Ich habe meine erste Platine für einen DC-DC-Aufwärtswandler entworfen, der nur eine sehr rauschbehaftete Ausgabe erzeugt. Das Design basiert auf dem MIC2253 .
Hier ist ein Schema:
Obwohl meine Schaltung verschiedene Kombinationen von Eingangsspannungen (Vin) und Ausgangsspannungen (Vout) zulässt. Der Fall, den ich ausprüfe, ist mit Vin = 3.6V und Vout = 7.2V. Die Last war ein 120 Ohm Widerstand. Ich habe das Tastverhältnis D = 0,5 (dh 50%) berechnet. Dies scheint innerhalb der im Datenblatt angegebenen Grenzwerte für den minimalen und maximalen Arbeitszyklus von 10% und 90% zu liegen. Die anderen Komponenten, dh Kappen, Induktivitäten, Widerstände, stimmen mit den Angaben im Anwendungsbeispiel überein oder entsprechen diesen.
Das Design scheint die richtige Effektivwert-Hochsetzspannung am Ausgang zu liefern, aber nach Betrachtung des Signals durch ein Oszilloskop sehe ich periodisch gedämpfte sinusförmige Spannungsoszillationen, die durch das Schalten der Induktivität ausgelöst zu werden scheinen. Ich sehe die gleichen Schwingungen auf fast jedem Bodenpunkt der Platine. Die Schwingungen am Ausgang sind groß, dh 3 V Spitze zu Spitze. Nachdem ich ein bisschen recherchiert habe, scheint es, dass meine Probleme nicht nur bei meiner Wahl des Konverters liegen, sondern auch bei Problemen mit meinem PCB-Layout (siehe Links unten). Ich bin nicht sicher, wie ich mein Layout korrigieren soll, um akzeptable Ergebnisse zu erzielen.
Diese Dokumente scheinen für das Debuggen des Problems hilfreich zu sein:
- 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
Ich habe drei Bilder angehängt. "original pcb.png" enthält ein Bild des Boards, mit dem ich Probleme habe. Es ist eine 2-Lagen-Platte. Rot ist das oberste Kupfer. Blau ist unteres Kupfer.
"current loops.jpg" zeigt das Prototyp-Board mit orangefarbenen und gelben Überlagerungen der beiden verschiedenen Strompfade, die zum Laden (orange) und Entladen (gelb) des Induktors verwendet werden. In einem der Artikel ( http://www.physics.ox.ac.uk/lcfi/Electronics/EDN_Ground_bounce.pdf ) wurde vorgeschlagen, dass sich die beiden Stromschleifen nicht im Bereich ändern sollten. Daher habe ich versucht, die Änderung zu minimieren im bereich in einem neuen layout habe ich in "pcb_fix.png" angefangen. Ich habe die ursprüngliche Platine gehackt, damit sie näher an diesem neuen Layout liegt, aber die Leistung der Platine hat sich nicht geändert. Es ist immer noch laut! Die Qualität des Hacks ist nicht so gut wie in "pcb_fix.png" gezeigt, es ist jedoch eine faire Annäherung. Ich hätte eine gewisse Verbesserung erwartet, aber ich habe keine gesehen.
Ich bin mir immer noch nicht sicher, wie ich das beheben soll. Vielleicht verursacht der Bodenausfluss zu viel parasitäre Kapazität? Vielleicht haben die Kappen zu viel Impedanz (ESR oder ESL)? Ich glaube nicht, weil sie alle Keramik-Multilayer sind und die Werte und das dielektrische Material haben, die vom Datenblatt, dh X5R, verlangt werden. Vielleicht haben meine Spuren zu viel Induktivität. Ich habe eine abgeschirmte Induktivität gewählt, aber ist es möglich, dass ihr Magnetfeld meine Signale stört?
Jede Hilfe wäre sehr dankbar.
Auf Wunsch eines Posters habe ich einige Oszilloskopausgaben unter verschiedenen Bedingungen eingefügt.
Ausgang, AC-gekoppelt, 1 M Ohm, 10-fach, BW-Grenze AUS:
Ausgang, AC-gekoppelt, 1 M Ohm, 10-fach, BW-Grenze AUS:
Ausgang, AC-gekoppelt, 1M Ohm, 10X, BW-Grenze 20Mhz:
Ausgang, AC-gekoppelt, 1M Ohm, 1X, BW-Grenze 20MHz, 1uF, 10uF, 100nF-Kappen und 120 Ohm Widerstand-Nebenschlussausgang, dh sie sind alle parallel:
Schaltknoten, DC-gekoppelt, 1M Ohm, 10X, BW-Grenze AUS
Schaltknoten, AC-gekoppelt, 1 M Ohm, 10-fach, BW-Grenze 20 Mhz
HINZUGEFÜGT: Ursprüngliche Schwingungen werden stark gedämpft, jedoch treten bei höherer Belastung neue unerwünschte Schwingungen auf.
Bei der Implementierung mehrerer der von Olin Lathrop vorgeschlagenen Änderungen wurde eine starke Abnahme der Schwingungsamplitude beobachtet. Das Zerhacken der ursprünglichen Platine zur Annäherung an das neue Layout hat etwas geholfen, indem die Oszillationen von Spitze zu Spitze auf 2 V gesenkt wurden:
Es wird mindestens 2 Wochen und mehr kosten, um neue Prototypenplatinen zu erhalten. Daher vermeide ich diese Bestellung, bis die Probleme behoben sind.
