Qu'est-ce qui cause de grandes oscillations dans mon convertisseur élévateur DC / DC? S'agit-il d'un rebond au sol ou d'un autre effet?

J'ai conçu mon premier PCB pour un convertisseur boost DC-DC uniquement pour constater qu'il produisait une sortie très bruyante. La conception est basée sur le MIC2253 .
Voici un schéma:

Bien que mon circuit permette différentes combinaisons de tensions d'entrée (Vin) et de tensions de sortie (Vout). Le cas que je débogue est avec Vin = 3,6 V et Vout = 7,2 V. La charge était une résistance de 120 ohms. J'ai calculé le rapport cyclique D = 0,5 (soit 50%). Cela semble se situer dans les limites de 10% minimum et 90% maximum du cycle d'utilisation spécifiées dans la fiche technique. Les autres composants, à savoir les capuchons, les inductances, les résistances sont identiques ou similaires à ce que la fiche technique suggère dans son exemple d'application.

La conception semble donner la tension d'élévation RMS correcte sur la sortie, mais, après avoir vu le signal à travers un oscilloscope, je vois des oscillations de tension sinusoïdale amorties apparaître périodiquement qui semblent être déclenchées par la commutation de l'inductance. Je vois les mêmes oscillations sur presque tous les points de masse de la carte. Les oscillations sur la sortie sont importantes, c'est-à-dire 3 V crête à crête. Après avoir fait un peu de recherche, il semble que mes problèmes ne soient pas particuliers à mon choix de convertisseur, mais à des problèmes avec ma configuration PCB (voir les liens ci-dessous). Je ne sais pas comment corriger ma mise en page pour garantir des résultats acceptables.

Ces documents semblent utiles pour déboguer le problème:

• 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

J'ai joint trois images. "original pcb.png" contient une image de la carte avec laquelle j'ai des problèmes. C'est une planche à 2 couches. Le rouge est le cuivre supérieur. Le bleu est le cuivre de fond.

"current loops.jpg" montre la carte prototype avec des superpositions orange et jaune des deux chemins de courant différents utilisés pour charger (orange) et décharger (jaune) l'inductance. Un des articles, ( http://www.physics.ox.ac.uk/lcfi/Electronics/EDN_Ground_bounce.pdf ), a suggéré que les deux boucles actuelles ne devraient pas changer de zone, donc, j'ai essayé de minimiser leur changement dans la zone dans une nouvelle mise en page, j'ai commencé dans "pcb_fix.png". J'ai piraté le PCB d'origine afin qu'il soit plus proche de cette nouvelle disposition, mais les performances de la carte n'ont pas changé. C'est encore bruyant! La qualité du hack n'est pas aussi bonne que celle montrée dans "pcb_fix.png", cependant, c'est une approximation juste. Je m'attendais à une amélioration, mais je n'en ai pas vu.

Je ne sais toujours pas comment résoudre ce problème. Peut-être que le déversement du sol cause trop de capacité parasite? Peut-être que les bouchons ont trop d'impédance (ESR ou ESL)? Je ne pense pas, car ils sont tous en céramique multicouche et ont les valeurs et le matériau diélectrique requis par la fiche technique, c'est-à-dire X5R. Peut-être que mes traces peuvent avoir trop d'inductance. J'ai choisi une inductance blindée, mais est-il possible que son champ magnétique interfère avec mes signaux?

Toute aide serait très appréciée.

À la demande d'une affiche, j'ai inclus une sortie d'oscilloscope dans différentes conditions.

Sortie, couplée AC, 1M Ohm, 10X, limite BW OFF:

Sortie, couplée AC, 1M Ohm, 10X, limite BW OFF:

Sortie, couplée AC, 1M Ohm, 10X, limite BW 20Mhz:

Sortie, Couplé AC, 1M Ohm, 1X, BW limit 20Mhz, 1uF, 10uF, 100nF caps et 120 ohm resistor shunting output, ie they are all in parallel:

Nœud de commutation, couplé CC, 1M Ohm, 10X, limite BW OFF

Nœud de commutation, couplé CA, 1M Ohm, 10X, limite BW 20Mhz

AJOUT: Les oscillations d'origine se sont atténuées considérablement, cependant, sous une charge plus lourde, de nouvelles oscillations indésirables se produisent.

