Necesita ayuda para eliminar el ruido generado por LED

Soy muy nuevo en electrónica, en electronics.SE.com y este es mi primer proyecto, así que tengan paciencia conmigo si mi pregunta no tiene información clave (en tal caso, solo deje un comentario e intentaré agregar los que faltan bits)

He construido un dispositivo que controla unos 500 LED en más de 106 canales diferentes. Sustancialmente el diseño es:

• 1 fuente de alimentación conmutada de 24 V y 3 A
• 1 regulador de voltaje que emite 5V
• 1 tablero de control que ejecuta un AVR ATmega168 (conectado al regulador de voltaje)
• 106 cadenas de LED (conectadas al riel de alimentación de 24 V)
• 7 controladores TLC5940 (16 canales cada uno) para las cadenas de LED (estos absorben el resto de los 24 V de los LED, pero su lógica se alimenta desde el regulador de 5 V).

Todo funciona bien, pero estoy experimentando graves problemas con el ruido que a veces desencadena un reinicio inesperado de mi dispositivo .

Gracias a un amigo que tiene un DSO, he podido investigar el asunto y estos son mis hallazgos ...

El ruido está en el riel de alimentación de 5 V y es bastante grande, el swing general es de 2.55 V. Los canales SPI son relativamente poco afectados:

El ruido parece ser generado por los LED , no por la transmisión de datos SPI (no existe una correlación obvia entre ninguno de los canales SPI y el ruido). En este video (lo siento, no pude encontrar una manera de incrustarlo aquí) puedes ver que la cantidad de LED que están ENCENDIDOS influyen en la amplitud del ruido, mientras que su intensidad (controlada por PWM) influye en la duración del ruido " burst "[más detalles sobre la descripción del video en youtube].

La frecuencia del ruido es ~ 8MHz , que es una frecuencia que no uso (al menos no explícitamente), dado que mi placa controladora funciona a 16MHz y mi SPI a 250KHz.

Mientras hacía mis experimentos, me di cuenta de que el DSO captaba el ruido incluso cuando solo estaba conectado el terminal de tierra de la sonda. Interpreto esto como una señal de que el ruido no se debe a una inestabilidad de la alimentación de 5 V, sino a un potencial oscilante del nivel del suelo . Estoy en lo cierto?

Siendo totalmente nuevo en electrónica y carente de conocimiento formal en el campo, probé una serie de soluciones "de Internet", es cierto que sin ser 100% tenían sentido en mi escenario. Entre otros probé:

• para construir un filtro de paso bajo usando una resistencia de 1Kohm y un condensador de 100nF y colocarlo en el riel de alimentación de 5V, pero el ruido no cambió mucho en amplitud.
• para desacoplar el riel de 5V con una variedad de condensadores diferentes, incluidos algunos de tantalio [varias clasificaciones] (sin efecto visible)
• para desacoplar la línea de tierra (hizo que el DSO se volviera loco)
• conectar a tierra los LED, la placa TLC y el DSO a diferentes partes de mis circuitos, incluso lo más atrás posible (es decir, conectarlos con cables separados al puerto de tierra de la fuente de alimentación de 24 V para evitar bucles de tierra) ... pero También en este caso no tuve suerte.

Bien podría ser que hice lo anterior de manera incorrecta (es decir, que la solución es una de las anteriores, pero que la implementé mal), entonces, si cree que la solución es una de las anteriores, no dude en decir tal vez, dándome alguna dirección sobre cómo implementarlo "bien".

Nota final: debido al tamaño físico de mi proyecto, realicé todas las pruebas usando solo una de mis placas TLC que quité cuidadosamente del equipo y usé algunos LED de prueba individuales alimentados por una fuente de 5V. Sin embargo, las pruebas menos precisas en el equipo completo muestran que el comportamiento en la "cosa real" es consistente con las lecturas de la prueba.

Gracias de antemano por su tiempo y apoyo!

$\mu$$\mu$

¿Realmente está utilizando una fuente de alimentación de 24 V con el TLC5940, cuando la primera página de la hoja de datos del TLC5940 establece claramente que el voltaje máximo absoluto en los pines de salida tiene una clasificación de +18 V?

¿Ruido de 2,55 Vpp en el riel de alimentación de 5 V? Eso es tan malo que me hace sospechar que tal vez no sea real, tal vez su riel de alimentación de 5 V está bien, pero algo produce campos magnéticos tan fuertes que el cable de su 'sonda de alcance a su alcance', que actúa como una antena, está recogiendo 2.55 Vpp de ruido.

Si yo fuera tú, mis próximos pasos serían:

1. Utilice una fuente de alimentación menor que el "17 V MAX Vo" mencionado en la página 3 de la hoja de datos TLC5940: las fuentes de alimentación de 12 V CC y 15 V CC son bastante comunes.
2. intente reducir el ruido magnético reorganizando los cables
3. agregue más filtrado al regulador de 5V
4. lea atentamente e intente aplicar los consejos para evitar el ruido .

ruido magnético

Su bucle de alta corriente va desde la fuente de alimentación de +12 V CC, a un extremo de las cadenas de LED, a través de la cadena de LED, a los pines de entrada del TLC, sale de los pines de tierra del TLC, de vuelta al conector GND de la fuente de alimentación y desconecte el conector +12 VDC nuevamente. El campo magnético generado por este bucle es el área de este bucle (que puede controlar organizando los cables de manera diferente) multiplicado por la corriente de este bucle (sobre el cual tiene poco control).

