¿Qué está causando grandes oscilaciones en mi convertidor de refuerzo DC / DC? ¿Es este rebote en el suelo o algún otro efecto?

Diseñé mi primera PCB para un convertidor impulsor DC-DC solo para descubrir que producía una salida muy ruidosa. El diseño se basa en el MIC2253 .
Aquí hay un esquema:

Aunque mi circuito permite diferentes combinaciones de voltajes de entrada (Vin) y voltajes de salida (Vout). El caso que estoy depurando es con Vin = 3.6V y Vout = 7.2V. La carga era una resistencia de 120 ohmios. Calculé el ciclo de trabajo D = 0.5 (es decir, 50%). Esto parece estar dentro de los límites mínimos del 10% y 90% del ciclo de trabajo máximo especificados en la hoja de datos. Los otros componentes, es decir, tapas, inductores, resistencias son iguales o similares a lo que sugiere la hoja de datos en su ejemplo de aplicación.

El diseño parece dar el voltaje de incremento de RMS correcto en la salida, pero, después de ver la señal a través de un osciloscopio, veo oscilaciones de voltaje sinusoidal amortiguadas que aparecen periódicamente, lo que parece ser iniciado por la conmutación del inductor. Veo las mismas oscilaciones en casi todos los puntos del suelo en el tablero. Las oscilaciones en la salida son grandes, es decir, 3 V pico a pico. Después de investigar un poco, parece que mis problemas no son específicos de mi elección de convertidor, sino de problemas con el diseño de mi PCB (ver enlaces a continuación). No estoy seguro de cómo arreglar mi diseño para garantizar resultados aceptables.

Estos documentos parecen útiles para depurar el 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

He adjuntado tres imágenes. "original pcb.png" contiene una imagen de la placa con la que tengo problemas. Es un tablero de 2 capas. El rojo es el cobre superior. El azul es el fondo de cobre.

"current loops.jpg" muestra la placa prototipo con superposiciones de color naranja y amarillo de las dos rutas de corriente diferentes utilizadas para cargar (naranja) y descargar (amarillo) el inductor. Uno de los artículos, ( http://www.physics.ox.ac.uk/lcfi/Electronics/EDN_Ground_bounce.pdf ), sugirió que los dos bucles actuales no deberían cambiar en el área, por lo tanto, intenté minimizar su cambio en el área en un nuevo diseño comencé en "pcb_fix.png". Pirateé el PCB original para que estuviera más cerca de este nuevo diseño, pero el rendimiento de la placa no cambió. ¡Todavía es ruidoso! La calidad del hack no es tan buena como se muestra en "pcb_fix.png", sin embargo, es una aproximación justa. Hubiera esperado una mejora, pero no vi ninguna.

Todavía no estoy seguro de cómo solucionar esto. ¿Tal vez el vertido de tierra está causando demasiada capacidad parásita? ¿Quizás las tapas tienen demasiada impedancia (ESR o ESL)? No lo creo, porque todos son multicapa de cerámica y tienen los valores y el material dieléctrico solicitado por la hoja de datos, es decir, X5R. Quizás mis trazas pueden tener demasiada inductancia. Elegí un inductor blindado, pero, ¿es posible que su campo magnético interfiera con mis señales?

Cualquier ayuda será muy apreciada.

A pedido de un póster, he incluido una salida de osciloscopio en diferentes condiciones.

Salida, AC acoplada, 1M Ohm, 10X, límite de BW APAGADO:

Salida, AC acoplada, 1M Ohm, 10X, límite de BW APAGADO:

Salida, AC acoplada, 1M Ohm, 10X, límite de BW 20Mhz:

Salida, AC acoplada, 1M Ohm, 1X, límite de BW 20Mhz, 1uF, 10uF, 100nF tapas y salida de derivación de resistencia de 120 ohmios, es decir, todos están en paralelo:

Nodo de conmutación, DC acoplado, 1M Ohm, 10X, límite de BW desactivado

Nodo de conmutación, AC acoplado, 1M Ohm, 10X, límite de BW 20Mhz

AGREGADO: las oscilaciones originales se atenuaron enormemente, sin embargo, bajo una carga más pesada se producen nuevas oscilaciones indeseables.

