Почему прыгает напряжение на выходе импульсного блока питания

Обновлено: 03.07.2024

Как вы относитесь к этой статье? Помогите нам улучшить контент для вас.

Спасибо! Ваш отзыв получен.

Не удалось отправить отзыв. Повторите попытку позже.

Что вы думаете об этой статье?

Хороший источник питания с низким уровнем шума — это необходимая часть испытательного оборудования, независимо от того, тестируете ли вы аналоговые схемы, например аудиоусилители, цифровые схемы, например новую плату Arduino, или радиочастотные схемы, например новое радио SDR. Эти жизненно важные части испытательного оборудования подают чистое напряжение на тестируемые устройства, имея при этом возможность ограничивать такие параметры, как потребляемый ток. В лучшие блоки питания постоянного тока встроено много других средств защиты, но они часто указываются в спецификациях как вводящие в заблуждение аббревиатуры. В этом посте мы рассмотрим 10 распространенных аббревиатур, связанных с блоками питания, и объясним каждое из них с точки зрения непрофессионала.

Начнем!

10 распространенных сокращений источников питания постоянного тока

CC — режим постоянного тока

Режим постоянного тока (CC) — это режим работы источника питания, при котором он выдает постоянный ток. Режим постоянного тока обычно включается автоматически, когда источник питания достигает предела тока. Когда блок питания работает в режиме постоянного тока, вы, скорее всего, увидите, что выходное напряжение вашего блока питания падает ниже установленного значения.

Поначалу это может немного сбивать с толку, и вам может потребоваться несколько секунд, чтобы понять, почему ваш блок питания показывает более низкое напряжение, чем вы хотите, даже если вы попытаетесь отрегулировать напряжение выше. Когда предел тока достигнут, тестируемое устройство пытается потреблять больше тока, чем предел. Чтобы ограничить ток, источник питания должен уменьшить выходное напряжение, чтобы все было сбалансировано… подумайте о законе Ома.

Если вы неожиданно видите, что ваш блок питания постоянного тока переключается в режим CC, лучше всего отключить питание и с помощью хорошего мультиметра проверить наличие короткого замыкания или плохого контакта. Когда вы будете удовлетворены, вы можете сообщить о своем устройстве и медленно увеличивать предел тока, чтобы увидеть, сможете ли вы заставить источник питания постоянного тока переключиться обратно в режим постоянного напряжения. Только будьте осторожны, чтобы не дать волшебному дыму выйти наружу! ;)

CV — режим постоянного напряжения

Режим постоянного напряжения (CV) — это «нормальный» режим работы источника питания постоянного тока. При работе в этом режиме источник питания будет выдавать постоянное выходное напряжение в зависимости от настройки выходного напряжения. Источник питания будет работать в режиме CV до тех пор, пока не будет нарушено ограничение по току. Таким образом, блок питания ведет себя как источник напряжения, поддерживая постоянное напряжение на выходных клеммах, а ток будет варьироваться в зависимости от потребляемой мощности тестируемой цепи.

PSRR — коэффициент отклонения источника питания

Коэффициент подавления источника питания (PSRR) — это показатель способности источника питания блокировать или подавлять шум, достигающий выходных клемм. Для лучшего подавления шума PSRR должен быть отрицательным, и чем он больше, тем сильнее подавление шума. PSRR важен, потому что это мера того, сколько шума, вводимого на вход источника (от грязного питания или соседнего оборудования), может повлиять на стабильность выходного сигнала. У Keysight есть отличная статья с подробным описанием некоторых нежелательных сигналов, которые могут вызывать помехи в источниках питания.

OCP — защита от перегрузки по току

Защита от перегрузки по току (OCP) — это механизм, предотвращающий перегрузку чувствительных устройств. Защита от перегрузки по току не является независимой от ограничения тока и фактически работает рука об руку с ограничением тока. Ограничение тока включается, когда источник питания работает в режиме постоянного тока. Защита от перегрузки по току является дополнительной защитой. Если функция OCP включена, она фактически полностью отключит питание по истечении заданного времени задержки. Эта реализация гарантирует, что временные скачки тока не приведут к полному отключению источника питания. Если OCP срабатывает, обычно его необходимо сбросить, прежде чем снова будет включен выход источника питания. OCP обычно можно включать и выключать с помощью настройки источника питания.

