DC / DC 부스트 컨버터에서 큰 진동을 일으키는 원인은 무엇입니까? 이지면 바운스 또는 다른 효과입니까?

DC-DC 부스트 컨버터를위한 첫 번째 PCB를 설계하여 잡음이 많은 출력을 생성했습니다. 이 디자인은 MIC2253을 기반으로합니다 .
회로도는 다음과 같습니다.

내 회로는 입력 전압 (Vin)과 출력 전압 (Vout)의 다른 조합을 허용하지만. 내가 디버깅하는 경우는 Vin = 3.6V 및 Vout = 7.2V입니다. 부하는 120 옴 저항이었다. 듀티 사이클 D = 0.5 (즉, 50 %)를 계산했습니다. 이는 데이터 시트에 지정된 10 % 최소 및 90 % 최대 듀티 사이클 제한 내에있는 것으로 보입니다. 다른 구성 요소, 즉 캡, 인덕터, 저항기는 데이터 시트의 적용 예에서 제안하는 것과 동일하거나 유사합니다.

이 디자인은 출력에서 ​​올바른 RMS 스텝 업 전압을 제공하는 것으로 보이지만 오실로스코프를 통해 신호를 본 후 주기적으로 감쇠 된 정현파 전압 진동이 나타나는데, 이는 인덕터의 스위칭으로 시작되는 것으로 보입니다. 보드의 거의 모든 접지점에서 동일한 진동이 나타납니다. 출력의 발진이 크므로 3V 피크 대 피크입니다. 약간의 연구를 한 후에 내 문제는 내가 선택한 변환기에만 국한된 것이 아니라 PCB 레이아웃 문제와 관련이있는 것 같습니다 (아래 링크 참조). 수용 가능한 결과를 보장하기 위해 레이아웃을 수정하는 방법을 잘 모르겠습니다.

이 문서는 문제를 디버깅하는 데 유용합니다.

• 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

세 개의 이미지를 첨부했습니다. "original pcb.png"에는 문제가있는 보드의 이미지가 포함되어 있습니다. 2 층 보드입니다. 빨간색은 상단 구리입니다. 파란색은 아래쪽 구리입니다.

"current loops.jpg"는 인덕터를 충전 (주황색) 및 방전 (노란색)하는 데 사용되는 두 개의 서로 다른 전류 경로의 주황색과 노란색 오버레이가있는 프로토 타입 보드를 보여줍니다. 기사 중 하나 ( http://www.physics.ox.ac.uk/lcfi/Electronics/EDN_Ground_bounce.pdf )는 두 개의 현재 루프가 영역에서 바뀌지 않아야한다고 제안했기 때문에 변경을 최소화하려고했습니다. 새 레이아웃의 영역에서 "pcb_fix.png"에서 시작했습니다. 원래의 PCB를 해킹하여 새로운 레이아웃에 더 가까워졌지만 보드의 성능은 변하지 않았습니다. 여전히 시끄 럽습니다! 해킹의 품질은 "pcb_fix.png"에 표시된 것처럼 좋지 않지만 공정한 근사치입니다. 나는 약간의 개선을 기대했지만, 아무것도 보지 못했습니다.

여전히이 문제를 해결하는 방법을 모르겠습니다. 지면 부어가 너무 많은 기생 용량을 유발하고 있습니까? 아마도 캡이 너무 많은 임피던스 (ESR 또는 ESL)를 가지고 있습니까? 그것들은 모두 세라믹 다층이기 때문에 데이터 시트에 의해 요청 된 값과 유전체 재료, 즉 X5R을 가지고 있기 때문에 그렇게 생각하지 않습니다. 아마도 내 흔적에 너무 많은 인덕턴스가있을 수 있습니다. 차폐 인덕터를 선택했지만 자기장이 자기 신호를 방해 할 수 있습니까?

어떤 도움이라도 대단히 감사하겠습니다.

포스터의 요청에 따라 다른 조건에서 일부 오실로스코프 출력을 포함 시켰습니다.

출력, AC 결합, 1M 옴, 10X, BW 제한 OFF :

출력, AC 결합, 1M 옴, 10X, BW 제한 OFF :

출력, AC 결합, 1M 옴, 10X, BW 제한 20Mhz :

출력, AC 결합, 1M 옴, 1X, BW 제한 20Mhz, 1uF, 10uF, 100nF 캡 및 120ohm 저항 분로 출력, 즉 모두 병렬로 제공됩니다.

스위칭 노드, DC 결합, 1M 옴, 10X, BW 제한 OFF

스위칭 노드, AC 결합, 1M 옴, 10X, BW 제한 20Mhz

ADDED : 원래 진동은 크게 감쇠 되었으나, 무거운 하중에서는 바람직하지 않은 새로운 진동이 발생합니다.

