O que está causando grandes oscilações no meu conversor de impulso DC / DC? Esse rebote no solo ou algum outro efeito?

Projetei meu primeiro PCB para um conversor de impulso DC-DC apenas para descobrir que ele produzia uma saída muito barulhenta. O design é baseado no MIC2253 .
Aqui está um esquema:

Embora meu circuito permita combinações diferentes de tensões de entrada (Vin) e tensões de saída (Vout). O caso em que estou depurando é com Vin = 3,6V e Vout = 7,2V. A carga era um resistor de 120 ohm. Calculei o ciclo de serviço D = 0,5 (ou seja, 50%). Isso parece estar dentro dos limites mínimos de 10% e 90% do ciclo de serviço especificados na folha de dados. Os outros componentes, como tampas, indutores, resistores, são iguais ou similares ao sugerido pela folha de dados em seu exemplo de aplicação.

O design parece fornecer a tensão correta de aumento do RMS na saída, mas, depois de visualizar o sinal através de um osciloscópio, vejo oscilações de tensão senoidal amortecidas aparecendo periodicamente, o que parece ser iniciado pela comutação do indutor. Eu vejo as mesmas oscilações em quase todos os pontos no quadro. As oscilações na saída são grandes, ou seja, 3 V pico a pico. Depois de fazer um pouco de pesquisa, parece que meus problemas não são específicos da minha escolha de conversor, mas de problemas com o layout do meu PCB (veja os links abaixo). Não tenho certeza de como corrigir meu layout para garantir resultados aceitáveis.

Estes documentos parecem úteis para depurar o 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

Anexei três imagens. "original pcb.png" contém uma imagem do quadro com o qual estou tendo problemas. É uma placa de 2 camadas. Vermelho é o cobre superior. Azul é cobre inferior.

"current loops.jpg" mostra a placa protótipo com sobreposições laranja e amarelo dos dois caminhos de corrente diferentes usados ​​para carregar (laranja) e descarregar (amarelo) o indutor. Um dos artigos, ( http://www.physics.ox.ac.uk/lcfi/Electronics/EDN_Ground_bounce.pdf ), sugeriu que os dois loops atuais não deveriam mudar de área, portanto, tentei minimizar a alteração. na área em um novo layout, comecei em "pcb_fix.png". Eu hackeei o PCB original para ficar mais próximo desse novo layout, mas o desempenho da placa não mudou. Ainda é barulhento! A qualidade do hack não é tão boa quanto mostrada em "pcb_fix.png", no entanto, é uma aproximação justa. Eu esperava alguma melhora, mas não vi nenhuma.

Ainda não tenho certeza de como consertar isso. Talvez o vazamento do solo esteja causando muita capacitância parasitária? Talvez os limites tenham muita impedância (ESR ou ESL)? Acho que não, porque todos são multicamadas de cerâmica e têm os valores e material dielétrico solicitados pela ficha de dados, ou seja, X5R. Talvez meus vestígios possam ter muita indutância. Eu escolhi um indutor blindado, mas é possível que seu campo magnético esteja interferindo nos meus sinais?

Qualquer ajuda será muito apreciada.

A pedido de um pôster, incluí algumas saídas do osciloscópio sob diferentes condições.

Saída, Acoplado CA, 1M Ohm, 10X, limite BW OFF:

Saída, Acoplado CA, 1M Ohm, 10X, limite BW OFF:

Saída, Acoplado CA, 1M Ohm, 10X, limite de BW 20Mhz:

Saída, acoplamento CA, 1M Ohm, 1X, limite de BW 20Mhz, 1uF, 10uF, 100nF caps e saída de derivação do resistor de 120 ohm, ou seja, todos eles em paralelo:

Nó de comutação, acoplado a CC, 1M Ohm, 10X, limite de BW OFF

Nó de comutação, acoplado a CA, 1M Ohm, 10X, limite de BW 20Mhz

ADICIONADO: As oscilações originais atenuaram muito, no entanto, sob carga mais pesada, novas oscilações indesejáveis ​​ocorrem.