OPP — защита от перегрузки по мощности

Защита от перегрузки по мощности (OPP) — это защита, которая защищает блок питания от перегорания, вызванного коротким замыканием или перегрузкой. В то время как OCP и OVP обеспечивают строгую защиту от перегрузок по току и перенапряжению, OPP представляет собой комплексную защиту, которая отключает выход источника питания, если потребляемая мощность превышает максимальную номинальную мощность.

OTP – защита от перегрева

Защита от перегрева (OTP) — это защитный механизм, который отслеживает внутреннюю температуру блока питания и отключает выход блока питания, если внутренняя температура превышает предел. В отличие от других средств защиты, таких как OCP, OTP нельзя отключить.

OVP — защита от перенапряжения

Защита от перенапряжения (OVP) — это средство защиты, предназначенное для защиты чувствительных устройств. OVP работает, контролируя положительные и отрицательные клеммы выхода источника питания. Если напряжение превышает установленный предел, выход либо фиксируется, либо полностью отключается.

SCP — защита от короткого замыкания

Защита от короткого замыкания (SCP) аналогична защите от перегрузки по току. При обнаружении короткого замыкания блок питания «разорвет» цепь и отключит выход блока питания.

SMPS – импульсный источник питания

Импульсный источник питания (SMPS) — это тип источника питания постоянного тока, в котором используются импульсные стабилизаторы для преобразования сигналов переменного тока в выходные сигналы постоянного тока. Импульсные источники питания обычно более эффективны, чем их линейные аналоги. Основным недостатком этих типов источников питания является выходной шум, который может появиться из-за схемы переключения.

UVP — защита от пониженного напряжения

Защита от пониженного напряжения (UVP) — это особый тип защиты источника питания, который можно найти не во всех моделях. Основной целью UVP является предотвращение падения выходного напряжения ниже установленного пользователем предела низкого напряжения. Это полезно в некоторых случаях, например, при разрядке аккумуляторов. Когда выходное напряжение ниже предела, выход источника питания будет отключен.

Ищете отличный блок питания?

Мы написали БОЛЬШОЕ РУКОВОДСТВО по источникам питания постоянного тока и включили в него наши лучшие рекомендации по источникам питания постоянного тока. Если вы хотите обновить свой блок питания и не знаете, что вам следует учитывать, это руководство укажет вам правильное направление!

Главный редактор FromDC2Daylight. Томми Рид также является директором по технологической стратегии в L3Harris, где он формирует стратегию компании посредством целенаправленных исследований и разработок и четкого понимания меняющейся среды угроз.

Я собирал линейный блок питания на 28 В для питания старинной военной радиостанции. Я хочу, чтобы это было как можно проще, я построил его с трансформатором 120-30 В переменного тока, затем он проходит через мостовой выпрямительный диод.

Напряжение, выходящее из диода, составляет 26 В постоянного тока, что достаточно близко для тех старых радиоприемников. Но когда я подключаю конденсатор, чтобы сгладить сигнал, напряжение подскакивает до 40 В постоянного тока независимо от номинала конденсатора, который я использую. Я пробовал конденсатор 50В 3300 мкФ и конденсатор 28В 6600 мкФ. Я не использую какую-либо микросхему регулятора напряжения, потому что я не думал, что она мне понадобится, если бы я мог просто получить источник питания для вывода напряжения, которое я хочу. Мой главный вопрос: почему после конденсатора так сильно скачет напряжение и как это исправить? Я включил электрическую схему для цепи, которую я сделал.

\$\begingroup\$ Поскольку напряжение переменного тока является синусоидой, а номинальное значение указано в среднеквадратичном напряжении (а не в пиковом напряжении или в размахе напряжения), среднеквадратичное значение определяется не так, как вы предполагаете. \$\конечная группа\$

1 Ответ 1

Мой главный вопрос: почему после конденсатора так сильно скачет напряжение и как это исправить?

Проще говоря, конденсатор действует как компонент удержания пикового напряжения, таким образом, заряжаясь до вершины пика выпрямленного вторичного напряжения.

Без конденсатора среднее напряжение, измеренное на выпрямителе (с помощью стандартного мультиметра постоянного тока), составило бы около 0,637 x 30 В x \$\sqrt2\$ = 27 В.