Lors de la mise en œuvre de plusieurs des changements suggérés par Olin Lathrop, une forte diminution de l'amplitude des oscillations a été observée. Le piratage de la carte de circuit imprimé d'origine pour approximer la nouvelle disposition a quelque peu aidé en réduisant les oscillations à 2 V crête à crête:

Il faudra au moins 2 semaines et plus d'argent pour obtenir de nouvelles cartes prototypes, donc j'évite cette commande jusqu'à ce que je règle les problèmes.

L'ajout de condensateurs céramiques d'entrée 22uF supplémentaires n'a fait qu'une différence négligeable. Cependant, l'amélioration écrasante est venue de simplement souder un capuchon en céramique de 22 uF entre les broches de sortie et de mesurer le signal à travers le capuchon. Cela a amené l'amplitude maximale du bruit à 150 mV crête à crête sans aucune limitation de bande passante de la portée !! Madmanguruman a suggéré une approche similaire, à l'exception qu'il a suggéré de modifier la pointe de la sonde au lieu du circuit. Il a suggéré de mettre deux bouchons entre le sol et la pointe: un électrolytique 10uF et un céramique 100nF (en parallèle, je suppose). De plus, il a suggéré de limiter la bande passante de la mesure à 20 MHz et de mettre les sondes sur 1x. Cela semblait également avoir un effet d'atténuation du bruit à peu près de la même ampleur.

Je ne sais pas s'il s'agit d'un plancher de bruit acceptable ou même d'une amplitude de bruit typique pour un convertisseur de commutation, mais c'est une amélioration massive. C'était encourageant, j'ai donc testé la robustesse du circuit sous une charge plus importante.

Malheureusement, sous une charge plus lourde, le circuit produit un nouveau comportement étrange. J'ai testé le circuit avec une charge résistive de 30 ohms. Bien que la carte augmente toujours la tension d'entrée comme elle le devrait, la sortie a maintenant une sortie d'onde en dents de scie / triangle basse fréquence. Je ne sais pas ce que cela indique. Cela ressemble à une charge et une décharge de courant constant du capuchon de sortie pour moi à une fréquence beaucoup plus basse que la fréquence de commutation de 1 Mhz. Je ne sais pas pourquoi cela se produirait.

Le sondage du nœud de commutation dans les mêmes conditions de test a montré un signal désordonné et des oscillations horribles.

Solution trouvée

La question a été répondue et le circuit fonctionne correctement. Le problème était en effet lié à la stabilité de la boucle de contrôle comme l'a suggéré Olin Lathrop. J'ai reçu de grandes suggestions, cependant, Olin était le seul à suggérer cette ligne de conduite. Je lui attribue donc la bonne réponse à ma question. Cependant, j'apprécie grandement l'aide de chacun. Plusieurs des suggestions faites étaient toujours pertinentes pour améliorer la conception et seront mises en œuvre dans la prochaine révision du conseil d'administration.

J'ai également été obligé de suivre les conseils d'Olin parce que j'ai remarqué que la fréquence de la sortie en dents de scie / triangle avait la même fréquence d'apparition que la portion d'onde carrée du signal au nœud de commutation. Je pensais que l'augmentation de la tension sur la sortie était due à la mise sous tension réussie de l'inductance et la baisse de la tension était due à l'échec de l'excitation adéquate de l'inductance pendant la partie oscillante du signal sur le nœud de commutation. Il était logique que ce soit un problème de stabilité à cause de cela.

En suivant la suggestion d'Olin de regarder de plus près la broche de compensation, j'ai déterminé que l'augmentation de la capacité du réseau de la série RC sur la broche comp rétablissait la stabilité de la boucle de contrôle. L'effet que cela a eu sur le nœud de commutation était significatif, comme le montre la sortie d'onde carrée:

L'onde basse fréquence en dents de scie / triangle a été éliminée.

Un bruit haute fréquence (100Mhz) peut toujours exister sur la sortie, mais, il a été suggéré que ce n'est qu'un artefact de la mesure et disparaît lorsque la bande passante de l'oscilloscope 200Mhz est limitée à 20Mhz. La sortie est assez propre à ce stade:

Je suppose que j'ai encore des questions concernant le bruit haute fréquence, cependant, je pense que mes questions sont plus générales et non spécifiques à cette question de débogage, donc, le fil se termine ici.