Olin Lathrop이 제안한 몇 가지 변경 사항을 구현하면 진동 진폭이 크게 감소했습니다. 새로운 레이아웃을 근사하기 위해 원래의 cicuit 보드를 해킹하면 진동을 2V 피크에서 피크로 낮추어 다소 도움이되었습니다.

새로운 프로토 타입 보드를 구입하는 데 최소 2 주 이상이 소요되므로 문제를 해결할 때까지이 주문을 피하고 있습니다.

추가적인 입력 22uF 세라믹 커패시터의 추가는 무시할만한 차이를 만들었습니다. 그러나 출력 핀 사이에 22uF 세라믹 캡을 납땜하고 캡 전체의 신호를 측정하는 것만으로도 엄청난 개선이 이루어졌습니다. 이는 스코프의 대역폭 제한없이 노이즈 최대 진폭을 150mV 피크 대 피크로 가져 왔습니다 !! Madmanguruman은 회로 대신 프로브 팁 변경을 제안한 것을 제외하고는 비슷한 접근 방식을 제안했습니다. 그는 접지와 팁 사이에 2 개의 캡 (10uF 전해 및 100nF 세라믹 1 개를 병렬로 가정)을 제안했습니다. 또한 측정 대역폭을 20Mhz로 제한하고 프로브를 1x로 설정하는 것이 좋습니다. 이것은 대략 같은 크기로 노이즈 감쇠 효과를 갖는 것으로 보였다.

이것이 저잡음 플로어인지 또는 스위칭 컨버터의 일반적인 노이즈 진폭인지 확실하지 않지만 크게 개선되었습니다. 이것은 장려되었으므로 더 중요한 부하에서 회로의 견고성을 테스트했습니다.

불행히도, 부하가 많을 때 회로는 새로운 이상한 행동을 일으키고 있습니다. 30 옴 저항 부하로 회로를 테스트했습니다. 보드는 여전히 입력 전압을 향상 시키지만 출력에는 저주파 톱니 / 삼각파 출력이 있습니다. 이것이 무엇을 나타내는 지 잘 모르겠습니다. 스위칭 주파수 1Mhz보다 훨씬 낮은 주파수에서 출력 캡을 정전류 충전 및 방전하는 것처럼 보입니다. 왜 이런 일이 일어날 지 잘 모르겠습니다.

동일한 테스트 조건에서 스위칭 노드를 조사하면 지저분한 신호와 끔찍한 진동이 나타났습니다.

해결책을 찾았습니다

질문에 대한 답변을 받았으며 회로가 제대로 작동하고 있습니다. 문제는 실제로 Olin Lathrop이 제안한 제어 루프의 안정성과 관련이 있습니다. 나는 큰 제안을 받았지만 Olin은이 행동을 제안하는 유일한 사람이었다. 그러므로 나는 내 질문에 대한 정답으로 그를 인정합니다. 그러나 모두의 도움에 크게 감사드립니다. 제안 된 몇 가지 제안은 여전히 ​​디자인 개선과 관련이 있으며 보드의 다음 개정판에 구현 될 것입니다.

또한 톱니 / 삼각 출력의 주파수가 스위칭 노드에서 신호의 구형파 부분과 동일한 주파수를 갖는 것을 알았 기 때문에 Olin의 조언을 따라야했습니다. 출력에서 전압의 램프 업은 인덕터에 성공적으로 전원을 공급하기 때문이고, 램프 다운은 스위칭 노드에서 신호의 진동 부분 동안 인덕터에 적절히 에너지를 공급하지 못했기 때문이라고 생각했습니다. 이로 인해 이것이 안정성 문제라는 것이 이해가되었습니다.

보상 핀을 자세히 살펴보기위한 Olin의 제안에 따라, 보상 핀에서 RC 시리즈 네트워크의 커패시턴스를 증가 시키면 제어 루프의 안정성이 회복된다는 것을 알았습니다. 이것이 구형파 출력에서 ​​볼 수 있듯이 이것이 스위칭 노드에 미치는 영향은 중요합니다.

저주파 톱니 / 삼각파가 제거되었습니다.

일부 고주파 노이즈 (100Mhz)가 여전히 출력에 존재할 수 있지만 이는 측정의 결과 일 뿐이며 200Mhz 스코프의 대역폭이 20Mhz로 제한되면 사라지는 것으로 제안되었습니다. 이 시점에서 출력이 매우 깨끗합니다.