Intenta minimizar el área de este bucle. Considere dividir este ciclo en 2 partes:

El bucle de baja frecuencia: un par de conductores, en un cable que va desde la fuente de alimentación, a un condensador grande cerca del chip TLC, conectando más o menos directamente ese condensador a los conectores de +12 V CC y GND en la fuente de alimentación. El GND del chip TLC también está conectado a un extremo de ese condensador. (quizás una gran tapa de 470 uF en paralelo con una tapa de cerámica de 10 uF).

El bucle de alta frecuencia: un par trenzado de conductores, en un cable que va desde el chip TLC a la cadena de LED. Conecte la salida del chip TLC a una pequeña resistencia (¿tal vez 10 ohmios?) Y conecte el otro extremo de esa resistencia a un conductor del par trenzado. Conecte el otro conductor del par al lado de +12 V CC del condensador grande cerca del chip TLC.

Como señaló el cirujano de Rocket Surgeon, un filtro de paso bajo podría ayudar:

• Filtro de paso bajo RC: un condensador muy pequeño desde el lado del cable de esa pequeña resistencia a GND podría ayudar, pero un condensador demasiado grande allí estropeará la modulación PWM
• filtro de paso bajo de ferrita: un estrangulador de ferrita alrededor de todo el cable, o 2 cuentas de ferrita, una alrededor de cada conductor del par trenzado, o ambas, podrían ayudar.

Como puede parecer que el TLC no necesita estar conectado a +12 VDC, es fácil conectar las cosas de una manera que produzca el peor bucle posible: un discreto "cable de +12 VDC" de la fuente de alimentación de 12 VDC a la parte superior de la cadena de LED, con espacio suficiente para que un hombre se interponga entre ese cable y la ruta de retorno (la ruta de retorno a través de la cadena de LED, luego desde la parte inferior de la cadena de LED al TLC, y luego desde la tierra del TLC pin de nuevo a la fuente de alimentación), con más de un metro cuadrado de área de bucle, produciendo mucho ruido magnético.

(tal vez un diagrama aquí aclararía esto ...)

filtro regulador

¿La fuente de alimentación es realmente capaz de manejar tanta corriente? ¿Acaso los largos cables entre la fuente de alimentación y el resto del sistema no son capaces de soportar los pulsos de sobretensión rápidos?

Es posible que haya grandes oscilaciones en la línea de +12 V CC que tal vez estén acopladas a través del regulador de 5 V debido a una CMRR insuficiente, o tal vez incluso la línea de +12 V CC esté tan baja que el regulador de 5 V se "caiga" lo suficientemente bajo como para restablecer sus otros dispositivos ?

Primero haría una prueba rápida: controle su regulador de + 5V desde una segunda fuente de alimentación (por ejemplo, una fuente de alimentación de +10 V) completamente independiente de la fuente de alimentación de +12 V que activa sus LED, a excepción del GND que conecta las fuentes de alimentación .

Si una segunda fuente de alimentación parece solucionar el problema, quizás un mayor filtrado del regulador permitiría que el sistema funcione con una sola fuente de alimentación: tal vez solo necesite agregar una pequeña resistencia y diodo en la ruta de +12 V CC al pin Vin del regulador . Quizás también agregue más o más condensadores más grandes del pin Vin del regulador a GND.

mejores tapas de desacoplamiento

Si sabe exactamente cuáles son las frecuencias de ruido, las mejores tapas de desacoplamiento para suprimir son las tapas con la impedancia más baja en esas frecuencias. (La impedancia real de los condensadores físicos a esas frecuencias, no la impedancia teórica calculada por 1 / jwC). Utiliza un "gráfico de impedancia vs frecuencia" que se parece a esto:

(de Tamara Schmitz y Mike Wong. "Elección y uso de condensadores de derivación" .)

Tales gráficos siempre muestran que, a frecuencias muy bajas, los valores de capacitancia grandes son los mejores; a frecuencias muy altas, los paquetes físicamente pequeños son los mejores.

En la página 61 del catálogo de condensadores cerámicos monolíticos de chip Murata se encuentra un gráfico real de impedancia vs frecuencia .

Su ruido no es aleatorio y parece sonar.

• Efectivamente, el circuito es una fuente de pulsos de alta frecuencia con carga / subida brusca cargada en un cable inductivo con capacitancia de LED cerrados en el extremo.

• El cable tiene inductancia en nanohenry, rango de microhenry

• La capacitancia es de unos pocos pF por LED

Entonces, la sugerencia, respuesta, puede ser agregar un filtro de paso bajo entre la salida PWM y la carga.