Al implementar varios de los cambios sugeridos por Olin Lathrop, se observó una gran disminución en la amplitud de oscilación. Hackear la placa cicuit original para aproximar el nuevo diseño ayudó un poco al reducir las oscilaciones a 2V pico a pico:

Tomará al menos 2 semanas y más dinero obtener nuevos prototipos de placas, por lo que estoy evitando este pedido hasta que solucione los problemas.

La adición de condensadores cerámicos de entrada adicionales de 22uF solo hizo una diferencia insignificante. Sin embargo, la mejora abrumadora vino simplemente de soldar una tapa de cerámica de 22uF entre los pines de salida y medir la señal a través de la tapa. ¡Esto llevó la amplitud máxima de ruido a 150 mV pico a pico sin ninguna limitación de ancho de banda del alcance! Madmanguruman sugirió un enfoque similar, con la excepción de que sugirió alterar la punta de la sonda en lugar del circuito. Sugirió poner dos tapas entre el suelo y la punta: una electrolítica de 10uF y una cerámica de 100nF (en paralelo supuse). Además, sugirió limitar el ancho de banda de la medición a 20Mhz y poner las sondas en 1x. Esto también parecía tener un efecto atenuador de ruido en aproximadamente la misma magnitud.

No estoy seguro de si este es un nivel de ruido aceptablemente bajo o incluso una amplitud de ruido típica para un convertidor de conmutación, pero es una mejora masiva. Esto fue alentador, así que probé la robustez del circuito bajo una carga más significativa.

Desafortunadamente, bajo una carga más pesada, el circuito está produciendo un nuevo comportamiento extraño. Probé el circuito con una carga resistiva de 30 ohmios. Aunque la placa todavía aumenta el voltaje de entrada como debería, la salida ahora tiene una salida de onda de diente de sierra / triángulo de baja frecuencia. No estoy seguro de lo que esto indica. Me parece una carga y descarga de corriente constante de la tapa de salida a una frecuencia mucho más baja que la frecuencia de conmutación de 1 Mhz. No estoy seguro de por qué sucedería esto.

El sondeo del nodo de conmutación en las mismas condiciones de prueba mostró una señal desordenada y oscilaciones horribles.

Solución encontrada

La pregunta ha sido respondida y el circuito está funcionando adecuadamente. El problema estaba relacionado con la estabilidad del bucle de control, como sugirió Olin Lathrop. Recibí muchas buenas sugerencias, sin embargo, Olin fue el único en sugerir este curso de acción. Por lo tanto, le atribuyo la respuesta correcta a mi pregunta. Sin embargo, aprecio mucho la ayuda de todos. Varias de las sugerencias hechas aún eran relevantes para mejorar el diseño y se implementarán en la próxima revisión de la junta.

Me vi obligado a seguir el consejo de Olin también porque noté que la frecuencia de la salida del diente de sierra / triángulo tenía la misma frecuencia de apariencia que la porción de onda cuadrada de la señal en el nodo de conmutación. Pensé que la aceleración del voltaje en la salida se debió a la activación exitosa del inductor y la desaceleración se debió a la falla de energizar adecuadamente el inductor durante la porción oscilatoria de la señal en el nodo de conmutación. Tenía sentido que esto fuera un problema de estabilidad debido a esto.

Siguiendo la sugerencia de Olin de echar un vistazo más de cerca al pin de compensación, determiné que al aumentar la capacitancia de la red de la serie RC en el pin comp restauraba la estabilidad del bucle de control. El efecto que esto tuvo en el nodo de conmutación fue significativo, como puede verse por la salida de onda cuadrada:

Se eliminó la onda de diente de sierra / triángulo de baja frecuencia.

Todavía puede existir algo de ruido de alta frecuencia (100Mhz) en la salida, pero se ha sugerido que esto es solo un artefacto de la medición y desaparece cuando el ancho de banda del alcance de 200Mhz está limitado a 20Mhz. La salida es bastante limpia en este punto:

Supongo que todavía tengo algunas preguntas sobre el ruido de alta frecuencia, sin embargo, creo que mis preguntas son más generales y no específicas de esta pregunta de depuración, por lo que el hilo termina aquí.