나는 여전히 고주파 노이즈에 관한 몇 가지 질문이 있다고 생각하지만 내 질문은 더 일반적 이며이 디버깅 질문에 국한되지 않는다고 생각하므로 스레드는 여기서 끝납니다.

당신의 회로도는 지나치게 커서 혼란스러운 방식으로 배치되어 사람들의 반응을 방해합니다. 예를 들어 부품이 실제로 음의 전압에서 나오지 않는 한 접지를 위로 올리지 마십시오. 다른 사람들이 회로도를 보길 원한다면 그들에게 약간의 존경심을주십시오. 머리를 기울여 글을 읽고 텍스트가 그림의 다른 부분과 겹치지 않도록하십시오. 이러한 세부 사항에주의를 기울이면 신뢰를 얻는 데 도움이 될뿐만 아니라 호의를 구하는 사람들의 존중도 ​​나타납니다. 나는이 질문을 더 일찍 보았지만, 위의 모든 것들은 "너무 많은 문제, 이것을 망쳐 놓았다"고 생각한 다음 번거롭지 않은 요소로 넘어 갔다.

당신은 우리에게 많은 세부 사항을 주었지만 명백한 높은 수준의 문제에 대해 잊어 버렸습니다. 출력 전압은 얼마입니까? 긴 쓰기에서 어딘가에 부스팅을 언급했지만 출력 커넥터에서 "7.2V"가 기록 된 것 같습니다. 입력으로 쓴 "2.5V-10V"와 일치하지 않습니다. 인덕터, 스위치 및 다이오드의 배선 방식에서 부스트 토폴로지가 있습니다. 입력이 원하는 출력 전압을 초과하면 작동하지 않습니다. 실제 입력 및 출력 전압은 무엇입니까? 어떤 현재에?

이제 울림 첫째, 이러한 것들 중 일부는 분명히 범위 인공물입니다. 당신은이 매우 작은 (2.2μH) 인덕터를. 컨트롤러 데이터 시트를 보지 않았지만 놀라 울 정도로 낮습니다. 컨트롤러는 어떤 스위칭 주파수로 작동해야합니까? MHz 이상이 아니라면 인덕터에 대해 2.2µH 선택에 대해 회의적이다.

스코프 추적 중 일부를 살펴 보겠습니다.

이것은 실제로 합리적으로 예상되는 스위칭 펄스를 보여줍니다. 이것으로부터 우리는 또한 적어도이 경우 스위칭 주파수가 1 MHz임을 알 수있다. 그게 당신이 의도 한 것입니까?

인덕터가 충전되고 있도록 스위치가 닫힌 상태에서 트레이스가 왼쪽에서 시작됩니다. 스위치는 100ns에서 열리므로 인덕터 출력은 D1을 통해 전류 덤프가 시작될 때까지 즉시 상승합니다. 즉, 8V이므로 출력 전압은 D1이 쇼트 키 다이오드이지만 큰 전류 펄스를 얻는다는 점을 고려할 때 7.5V와 같습니다. 이것은 인덕터가 t = 400ns에서 방전 될 때까지 300ns 동안 계속됩니다.

이 시점에서 인덕터의 출력측은 개방되어 있으며 접지에 대한 기생 커패시턴스에만 연결됩니다. 인덕턴스와이 기생 용량은 탱크 회로를 형성하여 링잉을 생성합니다. 다음 펄스 이전에이 링잉의 사이클은 2 회 뿐이지 만 그것이 어떻게 소멸되는지주의하십시오. 다이오드가 꺼진 후 인덕터에 남은 적은 에너지가 이제는 다이오드와 커패시턴스 사이에서 앞뒤로 움직이고 있지만 각 사이클이 조금씩 사라지고 있습니다. 이것은 모두 예상대로이며 이러한 종류의 스위칭 전원 공급 장치의 특징적인 특성 중 하나입니다. 벨소리 주파수는 약 5MHz이며 실제 상용 설계에서는 방사를 피하기 위해주의를 기울여야합니다. 이 링잉은 실제로 스위칭 전원 공급 장치에서 주로 방출 될 수 있습니다.

또한 링잉이 4V 미만으로 감소하고 있음을 알 수 있으며,이 경우 사용중인 입력 전압을 알려줍니다. 이것은 적어도이 경우에 약 2 배의 스텝 업으로 부스트 컨버터로 작동하고 있음을 확인합니다. 2x 스텝 업은 또한 대략 동일한 인덕터 충전 및 방전 단계 (이 경우 각각 300ns)에 의해 확인된다.

스위치가 t = 800ns에서 다시 켜지면 프리 링잉 탱크 회로 위상이 갑자기 종료됩니다. 이 스위치는 약 300ns 동안 인덕터를 충전하고 약 1 µs 주기로 프로세스를 반복합니다.