При наличии конденсатора постоянный ток становится «сглаженным» при пиковом значении от мостового выпрямителя, которое составляет около 42 вольт (30 вольт x \$\sqrt2\$ ). Именно здесь на верхнем рисунке появляется значение 0,707, т. Е. \$\sqrt2\$ = 1,4142 = \$\dfrac\$ .

Чтобы получить более точный результат, мы должны убрать от 1,2 до 1,4 В из числа выше, чтобы учесть падение напряжения, вызванное диодами в мостовом выпрямителе.

Чтобы восстановить сглаженное и выпрямленное напряжение примерно до 26 В постоянного тока, требуется замена трансформатора с вторичным напряжением, которое больше похоже на среднеквадратичное значение 18 В.

Другими словами, среднеквадратичное значение 18 В x \$\sqrt2\$ = 24,5 В за вычетом пары падений на диоде дает конечное напряжение примерно 23,2 В. Если вы сможете найти номинальное вторичное напряжение 20 вольт, то оно будет более подходящим.

В качестве альтернативы используйте регулятор, но будьте готовы к таким проблемам, как чрезмерный нагрев, если потребление тока слишком велико.

Для тех из вас, кто никогда не отключал питание, статья ниже написана специально для вас. Для тех из вас, у кого есть, просто используйте изображения для справки.

Два провода, на которые подается напряжение, – зеленый и фиолетовый. В зависимости от того, где цепь перескочила, вы можете получить блок питания для производства 12 вольт. Если вентилятор идет один, вы сделали это правильно. Всегда дважды проверяйте показания напряжения с помощью мультиметра.

Показан двойной прыжок, так как он не такой простой. Одинарный прыжок работает так же, но без провода слева.

Не сработало?… Я уточню.

Оберните провода прозрачной лентой, чтобы они не выпадали. Это сохраняет блок питания для других целей. Пластиковый лист приклеен рядом с вентилятором, чтобы показать: вентилятор включен и производит всасывание, поэтому пластик находится на одном уровне с воздухозаборным отверстием вентилятора. (У этого блока питания есть выключатель, но нет светодиода)

Здесь должно производиться 12 В постоянного тока.

Примечание. Большинство двигателей в автомобилях рассчитаны на 12 В постоянного тока.

Свалки – отличное место для отдыха.

Это полезно для питания плат 3D-принтеров. И его можно использовать для запуска любого двигателя постоянного тока 12 В, если сила тока не смешная, то есть очень высокая или очень низкая. Отличный пример: группа WOOF использует двигатель стеклоочистителя (лобового стекла) для тестирования большого драйвера экструдера.

Подсказка: шаговые двигатели с высоким крутящим моментом обычно находятся внутри дверей, приводящих в движение электрические стеклоподъемники. Подумайте о большой площади поверхности с сильным сопротивлением, у этих есть серьезный толчок.

Развлекайтесь и посмотрите, что вы можете взломать.

3 комментария о подключении источника питания на 12 В постоянного тока

Прыжок с фиолетового на желтый вообще не имеет смысла. Фиолетовый — 5 В в режиме ожидания, поэтому подача 12 В может привести к его повреждению.

Согласен, переход от фиолетового к желтому не нужен, но я сталкивался с несколькими блоками питания, которые не дают 12 В при 12 амперах только с зеленым на черный, вы получаете другую перестановку 8 В и несколько ампер. Я не знаю, связано ли это с отсутствием отраслевого стандарта или с плохой проводкой. Время от времени я сталкиваюсь с розовым проводом или какой-то странной штукой, я только что проверил выходы на многих перестановках, и они были одинаковыми. Этот блок питания ATX мощностью 300 Вт Bestec был первым устройством Double Jump. Makerbot Gen 3 использует резистор 5W30RJ, чтобы обойти эту проблему. И наоборот, один из Dell перескакивает с резистором 20 Вт 8 Ом в переходе от зеленого к черному и резистором 10 Вт 10 Ом в переходе от желтого к фиолетовому. Среди прочего я запускал оба на Printrboard. Скорее всего, есть лучшее решение проблемы с 20-24-контактным разъемом, но это заставило меня некоторое время работать, и я попытаюсь немного изложить его.

