Apa yang menyebabkan osilasi besar dalam konverter boost DC / DC saya? Apakah tanah ini memantul atau efek lainnya?

Saya merancang PCB pertama saya untuk konverter boost DC-DC hanya untuk menemukan bahwa itu menghasilkan output yang sangat bising. Desainnya berbasis di sekitar MIC2253 .
Berikut ini skema:

Meskipun rangkaian saya memungkinkan untuk kombinasi tegangan input (Vin) dan tegangan output (Vout) yang berbeda. Kasus saya debugging adalah dengan Vin = 3.6V dan Vout = 7.2V. Beban adalah resistor 120 ohm. Saya menghitung siklus tugas D = 0,5 (yaitu 50%). Ini tampaknya berada dalam batas siklus tugas minimum 10% dan 90% yang ditentukan dalam lembar data. Komponen lainnya, yaitu tutup, induktor, resistor adalah sama atau mirip dengan apa yang disarankan lembar data dalam contoh penerapannya.

Rancangan ini tampaknya memberikan tegangan langkah RMS yang benar pada output, tetapi, setelah melihat sinyal melalui osiloskop, saya melihat osilasi tegangan sinusoidal teredam muncul secara berkala yang tampaknya dimulai oleh pengalihan induktor. Saya melihat osilasi yang sama di hampir setiap titik dasar di papan tulis. Osilasi pada output besar, yaitu puncak 3 V ke puncak. Setelah melakukan sedikit riset, tampaknya masalah saya tidak khusus untuk pilihan konverter saya, tetapi, untuk masalah dengan tata letak PCB saya (lihat tautan di bawah). Saya tidak yakin bagaimana memperbaiki tata letak saya untuk memastikan hasil yang dapat diterima.

Dokumen-dokumen ini tampaknya berguna untuk men-debug masalah:

• 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

Saya telah melampirkan tiga gambar. "pcb.png asli" berisi gambar papan yang saya miliki masalah dengan. Ini adalah papan 2 lapisan. Merah adalah tembaga teratas. Biru adalah tembaga bagian bawah.

"current loops.jpg" menunjukkan papan prototipe dengan lapisan oranye dan kuning dari dua jalur arus berbeda yang digunakan untuk mengisi daya (oranye) dan melepaskan (kuning) induktor. Salah satu artikel, ( http://www.physics.ox.ac.uk/lcfi/Electronics/EDN_Ground_bounce.pdf ), menyarankan bahwa dua loop saat ini tidak boleh berubah di area, jadi, saya mencoba untuk meminimalkan perubahan mereka. di area dalam tata letak baru saya mulai di "pcb_fix.png". Saya meretas PCB asli sehingga lebih dekat dengan tata letak baru ini, tetapi, kinerja papan tidak berubah. Masih berisik! Kualitas peretasan tidak sebagus yang ditunjukkan pada "pcb_fix.png", namun, ini merupakan perkiraan yang adil. Saya akan berharap sedikit perbaikan, tapi, saya tidak melihat apa pun.

Saya masih tidak yakin bagaimana cara memperbaikinya. Mungkin tuangkan tanah menyebabkan kapasitansi parasit terlalu banyak? Mungkin tutupnya memiliki terlalu banyak impedansi (ESR atau ESL)? Saya tidak berpikir begitu, karena mereka semua multilayer keramik dan memiliki nilai dan bahan dielektrik yang diminta oleh datasheet, yaitu X5R. Mungkin jejak saya mungkin memiliki terlalu banyak induktansi. Saya memilih induktor berpelindung, tetapi, mungkinkah medan magnetnya mengganggu sinyal saya?

Bantuan apapun akan sangat dihargai.

Atas permintaan poster, saya telah memasukkan beberapa output osiloskop dalam kondisi yang berbeda.

Output, AC Coupled, 1M Ohm, 10X, batas BW OFF:

Output, AC Coupled, 1M Ohm, 10X, batas BW OFF:

Output, AC Coupled, 1M Ohm, 10X, batas BW 20Mhz:

Output, AC Coupled, 1M Ohm, 1X, batas BW 20Mhz, 1uF, 10uF, tutup 100nF dan output shunting resistor 120 ohm, yaitu semuanya paralel:

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

Switching Node, AC Coupled, 1M Ohm, 10X, batas BW 20Mhz

TAMBAH: osilasi asli dilemahkan sangat, namun, di bawah beban yang lebih berat osilasi baru yang tidak diinginkan terjadi.