Ao implementar várias das alterações sugeridas por Olin Lathrop, foi observada uma grande diminuição na amplitude da oscilação. Cortar a placa original do circuito para aproximar o novo layout ajudou um pouco, diminuindo as oscilações para 2V pico a pico:

Levará pelo menos duas semanas e mais dinheiro para obter novas placas de protótipo, por isso evito esse pedido até resolver os problemas.

A adição de capacitores cerâmicos adicionais de 22uF de entrada fez apenas uma diferença desprezível. No entanto, a grande melhoria veio simplesmente da soldagem de uma tampa de cerâmica de 22uF entre os pinos de saída e da medição do sinal na tampa. Isso trouxe a amplitude máxima do ruído para 150mV pico a pico, sem qualquer limitação de largura de banda do escopo !! Madmanguruman sugeriu uma abordagem semelhante, com a exceção de que sugeria alterar a ponta da sonda em vez do circuito. Ele sugeriu colocar duas tampas entre o solo e a ponta: uma eletrolítica de 10uF e uma cerâmica de 100nF (em paralelo, presumi). Além disso, ele sugeriu limitar a largura de banda da medição a 20Mhz e colocar as sondas em 1x. Isso também parecia ter um efeito atenuante de ruído na mesma magnitude.

Não tenho certeza se esse é um nível de ruído aceitável baixo ou mesmo uma amplitude de ruído típica para um conversor de comutação, mas é uma grande melhoria. Isso foi encorajador, então testei a robustez do circuito sob cargas mais significativas.

Infelizmente, sob cargas mais pesadas, o circuito está produzindo um novo comportamento estranho. Testei o circuito com uma carga resistiva de 30 ohm. Embora a placa ainda aumente a tensão de entrada como deveria, a saída agora tem uma saída de dente de serra / onda de triângulo de baixa frequência. Não tenho certeza do que isso indica. Parece-me com carga e descarga de corrente constante da tampa de saída para mim em uma frequência muito menor do que a frequência de comutação de 1 Mhz. Não sei por que isso aconteceria.

A sondagem do nó de comutação nas mesmas condições de teste mostrou um sinal confuso e oscilações horríveis.

Solução encontrada

A pergunta foi respondida e o circuito está funcionando adequadamente. O problema estava realmente relacionado à estabilidade do circuito de controle, como sugeriu Olin Lathrop. Recebi ótimas sugestões, no entanto, Olin foi o único a sugerir esse curso de ação. Portanto, eu credito a ele a resposta certa para minha pergunta. No entanto, aprecio muito a ajuda de todos. Várias das sugestões feitas ainda eram relevantes para melhorar o design e serão implementadas na próxima revisão do quadro.

Fui obrigado a seguir o conselho de Olin também porque notei que a frequência da saída dente de serra / triângulo tinha a mesma frequência de aparência que a parte da onda quadrada do sinal no nó de comutação. Eu pensei que o aumento da tensão na saída era devido à energização bem-sucedida do indutor e a redução foi devido à falha em energizar adequadamente o indutor durante a parte oscilatória do sinal no nó de comutação. Fazia sentido que este fosse um problema de estabilidade por causa disso.

Seguindo a sugestão de Olin de examinar mais de perto o pino de compensação, determinei que o aumento da capacitância da rede da série RC no pino comp restaurava a estabilidade do loop de controle. O efeito que isso teve no nó de comutação foi significativo, como pode ser visto pela saída de onda quadrada:

A onda dente de serra / triângulo de baixa frequência foi eliminada.

Ainda pode existir algum ruído de alta frequência (100Mhz) na saída, mas foi sugerido que este é apenas um artefato da medição e desaparece quando a largura de banda do osciloscópio de 200Mhz é limitada a 20Mhz. A saída é bastante limpa neste momento:

Suponho que ainda tenho algumas perguntas sobre o ruído de alta frequência, no entanto, acho que minhas perguntas são mais gerais e não específicas dessa pergunta de depuração; portanto, o thread termina aqui.

