Cosa sta causando grandi oscillazioni nel mio convertitore boost DC / DC? Questo rimbalzo del terreno o qualche altro effetto?

Ho progettato il mio primo PCB per un convertitore boost DC-DC solo per scoprire che produceva un output molto rumoroso. Il design si basa sul MIC2253 .
Ecco uno schema:

Sebbene il mio circuito consenta diverse combinazioni di tensioni di ingresso (Vin) e tensioni di uscita (Vout). Il caso in cui sto eseguendo il debug è con Vin = 3,6 V e Vout = 7,2 V. Il carico era un resistore da 120 ohm. Ho calcolato il ciclo di lavoro D = 0,5 (ovvero il 50%). Ciò sembra rientrare nei limiti minimi del 10% e del 90% del ciclo di lavoro massimo specificati nella scheda tecnica. Gli altri componenti, ovvero calotte, induttori, resistori sono uguali o simili a quanto suggerito dalla scheda tecnica nel suo esempio di applicazione.

Il design sembra fornire la corretta tensione di incremento RMS sull'uscita, ma, dopo aver visto il segnale attraverso un oscilloscopio, vedo apparire periodicamente oscillazioni di tensione sinusoidale smorzate che sembrano essere iniziate dalla commutazione dell'induttore. Vedo le stesse oscillazioni su quasi tutti i punti di terra sulla scheda. Le oscillazioni sull'uscita sono grandi, cioè da 3 V picco a picco. Dopo aver fatto un po 'di ricerche, sembra che i miei problemi non siano particolari per la mia scelta del convertitore, ma per i problemi con il layout del mio PCB (vedere i link sotto). Non sono sicuro di come correggere il mio layout per garantire risultati accettabili.

Questi documenti sembrano utili per il debug del problema:

• 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

Ho allegato tre immagini. "original pcb.png" contiene un'immagine della scheda con cui ho riscontrato problemi. È una scheda a 2 strati. Il rosso è il rame superiore. Il blu è il rame inferiore.

"current loops.jpg" mostra la scheda prototipo con sovrapposizioni arancione e gialle dei due diversi percorsi di corrente utilizzati per caricare (arancione) e scaricare (giallo) l'induttore. Uno degli articoli, ( http://www.physics.ox.ac.uk/lcfi/Electronics/EDN_Ground_bounce.pdf ), suggeriva che i due loop attuali non dovessero cambiare nell'area, quindi, ho cercato di minimizzare il loro cambiamento nell'area in un nuovo layout ho iniziato in "pcb_fix.png". Ho hackerato il PCB originale in modo che fosse più vicino a questo nuovo layout, ma le prestazioni della scheda non sono cambiate. È ancora rumoroso! La qualità dell'hacking non è buona come mostrato in "pcb_fix.png", tuttavia, è una buona approssimazione. Mi sarei aspettato un certo miglioramento, ma non ne ho visto nessuno.

Non sono ancora sicuro di come risolvere questo problema. Forse il versamento del terreno sta causando troppa capacità parassitaria? Forse i limiti hanno troppa impedenza (ESR o ESL)? Non credo, perché sono tutti multistrato ceramico e hanno i valori e il materiale dielettrico richiesti dal foglio dati, ovvero X5R. Forse le mie tracce potrebbero avere troppa induttanza. Ho scelto un induttore schermato, ma è possibile che il suo campo magnetico interferisca con i miei segnali?

Qualsiasi aiuto sarebbe molto apprezzato.

Su richiesta di un poster, ho incluso alcuni output dell'oscilloscopio in condizioni diverse.

Uscita, accoppiamento CA, 1M Ohm, 10X, limite BW OFF:

Uscita, accoppiamento CA, 1M Ohm, 10X, limite BW OFF:

Uscita, accoppiamento CA, 1M Ohm, 10X, limite BW 20Mhz:

Uscita, accoppiamento CA, 1M Ohm, 1X, limite BW 20Mhz, 1uF, 10uF, tappi 100nF e uscita shunt di resistenza da 120 ohm, ovvero sono tutti in parallelo:

Switching Node, DC Coupled, 1M Ohm, 10X, BW limit OFF

Nodo di commutazione, accoppiamento CA, 1M Ohm, 10X, limite BW 20Mhz

AGGIUNTO: Le oscillazioni originali si sono notevolmente attenuate, tuttavia, sotto carico più pesante si verificano nuove oscillazioni indesiderate.