Setelah menerapkan beberapa perubahan yang disarankan oleh Olin Lathrop, penurunan besar dalam amplitudo osilasi diamati. Meretas papan cicuit asli untuk memperkirakan tata letak baru agak membantu dengan menurunkan osilasi ke puncak 2V ke puncak:

Butuh setidaknya 2 minggu dan lebih banyak uang untuk mendapatkan papan prototipe baru jadi saya menghindari pesanan ini sampai saya menyelesaikan masalah.

Penambahan input 22uF kapasitor keramik hanya membuat perbedaan diabaikan. Namun, peningkatan yang luar biasa datang dari hanya menyolder tutup keramik 22uF di antara pin keluaran dan mengukur sinyal melintasi tutup. Ini membawa noise maksimum amplitudo ke puncak 150mV ke puncak tanpa bandwith yang membatasi lingkup !! Madmanguruman menyarankan pendekatan yang sama, dengan pengecualian bahwa ia menyarankan untuk mengubah ujung probe daripada sirkuit. Dia menyarankan menempatkan dua tutup antara tanah dan ujung: satu elektrolit 10uF dan satu keramik 100nF (secara paralel saya asumsikan). Selain itu, ia menyarankan untuk membatasi bandwidth pengukuran hingga 20Mhz dan menempatkan probe pada 1x. Ini tampaknya memiliki efek pelemahan kebisingan juga dalam besaran yang hampir sama.

Saya tidak yakin apakah ini merupakan lantai derau rendah yang dapat diterima atau bahkan amplitudo derau tipikal untuk konverter switching, tetapi, ini merupakan peningkatan besar. Ini membesarkan hati jadi saya melanjutkan untuk menguji kekokohan sirkuit di bawah pemuatan yang lebih signifikan.

Sayangnya, di bawah pemuatan yang lebih berat, sirkuit menghasilkan beberapa perilaku aneh baru. Saya menguji rangkaian dengan beban resistif 30 ohm. Meskipun papan masih meningkatkan tegangan input sebagaimana mestinya, output sekarang memiliki output gelombang gigi gergaji / segitiga frekuensi rendah. Saya tidak yakin apa ini menunjukkan. Sepertinya pengisian arus konstan dan pemakaian tutup output kepada saya pada frekuensi yang jauh lebih rendah daripada frekuensi switching 1 Mhz. Saya tidak yakin mengapa ini akan terjadi.

Probing the switching node dalam kondisi pengujian yang sama menunjukkan sinyal yang berantakan dan osilasi yang mengerikan.

Solusi Ditemukan

Pertanyaan telah dijawab dan sirkuit berkinerja memadai. Masalahnya memang terkait dengan stabilitas loop kontrol seperti yang disarankan Olin Lathrop. Saya menerima saran yang bagus, Olin adalah satu-satunya yang menyarankan tindakan ini. Karena itu saya memuji dia dengan jawaban yang tepat untuk pertanyaan saya. Namun, saya sangat menghargai bantuan semua orang. Beberapa saran yang dibuat masih relevan untuk meningkatkan desain dan akan diimplementasikan ke revisi papan berikutnya.

Saya terpaksa mengikuti saran Olin juga karena saya perhatikan bahwa frekuensi output gigi gergaji / segitiga memiliki frekuensi penampilan yang sama dengan bagian gelombang persegi dari sinyal pada node switching. Saya berpikir bahwa peningkatan tegangan pada output adalah karena berhasil memberi energi pada induktor dan jalan turun adalah karena kegagalan untuk memberi energi yang memadai pada induktor selama bagian osilasi dari sinyal pada node switching. Masuk akal bahwa ini adalah masalah stabilitas karena ini.

Dengan mengikuti saran Olin untuk melihat lebih dekat pada pin kompensasi, saya menentukan bahwa meningkatkan kapasitansi jaringan seri RC pada pin comp mengembalikan stabilitas loop kontrol. Efek yang dimilikinya pada switching node adalah signifikan seperti yang dapat dilihat oleh output gelombang persegi:

Gelombang gigi gergaji / segitiga frekuensi rendah dihilangkan.

Beberapa noise frekuensi tinggi (100Mhz) mungkin masih ada pada output, tetapi, telah disarankan bahwa ini hanyalah sebuah artefak dari pengukuran dan menghilang ketika bandwidth lingkup 200Mhz dibatasi hingga 20Mhz. Outputnya cukup bersih pada saat ini:

Saya kira saya masih memiliki beberapa pertanyaan mengenai noise frekuensi tinggi, namun, saya pikir pertanyaan saya lebih umum dan tidak spesifik untuk pertanyaan debugging ini, jadi, utas berakhir di sini.

