Что вызывает большие колебания в моем повышающем преобразователе постоянного тока в постоянный? Это отскок земли или какой-то другой эффект?

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.

Ваша схема чрезмерно велика и выложена в замешательстве, что отговаривает людей реагировать. Например, не рисуйте землю, идущую вверх, если только детали на самом деле не имеют отрицательного напряжения. Если вы хотите, чтобы другие смотрели на схему, уважайте их. Не заставляйте нас наклонять головы, чтобы читать что-то, и следите за тем, чтобы текст не перекрывал другие части рисунка. Внимание к этим деталям не только помогает вашему авторитету, но и показывает уважение со стороны тех, от кого вы ищете услугу. Я уже видел этот вопрос ранее, но все вышесказанное заставило меня подумать «слишком много проблем, напортачить», и затем я перешел к чему-то с более низким фактором хлопот.

Вы дали нам кучу подробностей, но забыли об очевидных проблемах высокого уровня. Какое напряжение должно быть на выходе? Вы упомянули о повышении где-то в вашей длительной записи, но также есть «7.2V», записанное выходным разъемом. Это не совпадает с «2.5V-10V», записанным на входе. От того, как индуктивность, переключатель и диод связаны, у вас есть повышающая топология. Это не сработает, если входное напряжение превышает желаемое выходное напряжение. Каковы ваши фактические входные и выходные напряжения? При каком токе?

Теперь на звонок. Во-первых, некоторые из этих вещей - явные артефакты. У вас очень маленький (2,2 мкГн) индуктор. Я не смотрел на таблицу данных контроллера, но это звучит удивительно низко. На какой частоте переключения должен работать контроллер? Если это не МГц или более, я скептически отношусь к выбору индуктивности 2,2 мкГн.

Давайте посмотрим на некоторые из ваших следов области:

Это фактически показывает разумно ожидаемый импульс переключения. Из этого также видно, что частота переключения, по крайней мере, в этом случае, составляет 1 МГц. Это то, что вы хотели?

Трасса начинается слева с замкнутого переключателя, так что индуктор заряжается. Переключатель размыкается при 100 нс, и поэтому выход индуктора немедленно возрастает, пока его ток не начнет подаваться через D1. Это составляет 8 В, поэтому выходное напряжение, по-видимому, примерно 7,5 В, учитывая, что D1 представляет собой диод Шоттки, но получает большой импульс тока (было бы хорошо узнать, насколько велико или, по крайней мере, насколько велико среднее значение). Это продолжается в течение 300 нс, пока индуктор не разрядится при t = 400 нс.

В этот момент выходная сторона индуктора открыта и подключена только к паразитной емкости к земле. Индуктивность и эта паразитная емкость образуют контур резервуара, который производит звон. Есть только два цикла этого звонка перед следующим импульсом, но обратите внимание, как он немного затухает. Небольшая оставшаяся энергия, которая осталась в индукторе после отключения диода, теперь смещается туда-сюда между ним и емкостью, но каждый цикл немного рассеивается. Это все, как и ожидалось, и является одной из характерных сигнатур этого типа импульсного источника питания. Обратите внимание, что частота звонка составляет около 5 МГц, с которой в реальном коммерческом проекте вы должны быть осторожны, чтобы избежать ее излучения. Этот звонок на самом деле может быть основным излучением от импульсного источника питания,

Мы также можем видеть, что звон затухает в сторону чуть ниже 4 В, что говорит нам о входном напряжении, которое вы использовали в этом случае. Это подтверждает, что он действительно работает как повышающий преобразователь с примерно 2-кратным увеличением, по крайней мере, в этом случае. Повышение в 2 раза также подтверждается примерно равными фазами заряда и разряда индуктора, которые в данном случае составляют 300 нс каждая.

Фаза цепи свободного звонка в баке резко обрывается, когда переключатель снова включается при t = 800 нс. Переключатель остается включенным около 300 нс, заряжая индуктор, и процесс повторяется с периодом около 1 мкс.

