает 2,55 Vpp шума.

Если бы я был тобой, мои следующие шаги были бы:

1. Используйте источник питания меньше, чем «17 V MAX Vo», упомянутый на странице 3 таблицы TLC5940 - источники питания 12 В и 15 В постоянного тока довольно распространены.
2. попробуйте уменьшить магнитный шум, переставив провода
3. добавить больше фильтрации в регулятор 5V
4. внимательно прочитайте и попробуйте применить советы по предотвращению шума .

магнитный шум

Ваша сильноточная петля проходит от источника питания +12 В постоянного тока до одного конца цепочек светодиодов, через цепочку светодиодов, к входным контактам TLC, к выводам заземления TLC, обратно к разъему GND источника питания и снова разъем +12 В постоянного тока. Магнитное поле, создаваемое этой петлей, является областью этой петли (которую вы можете контролировать, располагая провода по-разному), умноженной на ток этой петли (которую вы мало контролируете).

Попробуйте свести к минимуму площадь этого цикла. Попробуйте разбить этот цикл на 2 части:

Низкочастотный контур: пара проводов в кабеле, идущем от источника питания, к большому конденсатору рядом с микросхемой TLC, более или менее напрямую соединяющим этот конденсатор с разъемами +12 В постоянного тока и GND на источнике питания. Заземление микросхемы TLC также подключено к одному концу этого конденсатора. (возможно, большая крышка на 470 мкФ параллельно с керамической крышкой на 10 мкФ).

Высокочастотный контур: витая пара проводов в кабеле, идущем от микросхемы TLC к цепочке светодиодов. Подключите выход микросхемы TLC к небольшому резистору (возможно, 10 Ом?), А другой конец этого резистора подключите к одному проводнику витой пары. Подключите другой проводник на стороне +12 В постоянного тока большого конденсатора рядом с микросхемой TLC.

Как отметил хирург Rocket Surgeon, фильтр нижних частот может помочь:

• RC фильтр нижних частот: очень маленький конденсатор от стороны кабеля этого маленького резистора к GND может помочь, но слишком большой конденсатор там испортит ШИМ модуляцию
• Ферритовый фильтр нижних частот: может помочь ферритовый дроссель вокруг всего кабеля или 2 ферритовых шарика, по одному вокруг каждого проводника витой пары или оба.

Так как может показаться, что TLC не нужно подключать к +12 В пост. Тока, все легко подключить таким образом, чтобы получить наихудшую возможную петлю: дискретный провод +12 В пост. Тока от источника питания 12 В пост. наверх светодиодной цепи, с достаточным пространством для человека, чтобы стоять между этим проводом и обратным путем (обратный путь через светодиодную цепь, затем от нижней части светодиодной цепи к TLC, а затем от земли TLC). обратно к источнику питания), с площадью более квадратного метра области петли, производящей много магнитного шума.

(возможно, диаграмма здесь прояснит это ...)

фильтрация регулятора

Действительно ли блок питания способен выдерживать такой большой ток? Возможно, длинные кабели между источником питания и остальной частью системы не способны выдерживать импульсы быстрого всплеска?

Возможно, большие перепады в линии +12 В постоянного тока могут быть связаны с 5-вольтовым регулятором из-за недостаточной CMRR, или, возможно, даже линия + 12 В пост. Тока опускается настолько низко, что регулятор 5 В «выпадает» достаточно низко для сброса других устройств ?

Сначала я бы хотел провести быструю проверку: подключите регулятор + 5В от второго источника питания (скажем, к источнику питания +10 В) полностью независимо от источника питания +12 В, управляющего вашими светодиодами, за исключением заземления, подключающего источники питания. ,

Если кажется, что второй источник питания решает проблему, возможно, дополнительная фильтрация регулятора позволит системе работать от одного источника питания: возможно, вам нужно всего лишь добавить небольшой резистор и диод на пути от +12 В пост. Тока к Vin-контакту регулятора. , Возможно также добавьте больше или больше конденсаторов от Vin-контакта регулятора к GND.

лучшие развязки

Если вы точно знаете, что такое шумовые частоты, лучше всего использовать подавляющие развязки, которые являются заглушками с самым низким сопротивлением на этих частотах. ( Фактический импеданс физических конденсаторов на этих частотах, а не теоретический импеданс, рассчитанный как 1 / ДжВт). Вы используете «график зависимости импеданса от частоты», который выглядит примерно так:

(от Тамары Шмитц и Майка Вонга. «Выбор и использование байпасных конденсаторов» .)

Такие графики всегда показывают, что при очень низких частотах большие значения емкости являются лучшими; на очень высоких частотах физически маленькие пакеты являются лучшими.

Реальная диаграмма зависимости импеданса от частоты приведена на странице 61 каталога монолитных керамических конденсаторов Murata Chip .

Ваш шум не случайный, а выглядит как звон.

• По сути, схема представляет собой источник импульсов высокой частоты с резким подъемом / спадом, загруженный в индуктивный кабель с емкостью закрытых светодиодов на конце.

• Кабель имеет индуктивность в наногенри, диапазоне микрогенри

• Емкость составляет около нескольких пФ на светодиод

Таким образом, ответом может быть добавление фильтра нижних частот между выходом ШИМ и нагрузкой.