Votre schéma est excessivement grand et présenté de manière confuse, ce qui décourage les gens de répondre. Ne tracez pas de terrain vers le haut, par exemple, à moins que les pièces ne proviennent réellement d'une tension négative. Si vous voulez que d'autres regardent un schéma, respectez-les. Ne nous obligez pas à incliner la tête pour lire des choses et assurez-vous que le texte ne chevauche pas d'autres parties du dessin. L'attention à ces détails contribue non seulement à votre crédibilité, mais elle montre également le respect de ceux dont vous recherchez la faveur. J'ai vu cette question plus tôt, mais tout ce qui précède m'a fait penser à «trop de problèmes, vissez ça», puis je suis passé à quelque chose avec un facteur de tracas inférieur.

Vous nous avez donné un tas de détails, mais vous avez oublié les problèmes évidents de haut niveau. Quelle tension la sortie est-elle censée être? Vous avez mentionné le boost quelque part dans votre long document, mais il semble également que "7.2V" soit écrit par le connecteur de sortie. Cela ne correspond pas à "2.5V-10V" écrit par l'entrée. De la façon dont l'inductance, le commutateur et la diode sont câblés, vous avez une topologie de boost. Cela ne fonctionnera pas si l'entrée dépasse la tension de sortie souhaitée. Quelles sont vos tensions d'entrée et de sortie réelles? À quel courant?

Passons maintenant à la sonnerie. Premièrement, certaines de ces choses sont clairement des artefacts de portée. Vous avez un très petit inducteur (2,2µH). Je n'ai pas regardé la fiche technique du contrôleur, mais cela semble étonnamment bas. À quelle fréquence de commutation le contrôleur est-il censé fonctionner? À moins que ce soit un MHz ou plus, je suis sceptique quant au choix de 2,2 µH pour l'inductance.

Regardons quelques-unes de vos traces de portée:

Cela montre en fait une impulsion de commutation raisonnablement attendue. De cela, nous pouvons également voir que la fréquence de commutation, au moins dans ce cas, est de 1 MHz. C'est bien ce que vous vouliez?

La trace commence à gauche avec l'interrupteur fermé pour que l'inductance se charge. L'interrupteur s'ouvre à 100 ns et la sortie de l'inductance augmente donc immédiatement jusqu'à ce que son courant commence à se déverser sur D1. C'est à 8V, donc la tension de sortie est apparemment quelque chose comme 7,5V étant donné que D1 est une diode Schottky mais reçoit une impulsion de courant importante (il serait bon de savoir quelle est la taille, ou au moins la taille de la moyenne). Cela continue pendant 300 ns jusqu'à ce que l'inductance soit déchargée à t = 400ns.

À ce stade, le côté de sortie de l'inductance est ouvert et n'est connecté qu'à une capacité parasite à la terre. L'inductance et cette capacité parasite forment un circuit réservoir qui produit la sonnerie. Il n'y a que deux cycles de cette sonnerie avant l'impulsion suivante, mais notez comment elle se désintègre légèrement. Le peu d'énergie restante qui a été laissée dans l'inductance après la coupure de la diode glisse maintenant entre elle et la capacité, mais chaque cycle se dissipe un peu. Tout cela est comme prévu et est l'une des signatures caractéristiques de ce type d'alimentation à découpage. Notez que la fréquence de sonnerie est d'environ 5 MHz, ce qui, dans une conception commerciale réelle, doit être pris en compte pour éviter qu'elle ne rayonne. Cette sonnerie peut en fait être l'émission principale d'une alimentation à découpage,

Nous pouvons également voir que la sonnerie se dégrade vers un peu en dessous de 4V, ce qui nous indique la tension d'entrée que vous utilisiez dans ce cas. Cela confirme qu'il fonctionne vraiment comme un convertisseur boost avec environ 2 fois plus, au moins dans ce cas. L'intensification 2x est également confirmée par les phases de charge et de décharge de l'inducteur à peu près égales, qui sont chacune de 300 ns dans ce cas.

La phase du circuit du réservoir à sonnerie libre s'arrête brusquement lorsque l'interrupteur se remet en marche à t = 800 ns. L'interrupteur reste allumé pendant environ 300 ns en chargeant l'inductance et le processus se répète avec une période d'environ 1 µs.

Cette trace d'étendue montre réellement que les choses fonctionnent comme prévu. Il n'y a pas de pistolet fumant ici.