Skema Anda terlalu besar dan ditata dengan cara yang membingungkan, yang membuat orang enggan merespons. Jangan menarik pijakan ke atas, misalnya, kecuali jika bagian-bagiannya benar-benar berasal dari tegangan negatif. Jika Anda ingin orang lain melihat skema, beri mereka rasa hormat. Jangan membuat kita memiringkan kepala kita untuk membaca sesuatu dan memastikan teks tidak tumpang tindih dengan bagian lain dari gambar. Perhatian pada detail-detail ini tidak hanya membantu kredibilitas Anda, tetapi juga menunjukkan rasa hormat dari mereka yang Anda cari bantuannya. Saya memang melihat pertanyaan ini sebelumnya, tetapi semua hal di atas membuat saya berpikir "terlalu banyak masalah, mengacaukan ini", dan kemudian saya melanjutkan ke sesuatu dengan faktor kerumitan yang lebih rendah.

Anda memberi kami banyak detail, tetapi lupa tentang masalah tingkat tinggi yang jelas. Tegangan apa yang seharusnya dihasilkan? Anda menyebutkan meningkatkan di suatu tempat dalam penulisan panjang Anda, tetapi tampaknya juga ada "7.2V" yang ditulis oleh konektor output. Ini tidak cocok dengan "2.5V-10V" yang ditulis oleh input. Dari bagaimana induktor, switch, dan diode dihubungkan, Anda memiliki topologi penambah. Ini tidak akan berfungsi jika input melebihi tegangan output yang diinginkan. Berapa voltase input dan output aktual Anda? Apa saat ini

Sekarang untuk dering. Pertama, beberapa dari hal-hal ini jelas merupakan artefak lingkup. Anda memiliki induktor yang sangat kecil (2.2μH). Saya tidak melihat lembar data pengontrol, tapi itu terdengar sangat rendah. Berapa frekuensi switching yang seharusnya dioperasikan oleh pengontrol? Kecuali itu MHz atau lebih, saya skeptis tentang pilihan 2,2 μH untuk induktor.

Mari kita lihat beberapa jejak ruang lingkup Anda:

Ini sebenarnya menunjukkan pulsa switching yang diharapkan. Dari sini kita juga dapat melihat bahwa frekuensi switching, setidaknya dalam contoh ini, adalah 1 MHz. Apakah itu yang Anda maksudkan?

Jejak dimulai di sebelah kiri dengan saklar ditutup sehingga induktor sedang diisi. Saklar terbuka pada 100 ns dan karena itu output induktor segera naik sampai saat ini mulai membuang melalui D1. Itu pada 8V, jadi tegangan output tampaknya sesuatu seperti 7.5V mengingat D1 adalah dioda Schottky tetapi mendapatkan pulsa arus besar (akan lebih baik untuk mengetahui seberapa besar, atau setidaknya seberapa besar rata-rata). Ini berlangsung selama 300 ns sampai induktor dilepaskan pada t = 400ns.

Pada saat itu sisi output induktor terbuka dan hanya terhubung ke kapasitansi parasit ke ground. Induktansi dan kapasitansi parasit ini membentuk sirkuit tangki, yang menghasilkan dering. Hanya ada dua siklus dering ini sebelum pulsa berikutnya, tetapi perhatikan bagaimana ini sedikit membusuk. Sedikit energi yang tersisa yang tersisa di induktor setelah dioda mati sekarang bergerak bolak-balik antara itu dan kapasitansi, tetapi setiap siklus sedikit semakin berkurang. Ini semua seperti yang diharapkan, dan merupakan salah satu ciri khas dari jenis catu daya switching ini. Perhatikan bahwa frekuensi dering sekitar 5 MHz, yang dalam desain komersial nyata Anda harus hati-hati menangani untuk menghindari memancarkannya. Dering ini sebenarnya bisa menjadi emisi utama dari catu daya switching,

Kita juga dapat melihat bahwa dering berkurang sedikit di bawah 4V, yang memberi tahu kami tegangan input yang Anda gunakan dalam kasus ini. Ini menegaskan bahwa ia benar-benar beroperasi sebagai konverter penambah dengan sekitar 2x peningkatan, setidaknya dalam kasus ini. Stepup 2x juga dikonfirmasi oleh fase pengisian dan pengosongan induktor yang kira-kira sama, yaitu masing-masing 300 ns dalam contoh ini.

Fase sirkuit tangki dering gratis berakhir tiba-tiba ketika sakelar kembali hidup pada t = 800ns. Sakelar tetap selama sekitar 300ns mengisi induktor dan proses berulang dengan sekitar 1 μs periode.