Su esquema es excesivamente grande y se presenta de manera confusa, lo que desalienta a las personas a responder. No dibuje tierras que vayan hacia arriba, por ejemplo, a menos que las partes realmente provengan de un voltaje negativo. Si quieres que otros vean un esquema, dales un poco de respeto. No nos obligue a inclinar la cabeza para leer cosas y asegúrese de que el texto no se superponga con otras partes del dibujo. La atención a estos detalles no solo ayuda a su credibilidad, sino que también muestra respeto por parte de aquellos a quienes busca un favor. Vi esta pregunta antes, pero todo lo anterior me hizo pensar "demasiados problemas, joder esto", y luego pasé a algo con un factor de molestia menor.

Nos diste un montón de detalles, pero olvidaste los obvios problemas de alto nivel. ¿Qué voltaje se supone que es la salida? Usted mencionó aumentar en algún lugar de su larga escritura, pero también parece haber "7.2V" escrito por el conector de salida. Esto no coincide con "2.5V-10V" escrito por la entrada. De cómo están conectados el inductor, el interruptor y el diodo, tiene una topología de refuerzo. Esto no va a funcionar si la entrada excede el voltaje de salida deseado. ¿Cuáles son sus voltajes de entrada y salida reales? ¿A que corriente?

Ahora al sonar. Primero, algunas de estas cosas son claramente artefactos de alcance. Tienes un muy inductor pequeño (2.2 µH). No miré la hoja de datos del controlador, pero eso suena sorprendentemente bajo. ¿A qué frecuencia de conmutación se supone que debe operar el controlador? A menos que sea un MHz o más, soy escéptico sobre la elección de 2.2 µH para el inductor.

Veamos algunos de los rastros de su alcance:

En realidad, esto muestra un pulso de conmutación razonablemente esperado. De esto también podemos ver que la frecuencia de conmutación, al menos en este caso, es de 1 MHz. ¿Es eso lo que pretendías?

La traza comienza a la izquierda con el interruptor cerrado para que el inductor se esté cargando. El interruptor se abre a 100 ns y, por lo tanto, la salida del inductor aumenta inmediatamente hasta que su corriente comienza a descargar a través de D1. Eso es a 8 V, por lo que el voltaje de salida es aparentemente similar a 7.5 V considerando que D1 es un diodo Schottky pero está recibiendo un pulso de corriente grande (sería bueno saber qué tan grande, o al menos qué tan grande es el promedio). Esto continúa durante 300 ns hasta que el inductor se descarga a t = 400ns.

En ese punto, el lado de salida del inductor está abierto y solo está conectado a la capacitancia parásita a tierra. La inductancia y esta capacitancia parásita forman un circuito de tanque, que produce el sonido. Solo hay dos ciclos de este timbre antes del siguiente pulso, pero tenga en cuenta cómo se está deteriorando ligeramente. La poca energía restante que quedaba en el inductor después de que el diodo se apaga ahora se mueve entre él y la capacitancia, pero cada ciclo se disipa un poco. Todo esto es lo esperado y es una de las firmas características de este tipo de fuente de alimentación conmutada. Tenga en cuenta que la frecuencia de llamada es de aproximadamente 5 MHz, que en un diseño comercial real debe tener cuidado para evitar que se irradie. Este timbre en realidad puede ser la principal emisión de una fuente de alimentación conmutada,

También podemos ver que el timbre está decayendo hacia un poco por debajo de 4V, lo que nos dice el voltaje de entrada que estaba usando en este caso. Esto confirma que realmente está funcionando como un convertidor de impulso con aproximadamente 2 veces más, al menos en este caso. El incremento de 2x también se confirma por las fases de carga y descarga del inductor más o menos iguales, que son 300 ns cada una en este caso.