Все, что вам нужно сделать, это соединить зеленый и черный, чтобы включить его, и подключить фиктивную нагрузку 5 В (красный и черный), чтобы получить правильное напряжение на шине 12 В. Это будет работать со всеми блоками питания ATX.

Вывод. Импульсные блоки питания меньше по размеру и более эффективны, чем более простые линейные блоки питания.

Содержание

Источник питания с режимом переключения
- Этот термин не используется, так как компания Motorola заявляет права на товарный знак в SWITCHMODE.
История

Одним из основных пользователей этого типа источника питания является компьютерная промышленность. Импульсные источники питания (SMPS) появились в продаже примерно с 1970 года. Компания Hewlett Packard использовала один из них в калькуляторе HP-35 (1972 год) для питания светодиодного дисплея и сигналов синхронизации.

Эта концепция восходит к системе зажигания с индуктивным разрядом Кеттеринга (1910 г.), основанной на открытии в 1836 г. способности индукционных катушек повышать напряжение. В 1936 году появился источник питания «вибратор», который использовался в автомобильных радиоприемниках для повышения напряжения 6-вольтовой батареи до более высокого напряжения, необходимого для электронных ламп.

Последние достижения в области полупроводниковых технологий привели к созданию твердотельных переключателей, которые можно было использовать для создания импульсных источников питания. В 1977 году компания Apple ][ использовала импульсный блок питания для создания небольшого и легкого домашнего компьютера.

Преимущества

Импульсные источники питания предпочтительны, когда требуется небольшой размер и высокая эффективность. Типичный линейный блок питания очень неэффективен, теряет много энергии на нагрев и шум в трансформаторе и фильтрах. Чтобы обеспечить адекватное регулирование тока или напряжения, еще больше энергии будет рассеиваться в виде тепла. Это требует большей площади для радиаторов и адекватного воздушного потока вокруг устройства для конвекционного охлаждения. Принудительное воздушное охлаждение будет создавать дополнительный шум и потреблять некоторую энергию в процессе. Импульсный источник питания позволяет избежать многих из этих потерь, в результате чего блок меньше по размеру и более эффективен.

Импульсный источник питания напрямую выпрямляет входящий переменный ток, который подается на прерыватель. Прерыватель представляет собой высокочастотный переключатель. Результирующий сигнал подается на трансформатор для усиления или ослабления по мере необходимости. Затем выходной сигнал выпрямляется и фильтруется, чтобы обеспечить очень плавный и стабильный выход постоянного тока.Управляя прерывателем, SMPS способен очень жестко регулировать (управлять) выходным напряжением. Так как SMPS работает с высокими частотами, проще фильтровать и сглаживать выход второго выпрямителя, используя небольшие дроссели и фильтрующие конденсаторы. В линейном источнике питания будут использоваться большие дроссели и конденсаторы для фильтрации выходного сигнала выпрямителя с частотой 120 Гц (или 100 Гц, если источник питания имеет частоту 50 Гц). SMPS использует частоты, которые могут составлять 50 кГц и более. Это позволяет использовать небольшой корпус с небольшими потерями тепла и практически бесшумной работой.

По сравнению с линейным источником питания

Хотя линейный источник питания прост в изготовлении, импульсный источник питания меньше по размеру и более эффективен. Их конструкция также позволяет им работать в широком диапазоне напряжений и частот сети, обеспечивая тихую работу и хорошую стабилизацию. Линейный источник питания, хотя и проще, тратит много энергии на трансформатор, фильтры и схемы регулирования. Он также может быть намного больше по сравнению с аналогичным SMPS.
- Размер
  - Линейные блоки питания намного крупнее
  - Линейный: 30–40%
  - SMPS: может достигать 95 % в оптимизированном дизайне. Обычно 60–70 %.
  - Линейный: очень хорошо при регулировке. Без регулирования выходное напряжение будет зависеть от входного напряжения и нагрузки.
  - SMPS: очень стабильный вывод независимо от ввода.
  Возможности SMPS
  
  Обе конструкции включают трансформаторы для изоляции стороны линии (сети) от выходов низкого напряжения (LV).
  