Эта трассировка фактически показывает, что все работает так, как ожидалось. Здесь нет курящего пистолета.

Вы жалуетесь на выходные колебания, но, к сожалению, ни одна из ваших трассировок не показывает этого. Первые из них не имеют смысла, так как они, скорее всего, показывают артефакты области видимости и отскок от синфазного сигнала в виде дифференциального сигнала. Даже этот:

Не говорит нам много. Обратите внимание на чувствительную шкалу напряжения. Здесь нет ничего удивительного при 20 мВ / деление. Частично это почти наверняка является переходным режимом синфазного режима, запутывающим область видимости, так что они отображаются как дифференциальный сигнал. Более медленные части представляют собой диод, проводящий, а затем не проводящий, и импульс тока частично поглощается конденсатором.

Итак, все это сводится к тому, что именно проблема? Если вы видите большие колебания напряжения на выходе в течение нескольких циклов переключения, то покажите это. Это то, на что я думал, что вы изначально жаловались. Если это так, то внимательно посмотрите на сеть компенсации для микросхемы коммутатора. Я не искал таблицу данных, но из названия «comp» для контакта 12 и того факта, что к нему подключены C4 и R2, это почти наверняка сеть компенсации обратной связи. Обычно таблицы данных просто говорят вам, что использовать, и не дают достаточно информации, чтобы в любом случае придумать ваши собственные ценности. Внимательно прочитайте этот раздел таблицы и посмотрите, выполнили ли вы все условия для использования значений, которые вы сделали. Это рекомендуемое значение для этой части, верно?

Добавлено:

Я хотел упомянуть об этом раньше, но он проскользнул сквозь трещины. Вы должны убедиться, что индуктор не насыщает. Это может вызвать всевозможные неприятные проблемы, включая большие переходные процессы и нестабильность управления. Из первой скопированной области видимости мы видим, что индуктор заряжается в течение 300 нс при напряжении около 3,8 В. 3,8 В x 300 нс / 2,2 мкГн = 518 мА. Это пиковый ток индуктора в этом случае. Тем не менее, это при довольно низком выходном токе. Опять же, из трассировки объема мы можем сделать вывод, что выходной ток составляет всего около 75-80 мА. При более высоких выходных токах пиковый ток индуктора будет увеличиваться до тех пор, пока контроллер не будет работать в непрерывном режиме (я полагаю, но это вероятно). Вы должны убедиться, что ток индуктора не превышает своего предела насыщения во всем диапазоне. На что рассчитан индуктор?

Added2:

Я думаю, что здесь есть две основные проблемы:

1. Вы ожидаете, что импульсный источник питания будет иметь низкий уровень шума, как линейные источники питания, на которые вы смотрели. Это не разумно.

2. Вы получаете много измерительных артефактов, которые делают вывод намного хуже, чем он есть на самом деле.

Ваш оригинальный макет не помогал вопросам. Второй лучше, но я все еще хочу увидеть несколько улучшений:

К сожалению, у вас включен слой tStop, который загромождает то, что мы действительно хотим видеть, но я думаю, что мы все еще можем расшифровать эту картинку.

Теперь у вас есть прямой путь от диода через выходной колпачок обратно к стороне заземления входного колпачка без разрезания через плоскость заземления. Это большое улучшение по сравнению с оригиналом. Однако, у вас есть земная плоскость, разбитая с большим L-образным пазом в середине, который простирается до самого нижнего края. Левая и правая части нижней части плоскости земли соединены только длинной трассой. Это можно легко исправить, уменьшив чрезмерное расстояние между некоторыми сетками и немного переместив несколько частей. Например, нет причин, по которым два очень больших переходных отверстия справа от входа «+» не могли быть немного дальше друг от друга, чтобы позволить плоскости земли протекать между ними. То же самое относится и к левой стороне R3, между катодом диода и C5 и между краем платы и D1.

