¿Cómo evitar la conmutación de ruido directo y/o inductivo en una PCB?

Estoy diseñando una fuente de energía para uno de mis proyectos y no pude encontrar una mejor manera de reducir la caída de voltaje en el regulador 7805 que usar un regulador de conmutación (LM2596 ) .

La salida del regulador de conmutación pasa por un filtro LC adicional (con tapas de tantalio) y de allí a un regulador lineal:

Los filtros y el regulador lineal deberían filtrar la mayor parte del ruido de conmutación, mi única preocupación es que el ruido pueda propagarse a través de las trazas de la PCB, aquí está el diseño de la PCB de un solo lado (esos cobres frontales son en realidad puentes):

La corriente LM2596 no excederá los ~ 200 mA.

No tengo ninguna experiencia en el diseño de reguladores de conmutación y el manejo del ruido, todo lo que hice fue "verter" la línea de tierra.

  • ¿Cómo puedo reducir el ruido de salida (tanto como sea posible pero razonable) en este diseño específico?

  • ¿Cómo prevenir el ruido inductivo en el diseño de PCB?

crítica de diseño: ¿por qué solo bajar a 12 V si al final quieres 5 V? Pruebe 6V y un regulador moderno de baja caída (LDO) de 5V en lugar del antiguo LM7805; Los reguladores lineales modernos tienen mejores transistores y bucles de control más rápidos, lo que mejora drásticamente la reducción de ruido. Pero: al diseñar algo, siempre indique lo que necesita lograr incluso antes de comenzar a diseñar. Entonces, ¿qué cantidad de ruido de conmutación en qué bandas de frecuencia desea lograr?
@MarcusMüller ¡La salida del regulador de conmutación es de 7 V, no de 12 V! ese 12V AC es otro secundario del transformador. No usé el regulador LDO porque los más antiguos son más baratos, aunque el LF50 era una de mis opciones... sobre el ruido; idealmente, lo que quiero en la salida es completamente lineal, pero incluso si estuviera dispuesto a llegar tan lejos, no tengo el equipo para medir la salida. así que estoy haciendo todo lo posible para reducir el ruido tanto como sea posible... por favor, señale cualquier otro error en la PCB si detecta alguno, se lo agradecería.
sí, no, "tanto como sea posible" dictaría que construyas este circuito con material superconductor enfriado hasta cerca del cero absoluto. Que es todo lo contrario de "Traté de ahorrar unos centavos en reguladores lineales". Además, realmente no necesita "el menor ruido posible", necesita "el menor ruido que mi aplicación pueda aceptar", ¡y no nos ha dicho para qué es este suministro!
@MarcusMüller La aplicación es una referencia de voltaje con salidas seleccionables que pueden generar 1A de corriente, por lo que también se puede usar como fuente de alimentación CC/CV lineal. Estoy recortando el costo aquí para poder gastar en el circuito de control. amplificadores operacionales de baja deriva, referencia de voltaje, etc.
hm, si está construyendo una referencia de bajo ruido, reducir el costo del suministro no parece lo correcto por ahora.
@MarcusMüller ¿Qué recomiendas? Estoy realmente solo con mi poco conocimiento y no puedo hacer todas las preguntas aquí... Intenté usar un zener de 5 W para bajar 16 V en lugar de usar un regulador de conmutación, pero eso genera 110 grados centígrados de calor y lo transfiere al condensadores era un desastre...
¿Por qué empeorar su suministro lineal reemplazándolo por un zener? ¡No! use un regulador lineal moderno, siga las notas de aplicación de suministro de bajo ruido escritas por los fabricantes del regulador :)
@MarcusMüller Necesito los 5V solo para control digital. tal vez sea mejor deshacerse de la MCU y volverse completamente analógico. o tal vez agregue otro transformador solo para la MCU. este ruido está sobre mi cabeza y sé que me va a causar dolor de cabeza más tarde. gracias por los consejos
No creo que necesites un segundo suministro.
Creo que hay mucho que aprender, pero en algún momento, simplemente terminará con un diseño que tiene "suficiente" supresión. ¿Qué tan bueno es tener más de 70 dB de supresión de ruido si su ondulación de entrada es de 20 mV, por ejemplo? ?
@MarcusMüller Aprendí todo lo que sé sobre fuentes de alimentación lineales aquí en SE, pero no sé nada sobre cambiar fuentes, solo lo básico. Ahora que estoy pensando y después de leer sus comentarios, es mejor evitar cambiar los reguladores en este proyecto específico en lugar de luchar con ruidos que no sé cómo suprimirlos (adecuadamente). gracias de nuevo.
¡quizás lo sea! ¡Pero tal vez no lo sea! Realmente, haga un poco de ingeniería de requisitos aproximados sobre qué tan bajo nivel de ruido necesita que sea su salida. Luego, mire qué tan bien su Opamp suprimirá el ruido de suministro. luego mire cuánto suprimirá el ruido su LDO. Tal como lo hizo, agregue filtrado RC o (R)LC a la entrada. Obtenga un número aproximado de cuánta potencia de ruido puede aceptar en la salida de su fuente de alimentación conmutada. ¡Haz eso antes de decir que no puedes! ¡Ciertamente veo que todos los receptores de radio sensibles con los que trabajo, que digitalizan las corrientes de antena con precisiones de femtoamperios, en realidad funcionan con SMPS!