  < бр />
  Отскок питания и заземления — это сдвиги шин питания и заземления на кристалле интегральной схемы (ИС) по отношению к их соответствующим уровням на плоскостях печатной платы. Любой шум, введенный в цепь питания и заземления, может появиться на логических входах и выходах. Наиболее важна скорость фронта, и это может вызвать проблемы с электромагнитными помехами. Благодаря достижениям в технологии CMOS и уменьшению размера кристалла, скорость переключения современных электронных устройств намного выше, чем в предыдущих технологиях. В этих типах ИС влияние собственных электрических характеристик становится более выраженным.
  
  Одной из этих внутренних электрических характеристик является индуктивность, присутствующая во всех материалах выводных рамок, которая создает дребезг питания или заземления. Таким образом, стратегии проектирования для уменьшения отскока земли играют неотъемлемую роль в современных высокоскоростных встроенных и цифровых системах. В этой статье исследуется отскок от земли, создаваемый сборкой ЖК-дисплея, и оценивается влияние отскока от земли на электромагнитные помехи на уровне системы. Анализируются три стратегии решения для смягчения отскока земли, приводятся плюсы и минусы каждой стратегии вместе с результатами испытаний.
  
  Фон при отскоке от земли
  
  То, что обычно называют дребезгом питания и заземления, на самом деле является индуктивно связанными перекрестными помехами между индуктивностями контура ввода-вывода. Эти перекрестные помехи с индуктивной связью создаются, когда широкая шина данных ИС имеет общий провод питания и возврата, который имеет паразитную индуктивность, как показано на рисунке 1. Шум одновременного переключения (SSN) часто называют скачком напряжения Vcc или землей [3].
  
  Рисунок 1. Индуктивность выводов питания и заземления [4]
  
  Когда сигнальная петля переключается с логического 0 на логическую 1, ток, необходимый для зарядки, должен потребляться от емкости подсистемы питания. Этот ток должен проходить через паразитную индуктивность выводов Vcc корпуса IC. Индуктивность корпуса предотвращает протекание тока во время этих быстрых переходов фронта. Этот переходный процесс напряжения приводит в движение шину питания (Vcc) отрицательной клеммы ИС по отношению к шине питания на печатной плате и создает звон на шине питания постоянного тока [1].
  
  Аналогично, когда логические линии переключаются с логической 1 на логический 0, паразитная емкость линий передачи должна разряжаться через паразитную индуктивность заземляющих выводов корпуса ИС. Этот di/dt действует как принудительная функция и создает падение напряжения на общей обратной паразитной индуктивности. Этот скачок напряжения приводит к положительному напряжению земли микросхемы по отношению к земле на печатной плате и создает звон на заземляющем слое [1].
  
  Эти типы нежелательных переходных процессов в шинах питания и заземления являются результатом того, что несимметричные логические драйверы заряжают и разряжают паразитные конденсаторы на кристалле. Тихие выходы будут двигаться с той же формой сигнала, что и источник питания или земля.Эти переходные процессы напряжения могут появляться на всех логических сигналах, выходящих из ИС. Таким образом, он может появиться на шине Vcc, линии синхронизации или линии данных, выходящей из микросхемы. Если сигнальная линия имеет избыточное питание или дребезг земли, это также может привести к логическим сбоям. Эти логические сбои могут быть обнаружены производителями на стадии прототипа продукта. Проблемы электромагнитных помех, создаваемые этим устройством, могут быть незначительными на уровне устройства, но они могут быть серьезными на уровне системы. Если логический сигнал выходит из клетки Фарадея без экрана, это может вызвать электромагнитные помехи [1]. Соединение нескольких точек на плоскости с «заземлением шасси» позволяет этим токам течь в шасси, превращая его в излучающую поверхность, усиливая электромагнитные помехи. Эти проблемы не связаны с часами. Другими словами, низкоскоростные печатные платы теперь должны иметь дело с проблемами высокоскоростного переключения.
  
  Проблема
  
  В рамках разработки одного из наших автономных роботов-уборщиков нового поколения мы приступили к предварительной проверке на соответствие требованиям ЭМС. У нас было несколько проблем с EMI, исходящих от нашей системы. Дальнейшее устранение неполадок, связанных с электромагнитными помехами, привело к тому, что проблема сузилась до сенсорного ЖК-дисплея, используемого в наших роботизированных платформах.
  