Jejak lingkup ini sebenarnya menunjukkan hal-hal yang berfungsi seperti yang diharapkan. Tidak ada pistol merokok di sini.

Anda mengeluh tentang osilasi keluaran, tetapi sayangnya tidak ada jejak lingkup Anda yang menunjukkan ini. Yang awal tidak berarti karena mereka kemungkinan besar menunjukkan artefak lingkup dan bouncing mode umum muncul sebagai sinyal diferensial. Bahkan yang ini:

Tidak banyak memberi tahu kita. Perhatikan skala tegangan sensitif. Tidak ada yang mengejutkan di sini pada 20 mV / divisi. Beberapa dari hal ini hampir pasti transien mode umum membingungkan ruang lingkup sehingga mereka muncul sebagai sinyal diferensial. Bagian yang lebih lambat adalah dioda yang melakukan dan kemudian tidak melakukan, dan pulsa saat ini sebagian diserap oleh kapasitor.

Jadi, ini semua berujung pada apa sebenarnya masalahnya? Jika Anda melihat fluktuasi tegangan skala besar pada output melalui sejumlah siklus switching, maka tunjukkan itu. Itu yang saya pikir awalnya Anda keluhkan. Jika demikian, perhatikan jaringan kompensasi untuk chip switcher. Saya tidak mencari datasheet, tetapi dari nama "comp" untuk pin 12 dan fakta bahwa C4 dan R2 terhubung, itu hampir pasti jaringan kompensasi umpan balik. Biasanya, lembar data hanya memberi tahu Anda apa yang harus digunakan dan tidak memberi Anda informasi yang cukup untuk menghasilkan nilai Anda sendiri. Baca bagian lembar data itu dengan cermat dan lihat apakah Anda telah memenuhi semua persyaratan untuk menggunakan nilai yang Anda lakukan. Itulah nilai yang disarankan untuk bagian ini, kan?

Ditambahkan:

Saya bermaksud menyebutkan ini sebelumnya tetapi itu menyelinap melalui celah-celah. Anda harus memastikan induktor tidak jenuh. Itu dapat menyebabkan segala macam masalah buruk, termasuk transien besar dan ketidakstabilan kontrol. Dari jejak lingkup pertama yang saya salin, kita dapat melihat bahwa induktor sedang diisi daya untuk 300 ns dari sekitar 3,8 V. 3.8V x 300ns / 2.2μH = 518mA. Itulah puncak arus induktor dalam hal ini. Namun, itu pada arus keluaran yang agak rendah. Sekali lagi dari jejak lingkup kita dapat menyimpulkan arus keluaran hanya sekitar 75-80 mA. Pada arus keluaran yang lebih tinggi, arus puncak induktor akan naik hingga akhirnya pengontrol akan berjalan dalam mode kontinu (saya rasa, tapi itu mungkin). Anda harus memastikan arus induktor tidak melebihi batas saturasinya pada rentang penuh. Berapakah nilai induktor?

Ditambahkan2:

Saya pikir ada dua masalah mendasar di sini:

1. Anda mengharapkan catu daya switching memiliki kebisingan rendah seperti catu daya linier yang telah Anda lihat. Ini tidak masuk akal.

2. Anda mendapatkan banyak artefak pengukur yang membuat output terlihat jauh lebih buruk daripada yang sebenarnya.

Tata letak asli Anda tidak membantu masalah. Yang kedua lebih baik tetapi saya masih ingin melihat beberapa peningkatan:

Sayangnya Anda memiliki lapisan tStop dihidupkan mengacaukan apa yang benar-benar ingin kita lihat, tapi saya pikir kita masih bisa menguraikan gambar ini.

Anda sekarang memiliki jalur langsung dari dioda melalui tutup output kembali ke sisi dasar tutup input tanpa memotong melintasi bidang tanah. Itu kemajuan besar dibandingkan yang asli. Namun, Anda mendapatkan bidang tanah putus dengan slot berbentuk L besar di tengah yang memanjang sampai ke tepi bawah. Bagian kiri dan kanan dari bagian bawah bidang tanah hanya dihubungkan oleh rute yang panjang. Ini bisa dengan mudah diperbaiki dengan mengurangi persyaratan jarak yang berlebihan di sekitar beberapa jaring Anda, dan dengan memindahkan beberapa bagian hanya sedikit. Sebagai contoh, tidak ada alasan dua vias yang sangat besar di sebelah kanan input + tidak dapat terpisah lebih jauh untuk membiarkan bidang tanah mengalir di antara mereka. Hal yang sama berlaku di sebelah kiri R3, antara katoda dioda dan C5, dan antara tepi papan dan D1.

