Я спроектировал свою первую печатную плату для повышающего преобразователя постоянного тока только для того, чтобы обнаружить, что она производит очень шумную продукцию. Дизайн основан на MIC2253 .
Вот схема:
Хотя моя схема допускает различные комбинации входных напряжений (Vin) и выходных напряжений (Vout). Я отлаживаю, когда Vin = 3,6 В и Vout = 7,2 В. Нагрузка была резистором 120 Ом. Я рассчитал коэффициент заполнения D = 0,5 (то есть 50%). Похоже, что это в пределах 10% минимальных и 90% максимальных пределов рабочего цикла, указанных в таблице. Другие компоненты, то есть колпачки, индукторы, резисторы, являются такими же или похожими на то, что указано в техническом описании в его примере применения.
Конструкция, по-видимому, дает правильное среднеквадратичное повышающее напряжение на выходе, но после просмотра сигнала через осциллограф я вижу периодически возникающие затухающие синусоидальные колебания напряжения, которые, по-видимому, инициируются переключением индуктора. Я вижу одинаковые колебания почти на каждой точке земли на доске. Колебания на выходе большие, то есть 3 В от пика до пика. После небольшого исследования кажется, что мои проблемы не связаны с выбором преобразователя, а связаны с разметкой печатной платы (см. Ссылки ниже). Я не уверен, как исправить мой макет, чтобы обеспечить приемлемые результаты.
Эти документы кажутся полезными для устранения проблемы:
- 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 прикрепил три изображения. "original pcb.png" содержит изображение доски, с которой у меня возникают проблемы. Это двухслойная доска. Красный - верхняя медь. Синий - нижняя медь.
«current loops.jpg» показывает макетную плату с оранжевым и желтым наложением двух разных путей тока, используемых для зарядки (оранжевого) и разряда (желтого) индуктора. В одной из статей ( http://www.physics.ox.ac.uk/lcfi/Electronics/EDN_Ground_bounce.pdf ) предлагалось, чтобы два токовых контура не менялись по площади, поэтому я попытался минимизировать их изменение в области в новом макете я начал в "pcb_fix.png". Я взломал оригинальную печатную плату, чтобы она была ближе к этой новой компоновке, но производительность платы не изменилась. Это все еще шумно! Качество взлома не так хорошо, как показано в "pcb_fix.png", однако, это справедливое приближение. Я бы ожидал некоторого улучшения, но я не видел ничего.
Я все еще не уверен, как это исправить. Может быть, из-за заливки земли паразитная емкость слишком велика? Возможно, у колпачков слишком большое сопротивление (ESR или ESL)? Я так не думаю, потому что они все керамические многослойные и имеют значения и диэлектрический материал, требуемые таблицей данных, то есть X5R. Возможно, мои следы могут иметь слишком большую индуктивность. Я выбрал экранированный индуктор, но возможно ли, что его магнитное поле мешает моим сигналам?
Любая помощь будет принята с благодарностью.
По просьбе автора я включил некоторые выходные данные осциллографа в различных условиях.
Выход, переменный ток, 1 м Ом, 10X, ограничение BW ВЫКЛ:
Выход, переменный ток, 1 м Ом, 10X, ограничение BW ВЫКЛ:
Выход, переменный ток, 1 мОм, 10X, BW предел 20 МГц:
Выход, связанный по переменному току, 1 М Ом, 1X, ограничение BW 20 МГц, 1 мкФ, 10 мкФ, 100 нФ, и шунтирующий выход резистора 120 Ом, т.е. они все параллельны:
Узел коммутации, DC DC, 1 М Ом, 10X, предел BW ВЫКЛ
Коммутационный узел, связанный переменным током, 1 мОм, 10X, BW предел 20 МГц
ДОБАВЛЕНО: Исходные колебания значительно ослабляются, однако при более высокой нагрузке возникают новые нежелательные колебания.
