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.
all.css
contém a regra .post-text img { max-width: 630px; }
, que deve redimensionar todas as imagens em todas as postagens para um tamanho razoável. Não me oponho a postar imagens grandes; eles serão compactados muito bem em PNG e podemos abrir a imagem em uma nova guia e aumentar o zoom para verificar, digamos, sobreposição de pinos e erros de correspondência de grade.