Cristal de 32.768kHz haciendo ruido audible

Estoy haciendo un proyecto para grabar y registrar los voltajes de una batería de litio de 8 celdas. El proyecto se basa en un microcontrolador STM32 y el registro se realiza en una tarjeta SD. Hice la primera versión de la PCB y pasé mucho tiempo probando la placa, incluido el ajuste del filtro digital.

Todo funcionaba correctamente, hasta que pasé a calibrar el RTC. Descubrí que está fuera de especificación por 200 ppm. Esta medición se realizó utilizando la salida de calibración del microcontrolador. Usando un analizador lógico, puedo ver que la frecuencia de salida varía entre 499 y 524 Hz, cuando debería ser 512 Hz. ¿Esto indica algún tipo de interferencia?

En un examen más detenido, puedo escuchar el gemido audible del cristal cuando acerco mi oído a él. A medida que cambia el voltaje de entrada (el rango de diseño es de 4,5 V a 32 V), el silbido también cambia. Además, cuando estoy conectado a la placa mediante USB, el zumbido vuelve a cambiar a un tipo diferente.

Uso un convertidor reductor MAX15062A en modo PFM para alimentar todos los componentes activos en la PCB. El consumo de corriente de este convertidor reductor es de aproximadamente 20 mA (medido). Creo que el ruido de salida de este SMPS es lo que está causando mi problema con el RTC y el zumbido del cristal.

  • El cristal se monta en un plano de tierra local, que se une mediante vías al plano de tierra global. X2 no está montado, mientras que X1 es el cristal RTC.

    ingrese la descripción de la imagen aquí

  • Saqué el convertidor reductor del circuito y suministré 3,3 V directamente desde STLINK (que es la salida de un regulador lineal). El gemido del cristal desapareció y ahora la salida RTC está entre 511,8 y 512 Hz. (Debo decir que estoy usando un analizador lógico clon Saleae de eBay que puede no ser completamente preciso).

  • Saqué el convertidor reductor del circuito y suministré 3,3 V directamente desde 2 fuentes de alimentación de banco diferentes configuradas con una salida de 3,3 V. Nuevamente el gemido cristalino se fue.

  • Tengo una segunda PCB idéntica de mi proyecto donde solo se ensambla la parte del circuito del convertidor reductor. Tomo la salida de este convertidor reductor y la paso directamente al plano de 3,3 V en la otra placa de circuito impreso donde está todo montado, y vuelve el zumbido de cristal con las mismas características. Entonces, ¿es justo decir que mi problema está causado directamente por la ondulación del voltaje de salida de mi convertidor reductor?

Entonces, a partir de esto, ¿podría la gente ayudarme a verificar cuál es la causa de mi problema y cómo puedo resolverlo? Estaba pensando que necesitaría un filtro LC/RC, o alguna perla de ferrita justo después de la salida del convertidor reductor.

La frecuencia del voltaje de salida de este convertidor reductor es de aproximadamente 10 kHz en el modo en que lo estoy usando (PFM) y el consumo de corriente de mi aplicación. La ondulación de voltaje 3.32V y 3.39V (según la simulación de Maxim). Veo un voltaje de salida estable de 3,35 V en mi multímetro.

Diseño SMPS:

Imagen de diseño de PCB 1

Imagen de diseño de PCB 2

Tenga en cuenta que los límites de salida C15, C16 son 10uF 16V X7R.

Editar: Pin 7 de MAX15062 desconectado para forzar el modo PFM en cargas bajas (como mi aplicación. De la hoja de datos:

Información de selección de modo de la hoja de datos MAX15062

Editar: posible fuente de problema de RTC: sin ruta de retorno para las líneas SD CLK y SD CMD.

ingrese la descripción de la imagen aquí ingrese la descripción de la imagen aquí