  Вся система тестируется в камере ЭМС с антенной дальнего поля, расположенной на расстоянии 3 м от системы. В этом случае шум, показанный на Рисунке 2, связан со сканированием электромагнитных помех всей нашей роботизированной системы с установленным ЖК-дисплеем.
  
  Рисунок 2. Измерение электромагнитных помех на расстоянии 3 м, передняя горизонтальная часть — роботизированная система с ЖК-дисплеем, версия A
  
  ЖК-дисплей, используемый в роботизированной системе, затем тестировался отдельно, питаясь от внешнего источника питания, в 3-метровой ЭМС-камере с антенной дальнего поля. Измерение электромагнитных помех ЖК-дисплея при питании от внешнего источника питания 24 В показано на рис. 3. Перед подключением источника питания 24 В к ЖК-дисплею для дополнительных измерений электромагнитных помех было проверено, что источник питания 24 В не имеет электромагнитных помех. Как показано на рис. 3, в системе присутствует значительное количество электромагнитных помех в диапазоне от ~ 200 МГц до 1 ГГц (позже было подтверждено, что они создаются заземлением и отражением питания от ЖК-дисплея). Затем было обнаружено, что, когда этот ЖК-дисплей подключен к системе с несколькими печатными платами, шум, создаваемый ЖК-дисплеем, передается на различные кабели, которые затем распространяются по всей системе.
  
  Рисунок 3. Измерение электромагнитных помех на расстоянии 3 метра — спереди по горизонтали — ЖК-дисплей, только версия A
  
  ЖК-дисплей в сборе состоит из ЖК-дисплея и печатной платы драйвера. Плата драйвера ЖК-дисплея использует микроконтроллер STM32F429IIT со 176-контактным корпусом LQFP. Драйвер PCBA использует 24-битную шину RGB для взаимодействия с ЖК-дисплеем. Дальнейшее расследование также показало, что плата драйвера ЖК-дисплея обеспечивает только несколько обратных путей на микроконтроллере, использующем эту шину данных RGB. Анализ стека печатной платы драйвера ЖК-дисплея показал следы, проходящие через силовой и заземляющий слои печатной платы. Чтобы найти взаимосвязь между электромагнитными помехами и источником проблемы на ЖК-дисплее, было проведено дополнительное исследование шин питания и заземления ЖК-дисплея в сборе.
  
  Отскок питания и заземления, создаваемый ЖК-дисплеем, был протестирован в соответствии с тестовой установкой, показанной на рис. 4.
  
  Рисунок 4. Тестовая установка, используемая для измерения напряжения питания (Vcc) и отражения от земли [1]
  
  Тестирование началось с версии Rev A LCD PCBA. Измерения, показанные на рис. 6–8, были получены с помощью осциллографа Tektronix MDO4054C, подключенного к пробнику с низкой индуктивностью, как показано на рис. 5
  
  Рисунок 5. Метод измерения отскока земли с помощью датчика с низкой индуктивностью
  
  Звук был обнаружен на шине питания (3,3 В) и выходной линии, как показано ниже (рис. 6). Размах звона на шине питания 3,3 В составил 524 мВ.
  
  Рисунок. 6: CH1 (желтый сигнал) Напряжение питания 3,3 В пост. тока, измеренное на контакте 91 микросхемы STM32F4 на ЖК-дисплее (со снятым смещением напряжения), выходная линия CH2 (синий сигнал), контакт 3 (LTDC_B0)
  
  Звонки также были обнаружены на заземляющей шине и выходной линии, как показано ниже (рис. 7). Пиковое значение звона на заземляющей шине составило 748 мВ.
  
  Рисунок. 7: CH1 (желтый сигнал) GND, измеренный на контакте 90 микросхемы STM32F4 на печатной плате ЖК-дисплея, CH2 (синий сигнал) Выходная линия, контакт 3 (LTDC_B0) — сигнал TTL
  
  Позже выяснилось, что этот звонок был связан со всеми линиями передачи данных, как показано ниже на рис. 8.
  