Saya juga berpikir Anda memiliki kapasitansi yang terlalu sedikit sebelum dan sesudah switcher. Ubah C1 menjadi 22μF seperti C5, dan segera tambahkan tutup keramik di antara kedua pin JP2.

Coba percobaan baru dengan tata letak baru. Menyolder tutup 22μF lain secara langsung di antara pin JP2 di bagian bawah papan. Lalu klip ground probe lingkup ke pin "-" (bukan titik ground lainnya di papan, langsung ke pin "-" saja ) dan kaitkan probe itu sendiri ke pin "+" (sekali lagi, tepat di pin, tidak ada titik lain di tegangan output bersih). Pastikan tidak ada lagi yang terhubung ke papan, termasuk probe ruang lingkup lainnya, klip ground, kabel ground, dll. Satu-satunya koneksi lain harus baterai, yang juga tidak boleh terhubung ke yang lain. Usahakan pengaturan ini setidaknya berjarak sekitar satu meter dari konduktif lainnya, terutama apa pun yang terhubung ke ground. Sekarang lihat bentuk gelombang output. Saya menduga Anda akan melihat jauh lebih sedikit suara yang tampaknya berada di jejak lingkup pertama yang Anda posting.

Pertama-tama saya akan memeriksa bahwa masalah yang Anda kejar benar-benar ada dan bukan artefak dari grounding yang buruk pada osiloskop. Saya telah menghabiskan beberapa jam mengejar kebisingan pada rel catu daya hanya untuk menemukan bahwa itu menghilang (hampir hampir) ketika saya menggunakan koneksi ground pada probe osiloskop, bukannya kabel terpisah ke osiloskop.

Riak dan pengukuran noise "tepat" di dunia catu daya dilakukan dengan sangat khusus untuk menghindari pengambilan noise CM.

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

Jika bentuk gelombang riak yang sekarang Anda lihat terlihat sangat berbeda, saya akan menyimpulkan bahwa pengukuran asli Anda cacat karena pengambilan CM. Jika tidak, Anda memiliki masalah kebisingan yang sah di tangan Anda.

Pembaruan 1: Saya melihat bahwa Anda memiliki AGND dan PGND kabel bersama-sama pada skema Anda dan juga pada tata letak Anda, dan bahwa komponen kompensasi Anda akan terhubung ke sumber daya terpisah dari pin AGND. Ini adalah hal yang buruk". Perhatikan baik-baik tata letak referensi Micrel. Kompensasi dan pengembalian kapasitor mulai lunak semua dialihkan ke tanah pribadi, yang kemudian dihubungkan ke AGND, kemudian ke PGND. Ini memastikan bahwa tidak ada arus switching yang berat akan mengganggu kompensasi sensitif dan komponen kontrol.

Tampaknya ada dering HF ketika switch Anda menyala, dilihat dari gelombang switching node yang Anda berikan. IC ini tidak memberi Anda kendali untuk menghidupkan dan mematikan (FET terintegrasi) sehingga Anda mungkin perlu mencoba dioda penambah penyearah yang berbeda, atau menambahkan beberapa snubber untuk menenangkan dering.

Saya pikir tata letak Anda untuk regulator jauh ke besar - Periksa contoh yang diberikan di lembar data:

Semua filter berada tepat di sebelah IC (khususnya C5). Tutup output Anda misalnya (C5) tampaknya lebih dari satu inci dari IC. Memiliki C3 sejauh yang Anda lakukan untuk pemilihan voltase juga dapat menyebabkan masalah (Kebisingan yang disebabkan oleh pin FB dapat menyebabkan switching yang tidak menentu?)

Jangan biarkan artikel pentalan tanah membawa Anda ke arah yang salah - sementara saya yakin poinnya tentang ukuran dan orientasi loop penting, mungkin yang paling penting adalah:

• Minimalkan panjang simpul SW (milik Anda memperluas jarak yang wajar untuk mencapai D1, pindahkan persimpangan D1 / L1 langsung ke sudut IC.

• Kurangi ukuran loop sebanyak mungkin.

Saya juga akan memungkinkan ruang kepala lebih sedikit di tutup output Anda - spesifikasi skematis Anda 16v namun Anda memiliki pilihan tegangan output @ 15v.

Saya bukan ahli tentang SMPS tetapi saya telah memiliki beberapa keberhasilan dan kegagalan di masa lalu.

ini adalah tebakan total dan saya belum melihat datasheet chip, tetapi C1 tampaknya agak kecil. Sudahkah Anda mencoba meningkatkan pria itu menjadi sesuatu seperti 100uF?