Vous vous plaignez des oscillations de sortie, mais malheureusement aucune de vos traces de portée ne le montre. Les premiers ne sont pas significatifs car ils montrent très probablement des artefacts de portée et un rebond de masse en mode commun apparaissant comme un signal différentiel. Même celui-ci:

Ne nous dit pas grand-chose. Notez l'échelle de tension sensible. Il n'y a rien de surprenant ici à 20 mV / division. Une partie de cela est presque certainement le transitoire de mode commun confondant la portée de sorte qu'ils apparaissent comme un signal différentiel. Les parties les plus lentes sont la diode conductrice puis non conductrice, et l'impulsion de courant étant partiellement absobée par le condensateur.

Donc, tout cela revient à quel est exactement le problème? Si vous voyez des fluctuations de tension à grande échelle sur la sortie sur un certain nombre de cycles de commutation, montrez-le. C'est ce dont je pensais que vous vous plaigniez à l'origine. Si tel est le cas, examinez attentivement le réseau de compensation de la puce de commutation. Je n'ai pas consulté la fiche technique, mais d'après le nom "comp" pour la broche 12 et le fait que C4 et R2 y sont connectés, il s'agit presque certainement du réseau de compensation de rétroaction. Habituellement, les fiches techniques vous disent simplement quoi utiliser et ne vous donnent pas suffisamment d'informations pour arriver à vos propres valeurs de toute façon. Lisez attentivement cette section de la fiche technique et voyez si vous avez rempli toutes les conditions d'utilisation des valeurs que vous avez utilisées. Ce sont les valeurs suggérées pour cette partie, non?

Ajoutée:

Je voulais le mentionner avant, mais ça a glissé à travers les mailles du filet. Vous devez vous assurer que l'inducteur ne sature pas. Cela peut provoquer toutes sortes de problèmes désagréables, y compris de gros transitoires et contrôler l'instabilité. De la première trace de portée que j'ai copiée, nous pouvons voir que l'inductance est chargée pendant 300 ns à partir d'environ 3,8 V. 3,8 V x 300 ns / 2,2 µH = 518 mA. C'est le courant de pointe de l'inductance dans ce cas. Cependant, c'est à un courant de sortie assez faible. Encore une fois, à partir de la trace de l'oscilloscope, nous pouvons déduire que le courant de sortie n'est que d'environ 75 à 80 mA. À des courants de sortie plus élevés, le courant de crête de l'inducteur augmentera jusqu'à ce que finalement le contrôleur fonctionne en mode continu (je suppose, mais c'est probable). Vous devez vous assurer que le courant d'inductance ne dépasse pas sa limite de saturation sur toute la plage. À quoi l'inductance est-elle évaluée?

Added2:

Je pense qu'il y a deux problèmes fondamentaux ici:

1. Vous vous attendez à ce qu'une alimentation à découpage soit à faible bruit comme les alimentations linéaires que vous avez examinées. Ce n'est pas raisonnable.

2. Vous obtenez beaucoup d'artefacts de mesure qui rendent la sortie bien pire qu'elle ne l'est vraiment.

Votre mise en page d'origine n'a pas aidé les choses. Le second est meilleur mais je veux quand même voir quelques améliorations:

Malheureusement, la couche tStop est activée pour encombrer ce que nous voulons vraiment voir, mais je pense que nous pouvons encore déchiffrer cette image.

Vous avez maintenant un chemin direct de la diode à travers le capuchon de sortie vers le côté terre du capuchon d'entrée sans couper à travers le plan de masse. C'est une grande amélioration par rapport à l'original. Cependant, vous avez le plan de sol brisé avec une grande fente en forme de L au milieu qui s'étend jusqu'au bord inférieur. Les parties gauche et droite du bas du plan de masse ne sont reliées que par un long parcours. Cela pourrait être facilement résolu en réduisant l'exigence d'espacement excessif autour de certains de vos filets et en déplaçant quelques pièces juste un peu. Par exemple, il n'y a aucune raison pour que les deux très grands vias à droite de l'entrée + ne puissent pas être plus éloignés l'un de l'autre pour laisser le plan du sol s'écouler entre eux. La même chose est vraie à gauche de R3, entre la cathode de la diode et C5, et entre le bord de la carte et D1.