  Рисунок. 8: PIN 92 (CAN2_RX) со звонком 700 мВ
  
  Спектральный состав шума ЭМП, создаваемого этими переходными токами, был за пределами возможностей развязывающих конденсаторов. Если в такую систему добавить развязывающие конденсаторы, то система превратится в параллельный резонансный контур, усугубляющий звон за счет создания колебаний при переходах фронта [3]. Влияние значительных проблем с электромагнитными помехами, вызванных дребезгом питания и земли из-за неправильно спроектированной печатной платы драйвера ЖК-дисплея, вынудило провести расследование для поиска правильного решения для смягчения этих проблем.
  
  Решение 1. Изменение стека и добавление плоскостного конденсатора
  
  Отклик приемника электромагнитных помех показал шум в области высоких частот (выше 100 МГц). Печатная плата контроллера ЖК-дисплея была разработана с четырехслойным стеком, который включал одну внутреннюю плоскость в качестве земли и одну внутреннюю плоскость в качестве +3,3 В (VDD). Пара плоскостей была разделена диэлектриком толщиной более 47 мил, как показано на рис. 9. Обе плоскости имеют встроенные в них сигнальные дорожки, которые нарушили их целостность. Мы хотели уменьшить влияние высокой частоты фронтов и плохой компоновки печатной платы в нашем ЖК-дисплее, что создавало проблемы с электромагнитными помехами.
  
  Рис. 9. Стек слоев платы драйвера ЖК-дисплея, версия A
  
  В таких случаях плоская емкость в печатной плате может уменьшить проблемы с электромагнитными помехами за счет фильтрации шума на уровне печатной платы. Согласно [1], плоская емкость печатной платы рассчитывается (в фарадах), как показано уравнением (1).
  
  (1)
  
  ε_o — диэлектрическая проницаемость свободного пространства, ε_r — диэлектрическая проницаемость диэлектрика, A — площадь печатной платы, d — толщина диэлектрика, используемого в стек вверх
  
  В исходной печатной плате ЖК-дисплея используется диэлектрик толщиной ~47 мил между питанием и заземлением. Этого недостаточно для фильтрации любых высокочастотных электромагнитных помех. Таким образом, печатная плата ЖК-дисплея была переработана путем добавления дополнительных плоских конденсаторов в стек слоев, как показано на рисунке. 10. Толщина диэлектрика между 3,3 В и землей уменьшена до 3 мил. Для шины 5 В был добавлен еще один плоскостной конденсатор, так как некоторые логические схемы в печатной плате драйвера также использовали 5 В. Силовые и заземляющие слои также были спроектированы так, чтобы через них не проходили дорожки. Для всех ИС в проекте цепи питания и заземления подключены непосредственно к соответствующим плоскостям, что обеспечивает максимально низкий импеданс линии.
  
  Рис. 10. Стек слоев платы драйвера ЖК-дисплея версии B
  
  Рисунок 11. Измерение электромагнитных помех на расстоянии 3 метра — передняя горизонтальная панель — ЖК-дисплей, версия A и версия B
  
  Отклик приемника электромагнитных помех для новой версии PCBA, Rev B, показывает значительные улучшения по сравнению с Rev A (рис. 11). Путем добавления плоских конденсаторов в стек печатной платы можно снизить уровень электромагнитных помех от ~10 дБ до ~20 дБ в диапазоне частот от 200 МГц до 1 ГГц, как показано на рис. 11. К сожалению, после реализации решения с фильтром PDN стало понятно, что никогда не будет возможно смягчить все шумы электромагнитных помех, создаваемые отражением земли от ЖК-дисплея. Это связано с фундаментальным ограничением собственной индуктивности обратных путей в доступном корпусе микроконтроллера. Эта проблема связана с корпусом, и ее очень трудно исправить действиями, предпринятыми на печатной плате. Индуктивность заземляющего провода не единственная индуктивность в корпусе; все выходные контакты имеют соответствующую индуктивность. Лучшим решением является уменьшение индуктивности во всех выводах. В конструкцию необходимо добавить корпус с меньшей паразитной индуктивностью выводов, например массив шариковых решеток (BGA).
  
  Решение 2. Переход на микроконтроллер с меньшей индуктивностью
  
  Следующим шагом было более подробное изучение корпусов и типичных паразитных индуктивностей, связанных с каждым корпусом. Типичные паразитные индуктивности выводов различных корпусов ИС представлены ниже в таблице 1.
  
  Таблица 1: Типичные паразитные индуктивности выводов различных корпусов ИС [5]
  
  Читайте также: