¿Qué está causando grandes oscilaciones en mi convertidor DC/DC boost? ¿Se trata de un rebote a tierra o de algún otro efecto?

Question

Diseñé mi primera placa de circuito impreso para un convertidor DC-DC boost y descubrí que producía una salida muy ruidosa. El diseño se basa en el MIC2253 .
Aquí hay un esquema:

Aunque mi circuito permite diferentes combinaciones de tensiones de entrada (Vin) y 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. He calculado el ciclo de trabajo D=0,5 (es decir, 50%). Esto parece estar dentro de los límites de ciclo de trabajo mínimo del 10% y máximo del 90% especificados en la hoja de datos. Los otros componentes, es decir, los tapones, los inductores y las resistencias son iguales o similares a lo que sugiere la hoja de datos en su ejemplo de aplicación.

El diseño parece dar la tensión RMS correcta en la salida, pero, después de ver la señal a través de un osciloscopio veo que aparecen periódicamente oscilaciones de tensión sinusoidales amortiguadas que parecen ser iniciadas por la conmutación del inductor. Veo las mismas oscilaciones en casi todos los puntos de tierra de la placa. Las oscilaciones en la salida son grandes, es decir, 3 V de pico a pico. Después de investigar un poco parece que mis problemas no son particulares a mi elección de convertidor, sino, a problemas con la disposición de mi PCB (ver enlaces abajo). No estoy seguro de cómo arreglar mi diseño para asegurar 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 estoy teniendo problemas. Es una placa de 2 capas. El rojo es el cobre superior. El azul es el cobre inferior.

"current loops.jpg" muestra la placa del prototipo con superposiciones de color naranja y amarillo de las dos trayectorias 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 de corriente no deberían cambiar de área, por lo tanto, intenté minimizar su cambio de área en un nuevo diseño que inicié en "pcb_fix.png". He modificado el PCB original para que se acerque más a este nuevo diseño, pero el rendimiento de la placa no ha cambiado. Sigue siendo ruidosa. La calidad del hack no es tan buena como se muestra en "pcb_fix.png", sin embargo, es una aproximación justa. Habría esperado alguna mejora, pero no vi ninguna.

Todavía no estoy seguro de cómo arreglar esto. ¿Tal vez el vertido a tierra está causando demasiada capacitancia parásita? ¿Quizás los tapones tienen demasiada impedancia (ESR o ESL)? No lo creo, porque todas son cerámicas multicapa y tienen los valores y el material dieléctrico que pide la hoja de datos, es decir, X5R.Quizás mis trazas tengan demasiada inductancia. He elegido un inductor apantallado, pero, ¿es posible que su campo magnético esté interfiriendo con mis señales?

Cualquier ayuda será muy apreciada.

A petición de un cartel, he incluido algunas salidas de osciloscopio en diferentes condiciones.

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Salida, acoplada a la CA, 1M Ohm, 10X, límite BW OFF:

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Salida, acoplada a la CA, 1M Ohm, 10X, límite BW OFF:

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Salida, acoplada a la CA, 1M Ohm, 10X, límite BW 20Mhz:

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Salida, Acoplada a la CA, 1M Ohm, 1X, Límite de ancho de banda 20Mhz, tapas de 1uF, 10uF, 100nF y resistencia de 120 ohmios de derivación de salida, es decir, están todas en paralelo:

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Nodo de conmutación, acoplado a CC, 1M Ohm, 10X, límite BW OFF

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Nodo de conmutación, acoplado a la CA, 1M Ohm, 10X, límite BW 20Mhz

AÑADIDO: Las oscilaciones originales se atenúan en gran medida, sin embargo, bajo una carga más pesada se producen nuevas oscilaciones indeseables.

Al aplicar varios de los cambios sugeridos por Olin Lathrop, se observó una gran disminución de la amplitud de las oscilaciones. El hackeo de la placa de circuito original para aproximarse a la nueva disposición ayudó un poco al reducir las oscilaciones a 2V de pico a pico:

Tardaré al menos 2 semanas y más dinero en conseguir nuevas placas prototipo, así que estoy evitando este pedido hasta que solucione los problemas.