Die Hinzufügung zusätzlicher 22uF-Keramikkondensatoren machte nur einen vernachlässigbaren Unterschied. Die überwältigende Verbesserung bestand jedoch darin, einfach eine 22-µF-Keramikkappe zwischen die Ausgangsstifte zu löten und das Signal über die Kappe zu messen. Dadurch wurde die maximale Rauschamplitude von Spitze zu Spitze auf 150 mV gebracht, ohne dass die Bandbreite des Oszilloskops eingeschränkt wurde !! Madmanguruman schlug einen ähnlichen Ansatz vor, mit der Ausnahme, dass er vorschlug, die Sondenspitze anstelle der Schaltung zu ändern. Er schlug vor, zwei Kappen zwischen den Boden und die Spitze zu setzen: eine 10uF-Elektrolyt- und eine 100nF-Keramik (parallel dazu nahm ich an). Außerdem schlug er vor, die Bandbreite der Messung auf 20 MHz zu begrenzen und die Sonden auf 1x zu legen. Dies schien ebenfalls eine geräuschdämpfende Wirkung in etwa der gleichen Größenordnung zu haben.
Ich bin mir nicht sicher, ob dies ein akzeptabel niedriger Grundrauschen oder sogar eine typische Rauschamplitude für einen Schaltwandler ist, aber es ist eine massive Verbesserung. Dies war ermutigend und ich fuhr fort, die Robustheit der Rennstrecke unter größerer Belastung zu testen.
Leider erzeugt die Schaltung unter schwerer Belastung ein neues seltsames Verhalten. Ich habe die Schaltung mit einer ohmschen Last von 30 Ohm getestet. Obwohl die Platine die Eingangsspannung immer noch wie gewünscht anhebt, hat der Ausgang jetzt einen Niederfrequenz-Sägezahn- / Dreieckwellenausgang. Ich bin nicht sicher, was dies anzeigt. Es sieht für mich so aus, als würde ein konstanter Strom die Ausgangskappe mit einer viel niedrigeren Frequenz als der Schaltfrequenz von 1 MHz laden und entladen. Ich bin mir nicht sicher, warum das passieren würde.
Das Prüfen des Vermittlungsknotens unter den gleichen Testbedingungen zeigte ein unordentliches Signal und schreckliche Oszillationen.
Lösung gefunden
Die Frage wurde beantwortet und die Schaltung funktioniert einwandfrei. Das Problem hing in der Tat mit der Stabilität des Regelkreises zusammen, wie Olin Lathrop vorschlug. Ich erhielt vielleicht großartige Vorschläge, aber Olin war der einzige, der diese Vorgehensweise vorschlug. Ich schreibe ihm daher die richtige Antwort auf meine Frage zu. Ich bin jedoch sehr dankbar für die Hilfe aller. Einige der Vorschläge waren für die Verbesserung des Designs noch relevant und werden in die nächste Überarbeitung des Boards einfließen.
Ich war gezwungen, dem Rat von Olin zu folgen, auch weil ich bemerkte, dass die Frequenz des Sägezahn- / Dreieckausgangs die gleiche Häufigkeit des Auftretens aufwies wie der Rechteckwellenanteil des Signals am Vermittlungsknoten. Ich dachte, dass der Anstieg der Spannung am Ausgang darauf zurückzuführen ist, dass die Induktivität erfolgreich erregt wurde, und der Abfall darauf zurückzuführen ist, dass die Induktivität während des oszillierenden Teils des Signals am Schaltknoten nicht ausreichend erregt wurde. Es machte Sinn, dass dies aus diesem Grund ein Stabilitätsproblem war.
Indem ich dem Vorschlag von Olin folgte, den Kompensationsstift näher zu betrachten, stellte ich fest, dass eine Erhöhung der Kapazität des RC-Netzwerks auf dem Kompensationsstift die Stabilität des Regelkreises wiederherstellte. Der Effekt, den dies auf den Vermittlungsknoten hatte, war signifikant, wie aus der Rechteckwellenausgabe ersichtlich ist:
Die Niederfrequenz-Sägezahn / Dreieck-Welle wurde eliminiert.
Möglicherweise ist am Ausgang noch Hochfrequenzrauschen (100 MHz) vorhanden. Es wurde jedoch vermutet, dass dies nur ein Artefakt der Messung ist und verschwindet, wenn die Bandbreite des 200-MHz-Oszilloskops auf 20 MHz begrenzt ist. Die Ausgabe ist an dieser Stelle ziemlich sauber:
Ich nehme an, dass ich noch einige Fragen zum Hochfrequenzrauschen habe. Ich denke jedoch, dass meine Fragen allgemeiner und nicht spezifisch für diese Debugging-Frage sind. Daher endet der Thread hier.
all.css
enthält die Regel .post-text img { max-width: 630px; }
, das sollte jedes Bild auf jedem Post auf eine vernünftige Größe ändern. Ich habe keine Einwände gegen das Posten großer Bilder. Sie werden in PNG recht gut komprimiert, und wir können das Bild in einem neuen Tab öffnen und es vergrößern, um beispielsweise Pin-Überlappungen und Raster-Übereinstimmungsfehler zu überprüfen.