Atenuación de LED con circuito MOSFET causa fallas en dispositivos de bajo voltaje

Question

Soy un novato en electrónica y tengo un problema que está más allá de mí. Para ambientar la escena: tengo varios circuitos impresos personalizados, todos realizando diferentes tareas como parte de una automatización que estoy haciendo. Cada placa de circuito tiene su propio microcontrolador ESP32 que se interconecta con cualquiera que sea el circuito en la placa. Todas las placas de circuito son alimentadas a través de una sola fuente de alimentación de 24 V (Mean Well HLG-600H-24A) y utilizo un convertidor buck en cada placa para reducir a 5 V para el microcontrolador.

Aún estoy configurando todo, pero en su mayor parte todo funciona bastante bien... eso es, excepto por una cosa. Tengo una placa que conmuta y atenúa tiras LED de 24 V. La placa tiene diez canales que se ven así:

Cada canal es controlado enviando una señal PWM al optoacoplador TLP351. La frecuencia es 1000 Hz y la resolución es de 16 bits. Establezco el brillo de la luz ajustando el ciclo de trabajo.

Ahora para la parte divertida. Cuando atenúo todas mis luces, digamos todas al 75%, cosas extrañas comienzan a pasar. Los dispositivos de lógica de bajo voltaje (en diferentes placas y microcontroladores pero misma fuente de alimentación) dejan de funcionar. Por ejemplo, tengo un sensor de temperatura DS18B20 conectado a través de 5 m de cable y deja de funcionar. Tengo algunos codificadores rotativos (lógica de 3V3) que se vuelven locos cuando intento usarlos.

Parece detenerse si pongo el ciclo de trabajo al 0% o al 100%. También parece detenerse si pongo las luces a diferentes ciclos de trabajo (codificadores rotativos no probados en eso).

¿Cómo puedo evitar que esto suceda? ¿Tiene algo que ver con la conmutación rápida de los MOSFETs todos a la misma frecuencia? ¿Debo poner un capacitor de línea de alimentación para suavizar el rápido encendido/apagado de los MOSFET? ¿Cómo lo dimensiono? ¿Diferente frecuencia? Realmente aprecio su sabiduría en esto.

También, intenté leer el voltaje usando un osciloscopio Pockit meter y esto es lo que obtuve (soy inexperto en el uso de osciloscopios)...

Cuando las luces están apagadas:

Cuando las luces están al 75%:

Answer 1

Su controlador MOSFET aislado tiene un tiempo de subida/caída de 50ns con una carga de 3nF:

Según el gráfico de carga de compuerta del IRF840 y la corriente máxima de salida del controlador, debería cambiar en aproximadamente 30ns. Esto es adecuado para un convertidor DC-DC, pero no para atenuar LED, porque estos pulsos de alta di/dt generarán mucho ruido en la fuente de alimentación y convertirán todos tus cables en antenas. En otras palabras, has creado involuntariamente un interferidor de radio de banda ancha. Deberías intentar usar una radio AM en la misma habitación, ¡con un poco de suerte también puede interferir en la banda FM! ;)

En cuanto a los problemas de interferencia electromagnética, el tiempo de subida es clave, es decir, el tiempo de conmutación. Una señal de alta corriente que cambia en 30ns va a causar problemas sin importar cuál sea la frecuencia. Cada flanco emite un pulso de ondas electromagnéticas con un espectro de banda ancha, y crea una caída de voltaje sobre la inductancia de tu cableado de suministro.

Entonces, si quieres mantener tu placa actual:

• Aumenta la resistencia de compuerta R3 a 1kOhms para ralentizar la conmutación a unos pocos µs.
• Agrega condensadores de desacoplamiento de baja inductancia al riel de alimentación de 24V en la placa (MLCC).
• Asegúrate de que el diseño y el cableado no dirijan la corriente LED pulsante hacia una parte del GND que también se utilice como referencia de voltaje para otra cosa
• Asegúrate de que los cables de las tiras de LED estén trenzados y no sueltos.

Para las próximas placas:

• Reemplaza el costoso controlador MOSFET con un chip 74HCT alimentado por 5V, actúa como un convertidor de 3V3 a 5V con una corriente de salida de 4mA. Por ejemplo, el 74HCT245 manejará 8 MOSFETs. El ESP32 tiene wifi, está aisla...vernadero.

Si usas DS18B20, ten en cuenta que delayMicroseconds() no funciona en ESP32 (el retraso es demasiado largo en 1-3µs). Por lo tanto, la biblioteca OneWire, que lo utiliza para bit-bang, tampoco funciona en ESP32: su tasa de error de lectura es vergonzosamente mala. Puedes usar otra biblioteca OneWire como OneWireNg o esta.

EDICIÓN: Uso de 74HCT245 para 2-8 MOSFETs. Si solo necesitas dos canales, también puedes usar cualquier compuerta lógica HCT, AND, OR, Buffer, lo que sea. Lo importante es que sea HCT ya que leerá correctamente los niveles de 3V3 en la entrada y emitirá 5V.

Answer 2

No estás obteniendo mucho, si es que obtienes algún beneficio, de optoaislar la señal de conducción cuando ambos tierras están conectados juntos.

Observa cuidadosamente la ruta que toman las corrientes LED de regreso a la fuente de alimentación y asegúrate de que no esté regresando por una ruta que esté derivada a tierra en los circuitos de control. Si puedes separar los nodos indicados abajo y cablearlos directamente de regreso a la fuente de alimentación puede ser útil:

También los 3 nodos a tierra de LM7815 (conectados directamente al MOSFET y U3, no con un conductor separado) si no hacen nada más.

Como una especie de prueba básica, puedes intentar aumentar R3 a algo como 4.7K y ver si el problema se mitiga. Eso disminuirá el conmutación y puede ayudar a compensar el mal diseño. No aumentes mucho más que eso sin ajustar R4 hacia arriba.

También dale a U3 un capacitor de bypass cerca del lado de +15V si no tienes uno ya.

Answer 3

Tuve un problema similar con un circuito que alimentaba LEDs de alta potencia con mosfets y al mirar el lado del drenaje del mosfet había una oscilación significativa de alta frecuencia como resultado de la inductancia de plomo y el tiempo de conmutación muy rápido. No querrás intentar ralentizar eso con un resistor de puerta más grande porque, dependiendo de la potencia del mosfet, corres el riesgo de que pase tiempo en la porción de transición lineal de su curva y esto puede causar fallos en el dispositivo debido al Efecto Spirito. En su lugar, puse una red de atenuación desde el drenaje hasta la fuente consistente en un resistor de valor bajo y un condensador - no puedo recordar los valores exactos ahora, creo que podría haber sido 10 ohmios y 0.001uF para un LED de 3W, es posible que quieras experimentar y necesitas un buen osciloscopio con, por ejemplo, un ancho de banda de 200MHz realmente para este tipo de trabajo.

Answer 4

En mi opinión, parece que hay un zumbido (puntas de alto voltaje) de los cables del tiras LED. Esto provoca el reinicio de tu ESP32. Para reducir este zumbido, debes conectar un circuito snubber RC: un capacitor de 22nF y un resistor de 33 Ohmios (1 vatio) en paralelo entre el drenaje y el suelo. Esto reduce drásticamente las puntas de alto voltaje. Importante: añade un diodo zener (3.6v) al pin de PWM de ESP32. Si el efecto era débil, conecta un diodo snubber bidireccional (en serie P500KE) de 36V entre el drenaje +24V.

Answer 5

Muestras un convertidor buck como U6. ¿Es eso un chip o algún módulo que agregaste, etc? Esperaría que un convertidor buck tenga 20uF (dos 10uF en paralelo) en la entrada y 66uF (tres 22uF en paralelo) en la salida.

Intenta ejecutar todos los MCU(s) en una fuente de alimentación separada de 5v4A. Al utilizar la fuente de alimentación separada, incluso podrías evitar conectar las tierras entre la fuente de alimentación ruidosa de alto voltaje y tu fuente de poder de 5vdc. Si eso ayuda, sigue usando eso.

o

Podría valer la pena agregar un diodo a la entrada del convertidor buck entre la fuente de 24V y C3. Esto permitirá que la corriente fluya hacia el convertidor buck, pero si los LEDs bajan el riel de 24Vdc, el diodo evitará que los capacitores de entrada se descarguen.