La fase del circuito del tanque de llamada libre finaliza abruptamente cuando el interruptor se enciende nuevamente a t = 800ns. El interruptor permanece encendido durante aproximadamente 300ns cargando el inductor y el proceso se repite con un período de aproximadamente 1 µs.

Esta traza de alcance realmente muestra las cosas funcionando como se esperaba No hay una pistola humeante aquí.

Se queja de las oscilaciones de salida, pero desafortunadamente ninguno de sus trazas de alcance lo muestra. Los primeros no son significativos, ya que es muy probable que muestren artefactos de alcance y un rebote de tierra en modo común que se muestra como una señal diferencial. Incluso este:

No nos dice mucho. Tenga en cuenta la escala de voltaje sensible. No hay nada sorprendente aquí a 20 mV / división. Algo de esto es casi seguro que los transitorios de modo común confunden el alcance para que aparezcan como señal diferencial. Las partes más lentas son el diodo conductor y luego no conductor, y el pulso de corriente está parcialmente absorbido por el condensador.

Entonces, ¿todo esto se reduce a cuál es exactamente el problema? Si observa fluctuaciones de voltaje a gran escala en la salida durante varios ciclos de conmutación, muéstrelo. De eso pensé que originalmente te quejabas. Si ese es el caso, observe detenidamente la red de compensación para el chip de conmutación. No busqué la hoja de datos, pero por el nombre "comp" para el pin 12 y el hecho de que C4 y R2 están conectados a ella, esta es casi seguramente la red de compensación de retroalimentación. Por lo general, las hojas de datos solo le dicen qué usar y, de todos modos, no le brindan suficiente información para llegar a sus propios valores. Lea esa sección de la hoja de datos detenidamente y vea si ha cumplido todas las condiciones para usar los valores que hizo. Esos son el valor sugerido para esta parte, ¿verdad?

Adicional:

Tenía la intención de mencionar esto antes, pero se deslizó por las grietas. Debe asegurarse de que el inductor no esté saturado. Eso puede causar todo tipo de problemas desagradables, incluidos grandes transitorios e inestabilidad de control. Desde la primera traza de alcance que copié, podemos ver que el inductor se está cargando por 300 ns desde aproximadamente 3.8 V. 3.8V x 300ns / 2.2µH = 518mA. Esa es la corriente máxima del inductor en este caso. Sin embargo, eso es a una corriente de salida bastante baja. Nuevamente, a partir de la traza del alcance, podemos inferir que la corriente de salida es de solo 75-80 mA. A corrientes de salida más altas, la corriente máxima del inductor aumentará hasta que finalmente el controlador funcione en modo continuo (supongo, pero eso es probable). Debe asegurarse de que la corriente del inductor no exceda su límite de saturación en todo el rango. ¿En qué se clasifica el inductor?

Agregado2:

Creo que hay dos problemas básicos aquí:

1. Espera que una fuente de alimentación conmutada tenga poco ruido como las fuentes de alimentación lineales que ha visto. Esto no es razonable.

2. Está obteniendo muchos artefactos de medición que hacen que la salida se vea mucho peor de lo que realmente es.

Su diseño original no ayudó mucho. El segundo es mejor, pero todavía quiero ver algunas mejoras:

Desafortunadamente, la capa tStop está activada y llena lo que realmente queremos ver, pero creo que aún podemos descifrar esta imagen.

Ahora tiene una ruta directa desde el diodo a través de la tapa de salida de regreso al lado de tierra de la tapa de entrada sin cortar a través del plano de tierra. Esa es una gran mejora sobre el original. Sin embargo, tienes el plano de tierra roto con una gran ranura en forma de L en el medio que se extiende hasta el borde inferior. Las partes izquierda y derecha del fondo del plano de tierra están conectadas solo por una ruta larga. Esto podría solucionarse fácilmente reduciendo el requisito de espacio excesivo alrededor de algunas de sus redes y moviendo algunas partes solo un poco. Por ejemplo, no hay razones para que las dos vías muy grandes a la derecha de la entrada + no puedan estar un poco más separadas para permitir que el plano de tierra fluya entre ellas. Lo mismo es cierto a la izquierda de R3, entre el cátodo del diodo y C5, y entre el borde de la placa y D1.