이 범위 추적은 실제로 예상대로 작동하는 것을 보여줍니다. 여기에는 흡연 총이 없습니다.

출력 진동에 대해 불평하지만 불행히도 스코프 추적 중 어느 것도 이것을 보여주지 않습니다. 초기 스코프는 스코프 아티팩트와 공통 모드 그라운드 바운스가 확산 신호로 표시되기 때문에 의미가 없습니다. 이것조차도 :

우리에게 많은 말을하지 않습니다. 민감한 전압 스케일에 유의하십시오. 20mV / 구간에서 놀라운 것은 없습니다. 이 중 일부는 스코프를 혼란스럽게하는 공통 모드 과도 상태이므로 거의 차동 신호로 표시됩니다. 더 느린 부분은 다이오드가 전도되고 전도되지 않으며, 전류 펄스는 커패시터에 의해 부분적으로 제거된다.

그래서,이 모든 것이 정확히 문제가 무엇입니까? 여러 스위칭 사이클에서 출력에 대규모 전압 변동이 나타나는 경우이를 보여줍니다. 그것이 내가 당신이 처음에 불평하고 있다고 생각한 것입니다. 이 경우 스위처 칩에 대한 보상 네트워크를주의 깊게 살펴보십시오. 데이터 시트는 찾아 보지 않았지만 핀 12의 "comp"라는 이름과 C4와 R2가 연결되어 있다는 사실은 거의 확실하게 피드백 보상 네트워크입니다. 일반적으로 데이터 시트는 사용 대상을 알려주고 어쨌든 자신의 가치를 발휘할 충분한 정보를 제공하지 않습니다. 데이터 시트의 해당 섹션을주의 깊게 읽고 수행 한 값을 사용하기위한 모든 조건을 충족했는지 확인하십시오. 이것이이 부분의 제안 된 가치입니까?

추가 :

나는 이것을 전에 언급하려고했지만 균열을 통해 미끄러졌습니다. 인덕터가 포화 상태가 아닌지 확인해야합니다. 큰 과도 및 제어 불안정성을 포함하여 모든 종류의 불쾌한 문제가 발생할 수 있습니다. 필자가 복사 한 첫 번째 스코프 트레이스에서 인덕터가 약 3.8V에서 300ns 동안 충전되고 있음을 알 수 있습니다. 3.8V x 300ns / 2.2µH = 518mA. 이것이이 경우의 피크 인덕터 전류입니다. 그러나 이는 다소 낮은 출력 전류입니다. 다시 스코프 트레이스에서 출력 전류가 약 75-80mA에 불과하다는 것을 알 수 있습니다. 더 높은 출력 전류에서 피크 인덕터 전류는 결국 컨트롤러가 연속 모드에서 실행될 때까지 올라갑니다 (추측하지만 가능성이 높습니다). 인덕터 전류가 전체 범위에서 포화 한계를 초과하지 않아야합니다. 인덕터 정격은 무엇입니까?

추가 2 :

여기에는 두 가지 기본 문제가 있다고 생각합니다.

1. 스위칭 전원 공급 장치는 사용자가 본 선형 전원 공급 장치와 같이 노이즈가 적을 것으로 예상합니다. 이것은 합리적이지 않습니다.

2. 결과가 실제보다 훨씬 나빠 보이도록 많은 측정 결과가 나타납니다.

원래 레이아웃은 중요하지 않았습니다. 두 번째는 더 낫지 만 여전히 몇 가지 개선 사항을보고 싶습니다.

불행히도 tStop 레이어가 실제로보고 싶은 것을 어지럽게했지만 여전히이 그림을 해독 할 수 있다고 생각합니다.

이제 접지면을 가로 질러 절단하지 않고 출력 캡을 통해 다이오드에서 입력 캡의 접지면으로 직접 경로가 설정되었습니다. 원본보다 크게 개선되었습니다. 그러나 접지면이 가운데에 큰 L 자형 슬롯으로 나뉘어 아래쪽 가장자리까지 뻗어 있습니다. 접지면 하단의 왼쪽과 오른쪽 부분은 긴 경로에 의해서만 연결됩니다. 일부 그물 주변의 과도한 간격 요구 사항을 줄이고 일부 부품을 조금만 움직여서 쉽게 해결할 수 있습니다. 예를 들어, + 입력 오른쪽에있는 두 개의 매우 큰 비아가 접지면이 그들 사이로 흐르도록 멀리 떨어져있을 수있는 이유는 없습니다. R3의 왼쪽, 다이오드의 음극과 C5 사이, 보드 가장자리와 D1 사이에서도 마찬가지입니다.