Dopo aver implementato alcune delle modifiche suggerite da Olin Lathrop, è stata osservata una grande riduzione dell'ampiezza delle oscillazioni. La pirateria informatica originale per approssimare il nuovo layout ha aiutato in qualche modo abbassando le oscillazioni da 2 V picco a picco:

Ci vorranno almeno 2 settimane e più soldi per ottenere nuove schede prototipo, quindi eviterò questo ordine fino a quando non risolverò i problemi.

L'aggiunta di ulteriori condensatori ceramici in ingresso 22uF ha fatto solo una differenza trascurabile. Tuttavia, il travolgente miglioramento è venuto dalla semplice saldatura di un tappo in ceramica da 22uF tra i pin di uscita e dalla misurazione del segnale attraverso il tappo. Ciò ha portato l'ampiezza massima del rumore a 150 mV da picco a picco senza alcuna limitazione della larghezza di banda dell'oscilloscopio !! Madmanguruman ha suggerito un approccio simile, con l'eccezione che ha suggerito di modificare la punta della sonda anziché il circuito. Suggerì di mettere due tappi tra terra e punta: un elettrolitico da 10uF e uno in ceramica da 100nF (in parallelo ho ipotizzato). Inoltre, ha suggerito di limitare la larghezza di banda della misurazione a 20 Mhz e di posizionare le sonde su 1x. Ciò sembrava avere un effetto di attenuazione del rumore anche a circa la stessa grandezza.

Non sono sicuro che si tratti di una soglia di rumore accettabilmente bassa o persino di un'ampiezza di rumore tipica per un convertitore di commutazione, ma si tratta di un enorme miglioramento. Questo è stato incoraggiante, quindi ho continuato a testare la robustezza del circuito sotto un carico più significativo.

Sfortunatamente, con un carico più pesante il circuito sta producendo un nuovo strano comportamento. Ho testato il circuito con un carico resistivo di 30 ohm. Sebbene la scheda aumenti ancora la tensione di ingresso come dovrebbe, l'uscita ora ha un'uscita a bassa frequenza a dente di sega / onda triangolare. Non sono sicuro di cosa indichi. Mi sembra che la carica e la scarica della corrente costante del cappuccio di uscita a una frequenza molto più bassa rispetto alla frequenza di commutazione di 1 Mhz. Non sono sicuro del perché questo accada.

Il sondaggio del nodo di commutazione nelle stesse condizioni di test ha mostrato un segnale disordinato e oscillazioni orribili.

Soluzione trovata

La domanda è stata risolta e il circuito funziona in modo adeguato. Il problema era in effetti correlato alla stabilità del circuito di controllo, come suggerito da Olin Lathrop. Ho ricevuto ottimi suggerimenti, tuttavia, Olin è stato l'unico a suggerire questo corso d'azione. Pertanto gli attribuisco la risposta giusta alla mia domanda. Tuttavia, apprezzo molto l'aiuto di tutti. Numerosi suggerimenti proposti erano ancora rilevanti per migliorare il design e saranno implementati nella prossima revisione del consiglio di amministrazione.

Sono stato costretto a seguire il consiglio di Olin anche perché ho notato che la frequenza dell'uscita a dente di sega / triangolo aveva la stessa frequenza di aspetto della porzione di onda quadra del segnale sul nodo di commutazione. Ho pensato che l'accelerazione della tensione sull'uscita fosse dovuta alla corretta eccitazione dell'induttore e la decelerazione era dovuta alla mancata eccitazione adeguata dell'induttore durante la porzione oscillatoria del segnale sul nodo di commutazione. Aveva senso che questo era un problema di stabilità a causa di ciò.

Seguendo il suggerimento di Olin di dare un'occhiata più da vicino al pin di compensazione, ho determinato che aumentando la capacità della rete della serie RC sul pin del computer è stata ripristinata la stabilità del circuito di controllo. L'effetto che questo ha avuto sul nodo di commutazione è stato significativo, come si può vedere dall'uscita ad onda quadra:

L'onda a dente di sega / triangolo a bassa frequenza è stata eliminata.