Seu esquema é excessivamente grande e disposto de maneira confusa, o que desencoraja as pessoas a responder. Não faça aterramentos subindo, por exemplo, a menos que as peças realmente venham de uma tensão negativa. Se você quiser que outras pessoas olhem para um esquema, respeite-as. Não nos faça inclinar a cabeça para ler as coisas e garantir que o texto não se sobreponha a outras partes do desenho. A atenção a esses detalhes não só ajuda a sua credibilidade, mas também mostra respeito por aqueles que você está buscando um favor. Eu vi essa pergunta mais cedo, mas todas as opções acima me fizeram pensar "demais, que se dane", e depois passei para algo com um fator de aborrecimento mais baixo.

Você nos deu vários detalhes, mas esqueceu os problemas óbvios de alto nível. Que voltagem deve ser a saída? Você mencionou o aumento em algum lugar em sua longa documentação, mas também parece haver "7,2V" gravados pelo conector de saída. Isso não corresponde ao "2.5V-10V" escrito pela entrada. De como o indutor, o comutador e o diodo são conectados, você tem uma topologia de aumento. Isso não funcionará se a entrada exceder a tensão de saída desejada. Quais são as tensões reais de entrada e saída? Em que corrente?

Agora para o toque. Primeiro, algumas dessas coisas são claramente artefatos de escopo. Você tem um indutor muito pequeno (2,2 µH). Não olhei para a folha de dados do controlador, mas isso parece surpreendentemente baixo. Em que frequência de comutação o controlador deve operar? A menos que seja um MHz ou mais, sou cético quanto à escolha de 2,2 µH para o indutor.

Vejamos alguns dos seus rastreamentos de escopo:

Na verdade, isso mostra um pulso de comutação razoavelmente esperado. A partir disso, também podemos ver que a frequência de comutação, pelo menos neste caso, é de 1 MHz. É isso que você pretendia?

O traço começa à esquerda com o interruptor fechado para que o indutor esteja carregando. O interruptor é aberto a 100 ns e, portanto, a saída do indutor aumenta imediatamente até que sua corrente comece a cair através de D1. Isso está em 8V, então a tensão de saída é aparentemente algo como 7,5V, considerando que D1 é um diodo Schottky, mas está recebendo um pulso de corrente grande (seria bom saber quão grande ou pelo menos quão grande é a média). Isso continua por 300 ns até que o indutor seja descarregado em t = 400ns.

Nesse ponto, o lado de saída do indutor está aberto e é conectado apenas à capacitância parasita ao terra. A indutância e essa capacitância parasitária formam um circuito de tanque, que está produzindo o toque. Existem apenas dois ciclos desse toque antes do próximo pulso, mas observe como ele está decaindo levemente. A pouca energia restante que foi deixada no indutor após o desligamento do diodo agora está oscilando entre ele e a capacitância, mas cada ciclo é dissipado um pouco. Isso é tudo como esperado e é uma das assinaturas características desse tipo de fonte de alimentação comutada. Observe que a frequência de toque é de cerca de 5 MHz, que, em um design comercial real, você deve ter cuidado para evitar que irradie. Esse toque pode ser a principal emissão de uma fonte de alimentação comutada,

Também podemos ver que o toque está decaindo para um pouco abaixo de 4V, o que indica a tensão de entrada que você estava usando neste caso. Isso confirma que ele realmente está operando como um conversor de impulso com cerca de 2x stepup, pelo menos nesse caso. O aumento de 2x também é confirmado pelas fases aproximadamente iguais de carga e descarga do indutor, que são 300 ns cada neste caso.

A fase do circuito do tanque de toque livre é interrompida abruptamente quando o interruptor liga novamente em t = 800ns. O interruptor permanece ligado por cerca de 300ns carregando o indutor e o processo se repete com um período de aproximadamente 1 µs.

Esse rastreamento de escopo realmente mostra as coisas funcionando conforme o esperado. Não há arma para fumar aqui.