또한 스위처 전후에 커패시턴스가 너무 적다고 생각합니다. C5와 같이 C1을 22µF로 변경하고 JP2의 두 핀 사이에 다른 세라믹 캡을 즉시 추가하십시오.

새로운 레이아웃으로 새로운 실험을 해보십시오. 보드 하단에있는 JP2의 핀 사이에 또 ​​다른 22µF 캡을 직접 납땜하십시오. 그런 다음 스코프 프로브 접지를 "-"핀 (보드의 다른 접지 지점이 아닌 "-"핀에만 직접 )에 끼 우고 프로브 자체를 "+"핀에 다시 연결하십시오 (핀 바로 오른쪽에 있음)출력 전압 그물의 다른 지점이 아닙니다). 다른 스코프 프로브, 접지 클립, 접지선 등을 포함하여 보드에 다른 것이 연결되어 있지 않은지 확인하십시오. 다른 유일한 연결은 배터리 여야하며, 다른 것도 연결해서는 안됩니다. 이 장치를 전도성이있는 물체, 특히 접지 된 물체에서 최소한 1 피트 이상 떨어진 곳에 두십시오. 이제 출력 파형을보십시오. 나는 당신이 게시 한 첫 번째 스코프 트레이스에있는 것처럼 보이는 잡음이 상당히 적을 것으로 생각합니다.

먼저 쫓고있는 문제가 실제로 존재하며 오실로스코프의 접지 불량으로 인한 인공물이 아닌지 먼저 확인합니다. 오실로스코프에 별도의 와이어 대신 오실로스코프 프로브의 접지 연결을 사용할 때 사라지는 것을 발견하기 위해 전원 공급 장치 레일에서 노이즈를 추적하는 데 몇 시간을 보냈습니다.

전원 공급 장치 세계에서 "적절한"리플 및 노이즈 측정은 CM 노이즈가 발생하지 않도록 매우 구체적으로 수행됩니다.

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

현재 보이는 리플 파형이 크게 다르게 보일 경우 CM 픽업으로 인해 원래 측정에 결함이 있다고 결론을 내릴 수 있습니다. 그렇지 않으면, 당신은 당신의 손에 합법적 인 소음 문제가 있습니다.

업데이트 1 : 회로도 및 레이아웃에서 AGND와 PGND를 함께 배선했으며 보상 구성 요소가 AGND 핀과 별도로 전원 접지로 가고 있음을 알았습니다. 이것은 "나쁜 것"입니다. Micrel 참조 레이아웃을 자세히 살펴보십시오. 보상 및 소프트 스타트 커패시터 리턴은 모두 사설 접지로 라우팅 된 다음 AGND, PGND로 연결됩니다. 이는 과도한 스위칭 전류가 민감한 보상 및 제어 구성 요소를 방해하지 않도록합니다.

스위치를 켤 때 제공 한 스위칭 노드 파형에 따라 HF 링잉이있는 것으로 보입니다. 이 IC는 켜기 및 끄기 시간 (FET 통합)을 제어하지 않으므로 다른 부스트 정류기 다이오드를 시도하거나 스 너버를 추가하여 링잉을 조용히해야합니다.

레귤레이터의 레이아웃이 너무 큽니다. 데이터 시트에서 제공된 예제를 확인하십시오.

모든 필터는 IC 바로 옆에 있습니다 (특히 C5). 예를 들어 (C5)와 같은 출력 캡이 IC에서 1 인치 이상인 것으로 보입니다. 전압 선택을 위해 C3을 멀리 떨어 뜨려도 문제가 발생할 수 있습니다 (FB 핀에 노이즈가 유도되면 불규칙한 스위칭이 발생할 수 있습니까?)

그라운드 바운스 기사가 잘못된 방향으로 인도하지 않도록하십시오-루프 크기와 방향에 대한 요점이 중요하다는 것을 확신합니다.

• SW 노드의 길이를 최소화하십시오 (여러분은 공정 거리를 D1에 도달하도록 확장하고 해당 D1 / L1 접점을 IC 모서리로 직접 이동하십시오.

• 루프 크기를 최대한 줄이십시오.

또한 출력 캡에 약간의 여유 공간을 허용합니다. 회로도 사양은 16v이지만 출력 전압 선택은 15v입니다.

저는 SMPS의 전문가는 아니지만 과거에 몇 가지 성공과 실패를 경험했습니다.

이것은 전체 추측이며 칩 데이터 시트를 보지 않았지만 C1은 약간 작습니다. 그 사람을 100uF와 같은 것으로 부스트하려고 했습니까?