De alguna manera, no creo que sea el cristal el que está haciendo el ruido. Sospecharía del convertidor reductor (específicamente el inductor). El hecho de que el ruido desaparezca cuando lo sacas es una evidencia adicional de eso.
que frecuencia es el lloriqueo? (utilice un generador de tonos en línea para tratar de igualarlo). 10kHz? ¿Más bajo? Por lo que parece, no tienes un visor, ¿supongo?
Bien, también probé el convertidor reductor en la otra PCB donde solo se ensambla. Adjunto una resistencia 180R para simular una carga de ~ 20 mA y el convertidor reductor no hace ruido.
¿Puedes agregar más corriente al convertidor reductor para ver el efecto?
@Russell No significa nada. Estos convertidores funcionan mediante señales PWM basadas en diferentes condiciones de operación. Tienen diferentes modos de funcionamiento en función de la carga y la entrada. Es mejor que tome un alcance y lea su salida y vea si el PWM producido se correlaciona con el ruido que está escuchando.
@Toor Usé un generador de tonos en línea. Suena como cuando el generador de tonos está entre 8 y 10kHz. No, no tengo un alcance en este momento, pero uno está en camino.
@EugeneSh. No tengo alcance en este momento. Pero puede confirmar usando un generador de tonos en línea, que el ruido suena así entre 8 y 10 kHz.
¿Podría mostrar/explicar cómo se conecta el pin 7 del MAX15062A? A mí me parece una pista colgante.
@Huisman Ver editar
No puedes escuchar un cristal de 32kHz vibrando. Incluso si fuera lo suficientemente fuerte, tendrías que tener el rango de audición de un murciélago para escuchar algo tan alto. Y, no será lo suficientemente fuerte.
Tenga en cuenta que los límites de salida C15, C16 son 10uF 3.3V X7R. El uso de esta clasificación a 3.3V probablemente no proporcione los 2x10uF esperados. La tensión nominal del condensador debe ser de 1,5 a 2 veces la tensión de salida. ¿Qué sucede cuando los reemplaza por alternativas de 6.3V o 10V?
@Huisman Esto es un error tipográfico, esos límites tienen una clasificación de 16 V

Respuestas (3)

Creo que confundió el pin 5 y el 7. El pin 5 (esquina superior derecha del IC en el diseño de su PCB) selecciona modos, el pin 7 es GND, que obviamente es necesario :) Sugeriría conectar el pin 7 a la parte superior (escribe tu
diseño ) terminal de C13, pero también me falta esa conexión. ¿O es una vía dentro de la almohadilla?

El pin 7 está conectado a GND. No es fácilmente visible en la imagen. Por favor, vea la imagen editada
¿C17 también está conectado a tierra decentemente? ¿No hay una extraña ruta de corriente de retorno desviada? El rastro de tierra de C17 va a la capa azul (¿tierra?), pero esa capa está parcialmente cortada por un rastro de C de C17 al 4 de U4. Parece que el avión azul no tiene más interrupciones, así que probablemente no habrá problema...
Sí, está conectado a tierra. El diseño del convertidor se copia directamente de la placa de evaluación de Maxim y el diseño recomendado en la hoja de datos. Esto también tiene un solo rastro en el plano de tierra.

He tenido este problema y fue causado por el ruido de conmutación del convertidor. El oscilador de cristal es un circuito analógico con su cristal en el circuito de retroalimentación, por lo que si hay picos de ruido de suficiente amplitud, el oscilador puede fallar o agregar pulsos adicionales, alterando la frecuencia. Aquí hay cosas para probar. Asegúrese de que no haya una ruta de corriente debajo de la sección del oscilador que vaya a su convertidor (potencia) o que regrese a través del plano de tierra. Atar sus capacitores de carga de cristal (C21 y C22) a un plano de tierra no siempre es el mejor enfoque; en su lugar, intente proporcionar una ruta separada de regreso a la tierra del procesador. Mantenga el cristal y los capacitores alejados del plano de tierra si hay una ruta de corriente. Además, el hecho de que pueda escuchar el convertidor a 8 Khz significa que en el modo PFM está "saltando" dos de tres pulsos de dólar. Ha dimensionado el inductor del convertidor para cargas más grandes que las que está ejecutando. En el modo PFM, el pico de corriente siempre tiene la misma amplitud alta que se necesitaría para la carga máxima; en otras palabras, obtiene un pico de corriente tres veces más grande de lo que necesita ser un tercio del tiempo. Si no necesita el espacio libre para una mayor potencia, intente cambiar los componentes reductores para una potencia más baja. Finalmente, verifique el valor de los capacitores de carga de cristal. Recuerde que los condensadores están en serie en lo que se refiere al cristal, por lo que necesita dos condensadores, cada uno aproximadamente el doble del valor del condensador de carga especificado del cristal. está obteniendo un pico actual tres veces más grande de lo que necesita ser un tercio del tiempo. Si no necesita el espacio libre para una mayor potencia, intente cambiar los componentes reductores para una potencia más baja. Finalmente, verifique el valor de los capacitores de carga de cristal. Recuerde que los condensadores están en serie en lo que se refiere al cristal, por lo que necesita dos condensadores, cada uno aproximadamente el doble del valor del condensador de carga especificado del cristal. está obteniendo un pico actual tres veces más grande de lo que necesita ser un tercio del tiempo. Si no necesita el espacio libre para una mayor potencia, intente cambiar los componentes reductores para una potencia más baja. Finalmente, verifique el valor de los capacitores de carga de cristal. Recuerde que los condensadores están en serie en lo que se refiere al cristal, por lo que necesita dos condensadores, cada uno aproximadamente el doble del valor del condensador de carga especificado del cristal.