È possibile che sull'uscita esista ancora del rumore ad alta frequenza (100 Mhz), ma è stato suggerito che questo è solo un artefatto della misurazione e scompare quando la larghezza di banda dell'oscilloscopio da 200 Mhz è limitata a 20 Mhz. L'output è piuttosto pulito a questo punto:

Suppongo di avere ancora alcune domande sul rumore ad alta frequenza, tuttavia, penso che le mie domande siano più generali e non specifiche a questa domanda di debug, quindi il thread finisce qui.

Il tuo schema è eccessivamente grande e strutturato in modo confuso, il che scoraggia le persone a rispondere. Non disegnare terreni che vanno verso l'alto, ad esempio, a meno che le parti non provengano realmente da una tensione negativa. Se vuoi che gli altri guardino uno schema, dai loro un po 'di rispetto. Non farci inclinare la testa per leggere le cose e assicurarci che il testo non si sovrapponga ad altre parti del disegno. L'attenzione a questi dettagli non solo aiuta la tua credibilità, ma mostra anche rispetto da chi stai cercando un favore. Ho visto prima questa domanda, ma tutto quanto sopra mi ha fatto pensare "troppi problemi, fanculo questo", e poi sono passato a qualcosa con un fattore di seccatura inferiore.

Ci hai fornito un sacco di dettagli, ma hai dimenticato gli ovvi problemi di alto livello. Quale tensione dovrebbe essere l'uscita? Hai menzionato il potenziamento da qualche parte nella tua lunga scrittura, ma sembra che ci sia anche "7.2V" scritto dal connettore di uscita. Questo non corrisponde a "2,5 V-10 V" scritto dall'ingresso. Da come sono collegati l'induttore, l'interruttore e il diodo, si ha una topologia di boost. Questo non funzionerà se l'ingresso supera la tensione di uscita desiderata. Quali sono le tue attuali tensioni di ingresso e uscita? A quale corrente?

Adesso al suono. Innanzitutto, alcune di queste cose sono chiaramente artefatti. Hai un induttore molto piccolo (2,2µH). Non ho dato un'occhiata al foglio dati del controller, ma sembra sorprendentemente basso. A quale frequenza di commutazione dovrebbe operare il controller? A meno che non sia un MHz o più, sono scettico sulla scelta di 2,2 µH per l'induttore.

Diamo un'occhiata ad alcune tracce dell'oscilloscopio:

Questo sta effettivamente mostrando un impulso di commutazione ragionevolmente previsto. Da ciò possiamo anche vedere che la frequenza di commutazione, almeno in questo caso, è di 1 MHz. È quello che volevi?

La traccia inizia a sinistra con l'interruttore chiuso in modo che l'induttore si stia caricando. L'interruttore si apre a 100 ns e l'uscita dell'induttore aumenta quindi immediatamente fino a quando la sua corrente inizia a scaricarsi attraverso D1. Questo è a 8 V, quindi la tensione di uscita è apparentemente qualcosa come 7.5 V considerando che D1 è un diodo Schottky ma sta ricevendo un grande impulso di corrente (sarebbe bene sapere quanto è grande, o almeno quanto è grande la media). Questo continua per 300 ns fino a quando l'induttore viene scaricato a t = 400 ns.

A quel punto il lato di uscita dell'induttore è aperto ed è collegato solo alla capacità parassita a terra. L'induttanza e questa capacità parassita formano un circuito del serbatoio, che sta producendo il suono. Ci sono solo due cicli di questo squillo prima dell'impulso successivo, ma nota come sta leggermente decadendo. La poca energia residua che è rimasta nell'induttore dopo lo spegnimento del diodo sta ora scorrendo avanti e indietro tra esso e la capacità, ma ogni ciclo si sta dissipando un po '. Tutto è come previsto ed è una delle caratteristiche distintive di questo tipo di alimentatore switching. Si noti che la frequenza di chiamata è di circa 5 MHz, che in un vero progetto commerciale bisogna fare attenzione a evitare che si irradi. Questo squillo può effettivamente essere l'emissione principale da un alimentatore a commutazione,

Possiamo anche vedere che lo squillo sta diminuendo leggermente verso i 4 V, il che ci dice la tensione di ingresso che stavate usando in questo caso. Ciò conferma che funziona davvero come un convertitore boost con circa 2x stepup, almeno in questo caso. Lo stepup 2x è anche confermato dalle fasi di carica e scarica dell'induttore approssimativamente uguali, che in questo caso sono 300 ns ciascuna.