La adición de condensadores cerámicos adicionales de 22uF de entrada sólo supuso una diferencia insignificante. Sin embargo, la mejora abrumadora vino de simplemente soldar una tapa cerámica de 22uF entre los pines de salida y medir la señal a través de la tapa. Esto llevó la amplitud máxima del ruido a 150mV pico a pico sin ninguna limitación del ancho de banda del osciloscopio. Madmanguruman sugirió un enfoque similar, con la excepción de que sugirió alterar la punta de la sonda en lugar del circuito. Sugirió poner dos tapones entre la tierra y la punta: uno electrolítico de 10uF y otro cerámico de 100nF (en paralelo, supongo). Además, sugirió limitar el ancho de banda de la medición a 20Mhz y poner las sondas en 1x. Esto parecía tener un efecto de atenuación del ruido también en aproximadamente la misma magnitud. Supongo que puedo concluir que originalmente había una capacitancia insuficiente en la salida.

No estoy seguro de si se trata de un nivel de ruido aceptablemente bajo o incluso de una amplitud de ruido típica para un convertidor de conmutación, pero es una gran mejora. Esto fue alentador, así que pasé a probar la robustez del circuito bajo una carga más significativa.

Desgraciadamente, bajo una carga más pesada el circuito está produciendo un nuevo comportamiento extraño. He probado el circuito con una carga resistiva de 30 ohmios. Aunque la placa sigue aumentando el voltaje de entrada como debería, la salida tiene ahora una onda de diente de sierra/triángulo de baja frecuencia. No estoy seguro de lo que esto indica. Me parece que la corriente constante de carga y descarga 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 esto podría suceder.

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

Solución encontrada

La pregunta ha sido respondida y el circuito funciona adecuadamente. El problema estaba efectivamente relacionado con la estabilidad del bucle de control, como sugirió Olin Lathrop. Recibí muchas sugerencias, pero Olin fue el único que sugirió este curso de acción. Por lo tanto, le atribuyo la respuesta correcta a mi pregunta. Sin embargo, agradezco enormemente la ayuda de todos. Varias de las sugerencias realizadas siguen siendo pertinentes para mejorar el diseño y se aplicarán en la próxima revisión del tablero.

Me vi obligado a seguir el consejo de Olin también porque noté que la frecuencia de la salida de diente de sierra/triángulo tenía la misma frecuencia de aparición que la porción de onda cuadrada de la señal en el nodo de conmutación. Pensé que la rampa hacia arriba de la tensión en la salida se debía a la energización exitosa del inductor y la rampa hacia abajo se debía a la falta de energización adecuada del 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 mirar más de cerca la clavija de compensación, determiné que el aumento de la capacitancia de la red en serie RC en la clavija de compensación restablecía la estabilidad del bucle de control. El efecto que esto tuvo en el nodo de conmutación fue significativo, como puede verse en la salida de onda cuadrada:

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

Es posible que siga existiendo algo de ruido de alta frecuencia (100Mhz) en la salida, pero se ha sugerido que es sólo un artefacto de la medición y que desaparece cuando el ancho de banda del osciloscopio de 200Mhz se limita a 20Mhz. La salida es bastante limpia en este punto:

Supongo que todavía tengo algunas preguntas con respecto al ruido de alta frecuencia, sin embargo, creo que mis preguntas son más generales y no específicas a esta pregunta de depuración, así que, el hilo termina aquí.

Answer 1

Su esquema es excesivamente grande y está diseñado de forma confusa, lo que desanima a la gente a responder. Por ejemplo, no dibujes las conexiones a tierra que van hacia arriba, a menos que las piezas vengan realmente de un voltaje negativo. Si quieres que los demás miren un esquema, dales un poco de respeto. No nos hagas inclinar la cabeza para leer las cosas y asegúrate de que el texto no se superpone a otras partes del dibujo. Prestar atención a estos detalles no sólo ayuda a tu credibilidad, sino que también muestra respeto por parte de aquellos a los que buscas un favor. Vi esta pregunta antes, pero todo lo anterior me hizo pensar "demasiada molestia, al diablo con esto", y entonces pasé a algo con un factor de molestia menor.

Nos diste un montón de detalles, pero te olvidaste de las cuestiones obvias de alto nivel. ¿Qué voltaje se supone que debe tener la salida? Mencionaste el refuerzo en alguna parte de tu largo escrito, pero también parece haber "7.2V" escrito por el conector de salida. Esto no coincide con "2.5V-10V" escrito por la entrada. Por la forma en que el inductor, el interruptor y el diodo están conectados, tienes una topología de refuerzo. Esto no va a funcionar si la entrada supera la tensión de salida deseada. ¿Cuáles son los voltajes de entrada y salida reales? ¿Con qué corriente?