Я также думаю, что у вас слишком маленькая емкость как до, так и после коммутатора. Измените C1 на 22 мкФ, как C5, и сразу добавьте еще одну керамическую крышку между двумя контактами JP2.

Попробуйте новый эксперимент с новым макетом. Вручную припаять еще одну крышку 22 мкФ непосредственно между контактами JP2 в нижней части платы. Затем прикрепите заземление зонда к контакту «-» (а не к какой-либо другой точке заземления на плате, непосредственно к контакту «-» ) и подключите сам датчик к контакту «+» (опять же, прямо на контакте)., а не какой-то другой пункт в сети выходного напряжения). Убедитесь, что больше ничего не подключено к плате, включая любые другие датчики области, зажимы заземления, провода заземления и т. Д. Единственным другим подключением должна быть батарея, которая также не должна быть подключена ни к чему другому. Держите эту настройку на расстоянии не менее фута от других проводящих элементов, особенно заземленных. Теперь посмотрите на выходной сигнал. Я подозреваю, что вы увидите значительно меньше шума, который, по-видимому, был в первой трассировке, которую вы опубликовали.

Сначала я бы проверил, что проблема, которую вы преследуете, действительно существует и не является следствием плохого заземления осциллографа. Я потратил довольно много часов, гоняясь за шумом на шинах электропитания, только чтобы обнаружить, что он исчез (ну почти), когда я использовал заземление на датчике осциллографа вместо отдельного провода к осциллографу.

«Правильное» измерение пульсаций и шума в мире источников питания сделано очень конкретно, чтобы избежать улавливания шума CM.

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

Если волновая форма волны, которую вы сейчас видите, выглядит совершенно иначе, я бы пришел к выводу, что ваше исходное измерение было ошибочным из-за захвата CM. В противном случае у вас законная проблема с шумом.

Обновление 1: я вижу, что у вас есть жестко соединенные AGND и PGND вместе на вашей схеме, а также на вашей компоновке, и что ваши компоненты компенсации идут на заземление отдельно от вывода AGND. Это "плохо". Посмотрите внимательно на эталонный макет Micrel. Компенсация и возврат конденсатора плавного пуска все направляются на частное заземление, которое затем подключается к AGND, а затем к PGND. Это гарантирует, что сильный ток переключения не будет мешать чувствительным компонентам компенсации и управления.

Судя по предоставленной вами форме сигнала узла коммутации, при включении коммутатора возникает высокочастотный сигнал. Эта микросхема не дает вам контроля над временем включения и выключения (встроенный FET), поэтому вам, возможно, придется попробовать другой диод с выпрямительным усилителем или добавить некоторые демпферы, чтобы успокоить звон.

Я думаю, что ваш макет для регулятора слишком велик - проверьте приведенный пример в техническом описании:

Все фильтры находятся рядом с микросхемой (в частности, C5). Например, ваш выходной колпачок (C5) находится на расстоянии более дюйма от микросхемы. Наличие С3 на таком же расстоянии, как и вы, для выбора напряжения также может вызвать проблемы (Шум, вызванный на выводе FB, может вызвать ошибочное переключение?)

Не позволяйте, чтобы эта статья отскочила от земли, и вы пошли в неправильном направлении - хотя я уверен, что ее пункты о размере и ориентации петли важны, вероятно, наиболее важно:

• Минимизируйте длину SW-узла (ваш простирается на достаточное расстояние, чтобы достичь D1, переместите это соединение D1 / L1 прямо в угол IC.

• Уменьшите размер цикла как можно больше.

Я также позволил бы немного больше запаса мощности в вашем выходном колпачке - ваши характеристики схемы 16v, но у вас есть выбор выходного напряжения @ 15v.

Я не эксперт по SMPS, но в прошлом у меня было несколько успехов и неудач.

это полное предположение, и я не смотрел на таблицу данных по чипам, но C1 кажется немного маленькой. Вы пробовали просто повысить этого парня до чего-то вроде 100 мкФ?