Esto tiene sentido, gracias por la respuesta. Está claro a partir de esto que tendré que girar la PCB. El caso es que eliminé los OPAMP del circuito, por lo que realmente no hay componentes activos que requieran 3.3 V por encima del circuito de cristal. El vertido en la capa superior es de 3,3 V del convertidor reductor, mientras que el plano inferior está completamente a tierra. ¿Podrían las corrientes de retorno de mis filtros RC por encima del cristal causar el problema?
Además, no estoy seguro de cambiar los componentes del convertidor reductor, ya que esta es la primera vez que diseño una PCB. Los valores de los componentes se han determinado a partir de la hoja de datos. por ejemplo, para el tamaño de L, use L = 9.3 X Vout, por lo que esto da 30.69uH = 33uH. ¿Hay alguna forma de filtrar/suprimir el ruido en la salida?
Posible pero no demasiado probable: piense en términos de que la tierra en el procesador es una cantidad de milivoltios diferente de la tierra en los capacitores de carga, o que las huellas del cristal se acoplan de forma capacitiva o inductiva a otra huella.
Tienes razón, recomiendan un valor fijo y yo me mantendría con él. También te dan un buen ejemplo de diseño. Coloque el convertidor cerca de la conexión Vin, con el circuito en el otro lado para que las corrientes de alimentación estén localizadas.
La cuestión es que también se está midiendo el Vin para el convertidor reductor y no estaba seguro de que si colocar el convertidor cerca de todas las entradas de la celda causara un acoplamiento de ruido en todas las lecturas. También es posible que haya encontrado la posible fuente de mi problema. Por favor, vea las imágenes añadidas. Descubrí que no hay rutas para la corriente de retorno para las líneas SD CMD y SD CLK. ¿Podría ser esta la causa de mi problema?

En un examen más detenido, puedo escuchar el gemido audible del cristal cuando acerco mi oído a él. A medida que cambia el voltaje de entrada (el rango de diseño es de 4,5 V a 32 V), el silbido también cambia.

De la figura de la hoja de datos "CAMBIO DE FORMAS DE ONDA (MODO PFM)", la ráfaga de pulsos es cada 40 us, por lo que a 25 kHz. Con cargas más ligeras (que 20 mA), el tiempo entre las ráfagas aumenta, por lo que la frecuencia es menor. El tiempo también cambia con el voltaje de entrada (que estaba describiendo).

Esta corriente de explosión del inductor hace que el inductor "tiemble", así que eso es lo que está escuchando. (Como @EugeneSh. Ya estaba sugiriendo).

No estoy seguro si la ráfaga baja a 8 kHz. ¿Pero tal vez escuchas 16kHz y suena como 8kHz? Tengo problemas al comparar tonos si escucho 8kHz o una octava más alta: 16kHz.

De todos modos: esto no resuelve su problema con respecto al RTC

Cristal de 32.768kHz haciendo ruido audible
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