Ahora al timbre. En primer lugar, algunas de estas cosas son claramente artefactos de alcance. Usted tiene un muy pequeño (2.2µH) inductor. No he mirado la hoja de datos del controlador, pero eso suena sorprendentemente bajo. ¿A qué frecuencia de conmutación se supone que funciona 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 sus rastros de 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?

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

En ese momento el lado de salida del inductor está abierto y sólo está conectado a la capacitancia parásita a tierra. La inductancia y esta capacitancia parásita forman un circuito tanque, que está produciendo el timbre. Sólo hay dos ciclos de este timbre antes del siguiente pulso, pero observa cómo decae ligeramente. La poca energía restante que quedaba en el inductor después de que el diodo se apagara, está ahora chapoteando 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. Ten en cuenta que la frecuencia de timbre es de unos 5 MHz, que en un diseño comercial real tienes que tener cuidado de manejar para evitar que irradie. Este zumbido puede ser en realidad la principal emisión de una fuente de alimentación conmutada, no la frecuencia de los pulsos como mucha gente parece suponer.

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

La fase de circuito tanque de timbre libre finaliza bruscamente cuando el interruptor se enciende de nuevo en t=800ns. El interruptor permanece encendido durante unos 300ns cargando el inductor y el proceso se repite con un periodo de aproximadamente 1 µs.

Este rastreo de alcance muestra realmente que las cosas funcionan como se espera. No hay una pistola humeante aquí.

Te quejas de las oscilaciones de salida, pero desgraciadamente ninguna de tus trazas del osciloscopio lo muestra. Las primeras no son significativas, ya que lo más probable es que muestren artefactos del osciloscopio y el rebote a tierra en modo común que aparece como una señal diferencial. Incluso este:

No nos dice mucho. Obsérvese la sensible escala de voltaje. No hay nada sorprendente aquí a 20 mV/división. Parte de esto es casi seguro que los transitorios de modo común confunden al osciloscopio para que aparezcan como señal diferencial. Las partes más lentas son el diodo conduciendo y luego no conduciendo, y el impulso de corriente siendo parcialmente absobido por el condensador.

Entonces, todo esto se reduce a ¿cuál es exactamente el problema? Si ves fluctuaciones de voltaje a gran escala en la salida a lo largo de varios ciclos de conmutación, demuéstralo. Eso es lo que pensé que se quejaba originalmente. Si ese es el caso, entonces echa un vistazo a la red de compensación para el chip de conmutación. No he mirado la hoja de datos, pero por el nombre "comp" del pin 12 y el hecho de que C4 y R2 están conectados a él, es casi seguro que se trata de la red de compensación de retroalimentación. Por lo general, las hojas de datos sólo te dicen lo que debes usar y no te dan suficiente información para que puedas encontrar tus propios valores. Lee esa sección de la hoja de datos cuidadosamente y mira si has cumplido todas las condiciones para usar los valores que has usado. Esos son los valores sugeridos para esta pieza, ¿verdad?

Añadido:

Quise mencionar esto antes pero se me escapó. Tienes que asegurarte de que el inductor no está saturado. Eso puede causar todo tipo de problemas desagradables, incluyendo grandes transitorios e inestabilidad de control. De la primera traza de alcance que he copiado, podemos ver que el inductor se está cargando durante 300 ns de alrededor de 3,8 V. 3,8V x 300ns / 2,2µH = 518mA. Ese es el pico de corriente del inductor en este caso. Sin embargo, es una corriente de salida bastante baja. De nuevo, a partir del trazado del osciloscopio podemos deducir que la corriente de salida es sólo de unos 75-80 mA. A mayores corrientes de salida, la corriente pico del inductor aumentará hasta que eventualmente el controlador funcione en modo continuo (estoy suponiendo, pero es probable). Tienes que asegurarte de que la corriente del inductor no supera su límite de saturación en todo el rango. ¿Cuál es la capacidad nominal del inductor?

Añadido2:

Creo que hay dos problemas básicos aquí:

3. Esperas que una fuente de alimentación conmutada tenga poco ruido como las fuentes de alimentación lineales que has mirado. Esto no es razonable.

4. Se obtienen muchos artefactos de medición que hacen que la salida parezca mucho peor de lo que realmente es.

Su diseño original no ayudó en nada. La segunda es mejor, pero todavía quiero ver algunas mejoras:

Lamentablemente tienes la capa tStop activada desordenando lo que realmente queremos ver, pero creo que aún podemos descifrar esta imagen.