También creo que tienes muy poca capacitancia tanto antes como después del conmutador. Cambie C1 a 22 µF como C5, y agregue otra tapa de cerámica inmediatamente entre los dos pines de JP2.

Pruebe un nuevo experimento con el nuevo diseño. Suelde manualmente otra tapa de 22 µF directamente entre los pines de JP2 en la parte inferior de la placa. Luego, conecte la tierra de la sonda telescópica al pin "-" (no a algún otro punto de tierra en el tablero, directamente al pin "-" solamente ) y enganche la sonda al pin "+" (nuevamente, justo en el pin , no a algún otro punto en la red de voltaje de salida). Asegúrese de que nada más esté conectado a la placa, incluidas otras sondas de alcance, clips de conexión a tierra, cables de conexión a tierra, etc. La única otra conexión debe ser la batería, que tampoco debe estar conectada a ninguna otra cosa. Mantenga esta configuración al menos a un pie de distancia de cualquier otra cosa conductora, particularmente cualquier cosa conectada a tierra. Ahora mira la forma de onda de salida. Sospecho que verá mucho menos ruido que parecía estar en el primer seguimiento de alcance que publicó.

Primero verificaría que el problema que estás persiguiendo realmente existe y no es un artefacto de una mala conexión a tierra del osciloscopio. He pasado bastantes horas persiguiendo el ruido en los rieles de la fuente de alimentación solo para descubrir que desapareció (bueno, casi) cuando utilicé la conexión a tierra en la sonda del osciloscopio, en lugar de un cable separado al osciloscopio.

La medición "adecuada" de ondulación y ruido en el mundo de la fuente de alimentación se realiza de manera muy específica para evitar captar el ruido CM.

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

Si la forma de onda de ondulación que ve ahora se ve radicalmente diferente, concluiría que su medición original fue defectuosa debido a la captación de CM. De lo contrario, tiene un problema de ruido legítimo en sus manos.

Actualización 1: veo que tiene AGND y PGND cableados juntos en su esquema y en su diseño, y que sus componentes de compensación van a la tierra de alimentación separados del pin AGND. Esto es algo malo". Mire de cerca el diseño de referencia de Micrel. La compensación y los retornos del condensador de arranque suave se enrutan a una tierra privada, que luego se conecta a AGND, luego a PGND. Esto asegura que ninguna corriente de conmutación intensa perturbe los componentes sensibles de compensación y control.

Parece que suena HF cuando se enciende el interruptor, a juzgar por la forma de onda del nodo de conmutación que ha proporcionado. Este IC no le da el control del tiempo de encendido y apagado (el FET está integrado), por lo que es posible que deba probar un diodo rectificador de refuerzo diferente o agregar algunos amortiguadores para silenciar el timbre.

Creo que su diseño para el regulador es demasiado grande: consulte el ejemplo proporcionado en la hoja de datos:

Todos los filtros están directamente al lado del IC (C5 en particular). Su límite de salida, por ejemplo (C5) parece estar a más de una pulgada del IC. Tener C3 tan lejos como lo hace para la selección de voltaje también puede causar un problema (¿El ruido inducido en el pin FB puede causar un cambio errático?)

No permita que ese artículo de rebote en el suelo lo lleve en la dirección equivocada, aunque estoy seguro de que sus puntos sobre el tamaño y la orientación del bucle son importantes, probablemente sea más importante:

• Minimice la longitud del nodo SW (el suyo se extiende una distancia considerable para llegar a D1, mueva esa unión D1 / L1 directamente a la esquina del CI.

• Reduzca el tamaño del bucle tanto como sea posible.

También permitiría un poco más de espacio libre en su límite de salida: sus especificaciones esquemáticas 16v aún tiene una selección de voltaje de salida a 15v.

No soy un experto en SMPS, pero he tenido algunos éxitos y fracasos en el pasado.

Esta es una suposición total y no he mirado la hoja de datos del chip, pero C1 parece un poco pequeño. ¿Has intentado simplemente impulsar a ese tipo a algo así como 100uF?