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.
all.css
contient la règle .post-text img { max-width: 630px; }
, qui doit redimensionner chaque image de chaque publication à une taille raisonnable. Je ne m'oppose pas à publier de grandes images; ils se compressent assez bien en PNG et nous pouvons ouvrir l'image dans un nouvel onglet et zoomer pour vérifier, par exemple, le chevauchement des broches et les erreurs de correspondance de la grille.