La fase del circuito del serbatoio ad anello libero si interrompe bruscamente quando l'interruttore si riaccende a t = 800ns. L'interruttore rimane acceso per circa 300 ns caricando l'induttore e il processo si ripete per un periodo di circa 1 µs.

Questa traccia dell'ambito mostra effettivamente le cose che funzionano come previsto. Non c'è una pistola fumante qui.

Ti lamenti delle oscillazioni di output, ma sfortunatamente nessuna delle tue tracce dell'oscilloscopio lo mostra. I primi non sono significativi poiché molto probabilmente mostrano artefatti dell'oscilloscopio e rimbalzo del terreno in modalità comune che si presentano come un segnale differenziale. Anche questo:

Non ci sta dicendo molto. Nota la scala di tensione sensibile. Non c'è nulla di sorprendente qui a 20 mV / divisione. Alcuni di questi sono quasi certamente i transitori della modalità comune che confondono l'ambito in modo da apparire come segnale differenziale. Le parti più lente sono i diodi che conducono e quindi non conducono, e l'impulso di corrente viene parzialmente assorbito dal condensatore.

Quindi, tutto si riduce a qual è esattamente il problema? Se si verificano fluttuazioni di tensione su larga scala sull'uscita su un numero di cicli di commutazione, mostrarlo. Questo è ciò di cui pensavo ti fossi inizialmente lamentato. In questo caso, dai un'occhiata alla rete di compensazione per il chip switcher. Non ho cercato il foglio dati, ma dal nome "comp" per il pin 12 e dal fatto che C4 e R2 sono collegati ad esso, questa è quasi sicuramente la rete di compensazione del feedback. Di solito, i fogli dati ti dicono semplicemente cosa usare e non ti danno abbastanza informazioni per trovare comunque i tuoi valori. Leggi attentamente quella sezione del foglio dati e vedi se hai soddisfatto tutte le condizioni per l'utilizzo dei valori che hai fatto. Questi sono i valori suggeriti per questa parte, giusto?

Inserito il:

Volevo menzionarlo prima, ma è scivolato attraverso le crepe. Devi assicurarti che l'induttore non si saturi. Ciò può causare tutti i tipi di problemi spiacevoli, compresi i transitori di grandi dimensioni e l'instabilità del controllo. Dalla prima traccia dell'oscilloscopio che ho copiato, possiamo vedere che l'induttore viene caricato per 300 ns da circa 3,8 V. 3,8 V x 300 ns / 2,2 µH = 518 mA. Questa è la corrente di picco dell'induttore in questo caso. Tuttavia, questo è a una corrente di uscita piuttosto bassa. Ancora una volta dalla traccia dell'oscilloscopio possiamo dedurre che la corrente di uscita è solo di circa 75-80 mA. A correnti di uscita più elevate la corrente di picco dell'induttore aumenterà fino a quando il controller funzionerà in modalità continua (suppongo, ma è probabile). Devi assicurarti che la corrente dell'induttore non superi il suo limite di saturazione per l'intera gamma. A cosa corrisponde l'induttore?

Added2:

Penso che ci siano due problemi di base qui:

1. Ti aspetti che un alimentatore a commutazione abbia un basso rumore come gli alimentatori lineari che hai visto. Questo non è ragionevole.

2. Stai ottenendo molti artefatti di misurazione che rendono l'output molto peggio di quanto non sia in realtà.

Il layout originale non ha aiutato le cose. Il secondo è migliore, ma voglio ancora vedere alcuni miglioramenti:

Sfortunatamente hai attivato il livello tStop che ingombra ciò che vogliamo davvero vedere, ma penso che possiamo ancora decifrare questa immagine.

Ora hai un percorso diretto dal diodo attraverso il cappuccio di uscita al lato terra del cappuccio di ingresso senza tagliare attraverso il piano di massa. Questo è un grande miglioramento rispetto all'originale. Tuttavia, hai il piano terra rotto con una grande fessura a forma di L nel mezzo che si estende fino al bordo inferiore. Le parti sinistra e destra della parte inferiore del piano terra sono collegate solo da un percorso lungo. Ciò potrebbe essere facilmente risolto riducendo l'eccessivo spazio necessario tra le reti e spostando alcune parti di poco. Ad esempio, non vi è alcun motivo per cui le due vie molto grandi a destra dell'ingresso + non possano essere un po 'più distanti tra loro per consentire al piano terra di fluire tra di loro. Lo stesso vale per la sinistra di R3, tra il catodo del diodo e C5, e tra il bordo della scheda e D1.