При реализации нескольких изменений, предложенных Олин Латроп, наблюдалось значительное уменьшение амплитуды колебаний. Взлом оригинальной печатной платы для аппроксимации новой компоновки несколько помог, снизив колебания до пика 2В:
Потребуются как минимум 2 недели и больше денег, чтобы получить новые прототипы плат, поэтому я избегаю этого заказа, пока не разберусь с проблемами.
Добавление дополнительных входных 22 мкФ керамических конденсаторов сделало лишь незначительную разницу. Тем не менее, подавляющее улучшение произошло благодаря простой пайке керамической крышки 22 мкФ между выходными контактами и измерению сигнала через крышку. Это довело максимальную амплитуду шума до пика в 150 мВ без ограничения полосы пропускания области применения !! Madmanguruman предложил аналогичный подход, за исключением того, что он предложил изменить наконечник зонда вместо контура. Он предложил поместить две заглушки между землей и наконечником: один электролитический электролит 10 мкФ и керамический 100 нФ (параллельно я предположил). Кроме того, он предложил ограничить ширину полосы измерения до 20 МГц и установить датчики на 1x. Похоже, что это имеет эффект ослабления шума примерно в той же степени.
Я не уверен, является ли это приемлемо низким уровнем шума или даже типичной амплитудой шума для переключающего преобразователя, но это значительное улучшение. Это было обнадеживающим, поэтому я продолжил тестировать надежность схемы при более значительной нагрузке.
К сожалению, при более высокой нагрузке схема выдает новое странное поведение. Я проверил схему с резистивной нагрузкой 30 Ом. Хотя плата по-прежнему повышает входное напряжение, как и должно быть, выход теперь имеет низкочастотный пилообразный / треугольный волновой выход. Я не уверен, что это указывает. Это похоже на постоянный ток зарядки и разрядки выходной крышки для меня на гораздо более низкой частоте, чем частота переключения 1 МГц. Я не уверен, почему это произойдет.
Зондирование коммутационного узла при тех же условиях испытаний показало грязный сигнал и ужасные колебания.
Решение найдено
На вопрос был дан ответ, и схема работает адекватно. Проблема действительно была связана со стабильностью контура управления, как предположил Олин Латроп. Я получил много хороших предложений, однако, Олин был единственным, кто предложил этот курс действий. Поэтому я приписываю ему правильный ответ на мой вопрос. Тем не менее, я очень ценю помощь каждого. Некоторые из внесенных предложений по-прежнему актуальны для улучшения дизайна и будут включены в следующую редакцию платы.
Я был вынужден последовать совету Олина и потому, что заметил, что частота пилообразного / треугольного выхода имеет ту же частоту появления, что и прямоугольная часть сигнала в узле коммутации. Я думал, что повышение напряжения на выходе было связано с успешным запитыванием индуктивности, а замедление было связано с неспособностью адекватно подать питание на индуктор во время колебательной части сигнала на переключающем узле. Это имело смысл, что это была проблема стабильности из-за этого.
Следуя предложению Олина поближе взглянуть на компенсационный вывод, я определил, что увеличение емкости сети серии RC на контакте восстановления восстановило стабильность контура управления. Эффект, который это имело на узле коммутации, был значительным, что видно на выходе прямоугольной волны:
Низкочастотная пилообразная / треугольная волна была устранена.
Некоторый высокочастотный шум (100 МГц) может все еще существовать на выходе, но было высказано предположение, что это всего лишь артефакт измерения и исчезает, когда полоса пропускания 200 МГц ограничена 20 МГц. На данный момент вывод довольно чистый:
Я предполагаю, что у меня все еще есть некоторые вопросы относительно высокочастотного шума, однако, я думаю, что мои вопросы являются более общими и не относятся к этому вопросу отладки, поэтому поток заканчивается на этом.
all.css
содержит правило .post-text img { max-width: 630px; }
, которое должно изменить размер каждого изображения в каждом сообщении до разумного размера. Я не возражаю против размещения больших изображений; они очень хорошо сжимаются в PNG, и мы можем открыть изображение в новой вкладке и увеличить, чтобы проверить, скажем, ошибки наложения штифтов и соответствия сетки.