Você reclama de oscilações de saída, mas infelizmente nenhum dos seus rastreamentos de escopo mostra isso. Os primeiros não são significativos, pois provavelmente mostram artefatos de escopo e ressalto de terra no modo comum aparecendo como um sinal diferencial. Mesmo este:

Não está nos dizendo muito. Observe a escala de tensão sensível. Não há nada de surpreendente aqui em 20 mV / divisão. Parte disso é quase certamente o transiente do modo comum, confundindo o escopo, para que apareça como sinal diferencial. As partes mais lentas são o diodo condutor e, em seguida, o condutor, e o pulso de corrente sendo parcialmente absorvido pelo capacitor.

Então, tudo isso se resume ao que exatamente é o problema? Se você estiver vendo flutuações de tensão em grande escala na saída ao longo de vários ciclos de comutação, mostre isso. Foi sobre isso que pensei que você estava reclamando originalmente. Se for esse o caso, dê uma olhada cuidadosa na rede de compensação do chip do comutador. Não procurei a folha de dados, mas pelo nome "comp" do pino 12 e pelo fato de que C4 e R2 estão conectados a ela, essa é quase certamente a rede de compensação de feedback. Geralmente, as planilhas de dados apenas informam o que usar e não fornecem informações suficientes para que você crie seus próprios valores. Leia atentamente a seção da folha de dados e verifique se você atendeu a todas as condições para usar os valores que fez. Esse é o valor sugerido para esta parte, certo?

Adicionado:

Eu pretendia mencionar isso antes, mas ele escorregou pelas fendas. Você precisa garantir que o indutor não esteja saturando. Isso pode causar todo tipo de problemas desagradáveis, incluindo grandes transitórios e instabilidade de controle. Desde o primeiro rastreamento de escopo que eu copiei, podemos ver que o indutor está sendo carregado por 300 ns a partir de 3,8 V. 3,8V x 300ns / 2,2µH = 518mA. Esse é o pico da corrente do indutor neste caso. No entanto, isso está em uma corrente de saída bastante baixa. Novamente, a partir do rastreamento do escopo, podemos inferir que a corrente de saída é de apenas 75-80 mA. Em correntes de saída mais altas, a corrente do indutor de pico aumentará até que, eventualmente, o controlador funcione no modo contínuo (suponho, mas isso é provável). Você deve garantir que a corrente do indutor não exceda seu limite de saturação em toda a faixa. Qual é a classificação do indutor?

Adicionado2:

Eu acho que existem dois problemas básicos aqui:

1. Você espera que uma fonte de alimentação comutada tenha baixo ruído, como as fontes de alimentação lineares que você visualizou. Isto não é razoável.

2. Você está recebendo muitos artefatos de medição que tornam a saída muito pior do que realmente é.

Seu layout original não ajudou em nada. O segundo é melhor, mas ainda quero ver algumas melhorias:

Infelizmente, você tem a camada tStop ativada, bagunçando o que realmente queremos ver, mas acho que ainda podemos decifrar essa imagem.

Agora você tem um caminho direto do diodo através da tampa de saída de volta para o lado do solo da tampa de entrada sem cortar através do plano de terra. Essa é uma grande melhoria em relação ao original. No entanto, você tem o plano de terra quebrado com um grande slot em forma de L no meio, que se estende até a borda inferior. As partes esquerda e direita da parte inferior do plano de terra são conectadas apenas por uma rota longa. Isso pode ser facilmente corrigido, reduzindo o espaçamento excessivo em torno de algumas de suas redes e movendo algumas partes apenas um pouco. Por exemplo, não há motivos para as duas vias muito grandes à direita da entrada + não estarem um pouco mais afastadas para permitir que o plano de terra flua entre elas. O mesmo se aplica à esquerda de R3, entre o cátodo do diodo e C5 e entre a borda da placa e D1.

Eu também acho que você tem pouca capacitância antes e depois do comutador. Altere C1 para 22µF como C5 e adicione outra tampa de cerâmica imediatamente entre os dois pinos do JP2.