Penso anche che tu abbia troppo poca capacità sia prima che dopo lo switcher. Cambia C1 in 22µF come C5 e aggiungi immediatamente un altro tappo in ceramica tra i due pin di JP2.

Prova un nuovo esperimento con il nuovo layout. Saldare manualmente un altro tappo da 22µF direttamente tra i pin di JP2 sul fondo della scheda. Quindi agganciare la sonda dell'oscilloscopio al pin "-" (non qualche altro punto di massa sulla scheda, direttamente solo al pin "-" ) e agganciare la sonda stessa al pin "+" (di nuovo, proprio sul pin, non qualche altro punto sulla tensione di uscita netta). Accertarsi che nient'altro sia collegato alla scheda, comprese eventuali altre sonde oscillanti, clip di messa a terra, cavi di messa a terra, ecc. L'unica altra connessione dovrebbe essere la batteria, che non dovrebbe essere collegata a nient'altro. Mantenere questa installazione almeno a un metro di distanza da qualsiasi altra cosa conduttiva, in particolare da qualsiasi cosa a terra. Ora guarda una forma d'onda di output. Ho il sospetto che vedrai sostanzialmente meno del rumore che appariva nella prima traccia dell'ambito che hai pubblicato.

Prima verificherei che il problema che stai inseguendo esiste davvero e non è un artefatto dovuto alla scarsa messa a terra dell'oscilloscopio. Ho trascorso parecchie ore a inseguire il rumore sui binari dell'alimentatore solo per scoprire che è scomparso (quasi quasi) quando ho usato la connessione di terra sulla sonda dell'oscilloscopio, invece di un filo separato per l'oscilloscopio.

La misurazione "corretta" dell'ondulazione e del rumore nel mondo dell'alimentazione viene eseguita in modo molto specifico per evitare di captare il rumore CM.

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

Se la forma d'onda dell'ondulazione che vedi ora sembra radicalmente diversa, concluderei che la tua misura originale era difettosa a causa del pickup CM. Altrimenti, hai un legittimo problema di rumore nelle tue mani.

Aggiornamento 1: vedo che hai AGND e PGND cablati insieme sul tuo schema e sul tuo layout e che i tuoi componenti di compensazione stanno andando a terra separata dal pin AGND. Questa è "una brutta cosa". Guarda da vicino il layout di riferimento di Micrel. I ritorni dei condensatori di compensazione e soft start vengono tutti indirizzati a una terra privata, che viene quindi collegata a AGND, quindi a PGND. Ciò garantisce che nessuna forte corrente di commutazione possa disturbare i componenti sensibili di compensazione e controllo.

Sembra che squilli HF quando l'interruttore si accende, a giudicare dalla forma d'onda del nodo di commutazione fornita. Questo circuito integrato non ti dà il controllo del tempo di accensione e spegnimento (il FET è integrato), quindi potresti dover provare un altro diodo raddrizzatore boost o aggiungere alcuni sneaker per ridurre il suono della suoneria.

Penso che il tuo layout per il regolatore sia troppo grande - Controlla l'esempio fornito nella scheda tecnica:

Tutti i filtri sono direttamente accanto all'IC (C5 in particolare). Il limite di output, ad esempio (C5), sembra essere più di un pollice dall'IC. Avere C3 il più lontano possibile per la selezione della tensione può anche causare un problema (Il rumore indotto sul pin FB potrebbe causare una commutazione errata?)

Non lasciare che l'articolo di rimbalzo del terreno ti porti nella direzione sbagliata - mentre sono sicuro che i suoi punti sulla dimensione e l'orientamento del loop sono importanti, è probabilmente molto importante:

• Riduci al minimo la lunghezza del nodo SW (il tuo estende una discreta distanza per raggiungere D1, sposta quella giunzione D1 / L1 direttamente nell'angolo dell'IC.

• Riduci il più possibile le dimensioni del loop.

Consentirei anche un po 'più di headroom nel tuo output cap - le tue specifiche schematiche 16v ma hai una selezione della tensione di uscita @ 15v.

Non sono un esperto di SMPS ma ho avuto alcuni successi e fallimenti in passato.

questa è una supposizione totale e non ho visto il foglio dati del chip, ma C1 sembra un po 'piccolo. Hai provato a potenziare quel ragazzo a qualcosa come 100 uF?