Respuestas (1)

Para obtener el ruido más bajo, necesita GND de C4 junto a GND de D7, PARA MINIMIZAR ese bucle_tamaño/radiación/caída de voltaje. ¿Por qué? La variación del voltaje del diodo (entrada al inductor de almacenamiento de energía) será el nodo más rápido de su sistema. Mantenga ese rastro de PCB muy pequeño en área y muy corto en longitud (lo que también reduce el área del bucle radiativo); y tenga un recolector de basura (pieza de cobre, conectado a Gnd) debajo de ese nodo de registro de conmutación muy rápido de 24 voltios.

Para "cantar" menos a las frecuencias de 60 Hz (o frecuencia de 120 Hz) desde un encendido muy rápido a través del puente rectificador, inserte inductores de 1 uH o resistencias de 1 ohm en serie con 1 pata del puente.

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¿Todo se ve bien? ¿Cuáles son sus objetivos de ruido? (para el ruido más bajo, use una segunda capa como plano GND).

¿Es esto para convertirse en un proyecto comercial, con medidas formales must_pass_FCC? Si es así, ¿por qué no COMENZAR usando un plano GND?

¿Has pensado en cómo quitar el calor? Una PCB de 1 capa será horrible en la eliminación de calor porque la fibra de vidrio epoxi definirá los flujos de calor; FR-4 tiene 200X la resistencia térmica del cobre para igual espesor; la relación de espesores es de aproximadamente 0,060 / 1,4 === 40X, por lo que los flujos de calor serán muy limitados; espere PUNTOS CALIENTES locales.

Para comprender esto, tome un bloc de papel de cuadrilla y comience a dibujar fuentes de calor y salidas de calor, dándose cuenta de que cada cuadrado en el bloc es un aumento de temperatura.

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El canto de 60 Hz (120 Hz) es el tiempo de encendido estrecho/rápido de los DIODOS en el rectificador de puente (4 diodos). Suponiendo que la mayor parte de la corriente de encendido se produce en 0,026 voltios (cuando la corriente a través de un diodo aumenta en e^1 = 2,718^1 = 2,718X), el tiempo de encendido será el SlewRate de la salida del transformador de potencia sin rectificar, dividido en 0,026 voltios.

Suponiendo que SlewRate del transformador es de 40 voltios pico * 377 radianes/segundo (tomando la derivada de 60 Hz sen, con 6,28 * 60 == 377) o se encuentra que SlewRate es de aproximadamente 16,000 voltios/segundo. el tiempo de encendido es 0,026 / 16.000 == 1,5 microsegundos.

Por lo tanto, sus diodos rectificadores de 60 Hz son un generador de interferencia de alta potencia de borde rápido de 1,5 microsegundos.

1. ¿Qué quiere decir con "recolector de basura"? 2. "inserte inductores de 1UH o resistencias de 1ohm en serie con 1eg del puente". cuanto es 1eg es un proyecto de hobby, no hay objetivo, solo reducir el ruido tanto como sea posible. el calor generado por el regulador de conmutación o los reguladores lineales? para el regulador lineal voy a montar un disipador de calor y para el regulador de conmutación voy a seguir su consejo e iré con PCB de 2 capas. eso debería poder absorber algo del calor como se menciona en la hoja de datos.
¿Ese canto de 60 Hz que mencionó es causado por la corriente de entrada del regulador de conmutación? Lo compensé usando el pin ON/OFF del regulador y C7, R3 y R4 como se recomienda en la hoja de datos y aumenté el retraso un poco más. ¿No es eso suficiente?
¿Cómo evitar la conmutación de ruido directo y/o inductivo en una PCB?
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