Je pense également que vous avez trop peu de capacité avant et après le commutateur. Changez C1 en 22µF comme C5 et ajoutez un autre capuchon en céramique immédiatement entre les deux broches de JP2.

Essayez une nouvelle expérience avec la nouvelle mise en page. Soudez manuellement un autre capuchon de 22µF directement entre les broches de JP2 au bas de la carte. Ensuite, attachez la masse de la sonde de l'oscilloscope à la broche "-" (pas un autre point de masse sur la carte, directement à la broche "-" uniquement ) et accrochez la sonde elle-même à la broche "+" (encore une fois, juste à la broche, pas un autre point sur le réseau de tension de sortie). Assurez-vous que rien d'autre n'est connecté à la carte, y compris les autres sondes d'oscilloscope, les clips de mise à la terre, les fils de mise à la terre, etc. La seule autre connexion doit être la batterie, qui ne doit pas non plus être connectée à autre chose. Gardez cette configuration à au moins un pied de tout autre élément conducteur, en particulier tout élément mis à la terre. Regardez maintenant la forme d'onde de sortie. Je soupçonne que vous verrez beaucoup moins de bruit qui semblait être dans la première trace de portée que vous avez publiée.

Je voudrais d'abord vérifier que le problème que vous poursuivez existe vraiment et n'est pas un artefact provenant d'une mauvaise mise à la terre de l'oscilloscope. J'ai passé plusieurs heures à chasser le bruit sur les rails d'alimentation pour constater qu'il a disparu (enfin presque) lorsque j'ai utilisé la connexion à la terre sur la sonde de l'oscilloscope, au lieu d'un fil séparé pour l'oscilloscope.

La mesure "correcte" de l'ondulation et du bruit dans le monde de l'alimentation est effectuée de manière très spécifique pour éviter de capter le bruit CM.

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

Si la forme d'onde d'ondulation que vous voyez maintenant est radicalement différente, je conclurais que votre mesure d'origine était défectueuse en raison du capteur CM. Sinon, vous avez un problème de bruit légitime sur vos mains.

Mise à jour 1: je vois que vous avez câblé AGND et PGND ensemble sur votre schéma ainsi que sur votre mise en page, et que vos composants de compensation vont à la masse d'alimentation séparée de la broche AGND. C'est une mauvaise chose". Examinez attentivement la disposition de référence Micrel. Les retours de condensateur de compensation et de démarrage progressif sont tous acheminés vers une terre privée, qui est ensuite connectée à AGND, puis à PGND. Cela garantit qu'aucun courant de commutation important ne perturbe les composants sensibles de compensation et de contrôle.

Il semble y avoir une sonnerie HF lorsque votre commutateur est activé, à en juger par la forme d'onde du nœud de commutation que vous avez fournie. Ce circuit intégré ne vous permet pas de contrôler le temps d'activation et de désactivation (le FET est intégré), vous devrez donc peut-être essayer une diode de redressement de suralimentation différente ou ajouter des amortisseurs pour atténuer la sonnerie.

Je pense que votre disposition pour le régulateur est beaucoup trop grande - Vérifiez l'exemple fourni dans la fiche technique:

Tous les filtres sont directement à côté du CI (C5 en particulier). Votre capuchon de sortie par exemple (C5) semble être à plus d'un pouce du CI. Avoir C3 aussi loin que vous pour la sélection de tension peut également causer un problème (le bruit induit sur la broche FB peut provoquer une commutation erratique?)

Ne laissez pas cet article au sol vous conduire dans la mauvaise direction - même si je suis sûr que ses points sur la taille et l'orientation de la boucle sont importants, il est probablement le plus important de:

• Minimisez la longueur du nœud SW (le vôtre s'étend sur une bonne distance pour atteindre D1, déplacez cette jonction D1 / L1 directement au coin du CI.

• Réduisez autant que possible la taille de la boucle.

J'accorderais également un peu plus de marge dans votre cap de sortie - vos spécifications schématiques 16v mais vous avez une sélection de tension de sortie @ 15v.

Je ne suis pas un expert en SMPS mais j'ai eu quelques succès et échecs dans le passé.

c'est une supposition totale et je n'ai pas regardé la fiche technique de la puce, mais C1 semble un peu petit. Avez-vous essayé de simplement augmenter ce type à quelque chose comme 100uF?