Experimente uma nova experiência com o novo layout. Solde manualmente outra tampa de 22µF diretamente entre os pinos do JP2 na parte inferior da placa. Prenda o aterramento da sonda de luneta no pino "-" (não em algum outro ponto de aterramento na placa, diretamente apenas no pino "-" ) e prenda a própria sonda no pino "+" (novamente, diretamente no pino), não outro ponto da rede de tensão de saída). Verifique se não há mais nada conectado à placa, incluindo outras sondas, clipes de aterramento, fios de aterramento, etc. A única outra conexão deve ser a bateria, que também não deve ser conectada a mais nada. Mantenha essa configuração a pelo menos 30 cm de distância de qualquer outra coisa condutora, particularmente qualquer coisa aterrada. Agora observe a forma de onda de saída. Eu suspeito que você verá substancialmente menos do ruído que parecia estar no primeiro rastreamento de escopo que você postou.

Primeiro, eu verificaria se o problema que você está perseguindo realmente existe e não é um artefato devido à falta de aterramento do osciloscópio. Passei algumas horas perseguindo o ruído nos trilhos da fonte de alimentação apenas para descobrir que ele desapareceu (quase quase) quando usei a conexão à terra na sonda do osciloscópio, em vez de um fio separado para o osciloscópio.

A medição "adequada" de ondulações e ruídos no mundo da fonte de alimentação é feita de maneira muito específica para evitar a captação de ruído CM.

Se você não tiver medo de alterar uma sonda do osciloscópio, tente remover o gancho, solde um capacitor eletrolítico de e cerâmica diretamente entre a ponta da sonda e o anel de aterramento e conecte a sonda o mais próximo possível da sua saída (tente usar alguns dos fios em excesso do capacitor eletrolítico para fazer a conexão). Defina seu escopo para o limite de largura de banda de 20 MHz e a impedância de entrada de .100 n F 1 M $10 \mu F$$100 nF$$1 M \Omega$

Se a forma de onda ondulada que você vê agora parecer radicalmente diferente, eu concluiria que sua medida original foi falha devido à captação de CM. Caso contrário, você tem um problema de ruído legítimo em suas mãos.

Atualização 1: Vejo que você conectou o AGND e o PGND ao seu esquema, assim como no layout, e que seus componentes de compensação vão para o aterramento separado do pino AGND. Isso é "uma coisa ruim". Observe atentamente o layout de referência da Micrel. Todos os retornos do capacitor de compensação e partida suave são roteados para um terra privado, que é então conectado ao AGND e ao PGND. Isso garante que nenhuma corrente de comutação pesada perturbe os componentes sensíveis de compensação e controle.

Parece que o HF está tocando quando o switch é ligado, a julgar pela forma de onda do nó de comutação que você forneceu. Este IC não fornece controle sobre o tempo de ativação e desativação (o FET está integrado); portanto, você pode tentar um diodo retificador de impulso diferente ou adicionar alguns amortecedores para silenciar o toque.

Eu acho que seu layout para o regulador é muito grande - Veja o exemplo fornecido na folha de dados:

Todos os filtros estão diretamente próximos ao IC (C5 em particular). Seu limite de saída, por exemplo (C5), parece estar a mais de uma polegada do IC. Ter C3 tão longe quanto você para a seleção de tensão também pode causar um problema (o ruído induzido no pino FB pode causar comutação errática?)

Não deixe que esse artigo de orientação geral o leve na direção errada - embora eu tenha certeza de que seus pontos sobre o tamanho e a orientação do loop são importantes, provavelmente é mais importante:

• Minimize o comprimento do nó SW (o seu estende uma distância razoável para alcançar D1, mova a junção D1 / L1 diretamente para o canto do IC.

• Reduza o tamanho do loop o máximo possível.

Eu também permitiria um pouco mais de folga no seu limite de saída - suas especificações esquemáticas de 16v, mas você tem uma seleção de tensão de saída de 15v.

Não sou especialista em SMPS, mas tive alguns sucessos e falhas no passado.

este é um palpite total e eu não olhei para a folha de dados de chips, mas C1 parece um pouco pequeno. Você já tentou aumentar esse cara para algo como 100uF?