Ahora tienes un camino directo desde el diodo a través de la tapa de salida hasta el lado de tierra de la tapa de entrada sin cortar el plano de tierra. Esto 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 de la parte inferior del plano de tierra están conectadas sólo por una larga ruta. Esto podría arreglarse fácilmente reduciendo el requisito de espacio excesivo alrededor de algunas de sus redes, y moviendo algunas partes sólo un poco. Por ejemplo, no hay razones para que las dos grandes vías a la derecha de la entrada + no puedan estar un poco más separadas para dejar que el plano de tierra fluya entre ellas. Lo mismo ocurre 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. Cambia C1 a 22µF como C5, y añade otra tapa cerámica inmediatamente entre los dos pines de JP2.

Pruebe un nuevo experimento con la nueva disposición. Suelde manualmente otro tapón de 22µF directamente entre los pines de JP2 en la parte inferior de la placa. Luego conecte la tierra de la sonda del osciloscopio a la clavija "-" (no a otro punto de tierra de la placa), directamente a la clavija "-" solamente ) y enganchar la propia sonda a la patilla "+" (de nuevo, justo en el pasador y no en otro punto de la red de tensión de salida). Asegúrese de que no hay nada más conectado a la placa, incluyendo cualquier otra sonda del osciloscopio, pinzas de tierra, cables de conexión a tierra, etc. La única otra conexión debería ser la batería, que tampoco debería estar conectada a nada más. Mantenga esta configuración al menos a 30 cm. de distancia de cualquier otra cosa conductora, especialmente de cualquier cosa conectada a tierra. Ahora mira la forma de onda de salida. Sospecho que verás mucho menos ruido que el que aparecía en el primer trazo del osciloscopio que publicaste.

Answer 2

Yo comprobaría primero que el problema que persigues existe realmente y no es un artefacto de una mala conexión a tierra del osciloscopio. He pasado bastantes horas persiguiendo el ruido en los raíles de la fuente de alimentación sólo para descubrir que desaparecía (bueno, casi) cuando utilizaba la conexión a tierra en la sonda del osciloscopio, en lugar de un cable separado para el osciloscopio.

Answer 3

La medición "adecuada" del rizado y el ruido en el mundo de las fuentes de alimentación se realiza de forma muy específica para evitar captar el ruido CM.

Si no tienes miedo de estropear una sonda de osciloscopio, intenta quitar el gancho, soldar un \$10 \mu F\$ electrolítico y \$ 100 nF\$ directamente entre la punta de la sonda y el anillo de tierra, y luego conecte la sonda lo más cerca posible de su conector de salida (intente utilizar algunos de los cables sobrantes del condensador electrolítico para realizar la conexión). Ajuste su osciloscopio al límite de ancho de banda de 20MHz y \$ 1 M \Omega\$ impedancia de entrada.

Si la forma de onda de ondulación que ves ahora parece radicalmente diferente, yo concluiría que tu medición original era defectuosa debido a la captación de CM. De lo contrario, tienes un problema de ruido legítimo en tus manos.

Actualización 1: Veo que has cableado AGND y PGND juntos en tu esquema así como en tu diseño, y que tus componentes de compensación van a la tierra de alimentación separados del pin AGND. Esto es "algo malo". Observe atentamente el esquema de referencia de Micrel. Los retornos de los condensadores de compensación y de arranque suave se dirigen a una tierra privada, que se conecta a AGND y luego a PGND. Esto asegura que ninguna corriente de conmutación pesada perturbe los componentes sensibles de compensación y control.

Parece que hay un timbre de HF cuando tu interruptor se enciende, a juzgar por la forma de onda del nodo de conmutación que has proporcionado. Este circuito integrado no permite controlar el tiempo de encendido y apagado (el FET está integrado), por lo que es posible que tenga que probar un diodo rectificador de refuerzo diferente, o añadir algunos amortiguadores para silenciar el timbre.

Answer 4

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

Todos los filtros están directamente al lado del CI (C5 en particular). Tu tapa de salida por ejemplo (C5) parece estar a más de una pulgada del CI. Tener C3 tan lejos como lo haces para la selección de voltaje también puede causar un problema (¿El ruido inducido en el pin FB podría causar una conmutación errática?)

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

• Minimiza la longitud del nodo SW (el tuyo se extiende una buena distancia para llegar a D1, mueve esa unión D1/L1 directamente a la esquina del CI.

• Reduzca el tamaño del bucle en la medida de lo posible.

Yo también dejaría un poco más de espacio para la cabeza en su tapa de salida - sus especificaciones esquemáticas 16v sin embargo, usted tiene una selección de voltaje de salida @ 15v.

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

Answer 5

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