Inductor cerca del microcontrolador

Estoy trabajando en mi primer proyecto con el STM32F103C8T6. El objetivo principal es usar su ADC en sus límites de resolución (señales de aproximadamente ~ 1 mV). Muchos esquemas en Internet colocan un filtro LC entre los 3,3 V principales (Vdd) y la fuente de alimentación analógica (VddA), así:

filtro LC

Mi fuente de alimentación utiliza un módulo convertidor CC/CC MP1584 para una mayor eficiencia (obligatorio). Además del inductor dentro del módulo ( esquema del módulo ), estoy usando un filtro LC con un zener en la salida, como se muestra a continuación (el MP1584 a continuación es el módulo y no el IC ).

Circuito de alimentación

La etiqueta de 3,3 V suministra circuitos tanto analógicos como digitales. Los circuitos digitales incluyen alta frecuencia (malo, lo sé) como SPI. Tengo la intención de enrutar el filtro LC para el VddA lo más cerca posible del uC. Pero debido al cristal del oscilador, me vi obligado a colocar los inductores (L1, L2) justo debajo del uC para ahorrar espacio.

esquema uC

Así que tengo algunas preguntas:

  1. Mirando mi circuito de suministro de energía, ¿realmente se requiere el filtro LC para el VddA? ¿Hará alguna diferencia efectiva? ¿O es solo para aislar lo analógico y lo digital?

  2. ¿Hay algún problema para enrutar los inductores debajo del uC? Se supone que no deben cambiar a altas frecuencias, ¿entonces está bien para EMC?

EDITAR: solo para agregar más información: la capa superior es GND y la inferior es 3.3V.

Tenga cuidado con los filtros LC en la salida de las fuentes de alimentación. Si tiene transitorios de carga, especialmente cerca de la frecuencia resonante del filtro, puede tener un gran sobreimpulso y zumbido. Tiene lo que parece una abrazadera TVS en la salida, pero si tiene un voltaje de separación de 3,3 V, es posible que no se sujete lo suficientemente pronto como para proteger los semiconductores.
Poner inductores de filtro cerca del IC significa que podrían acoplarse a la conmutación realizada POR el IC, lo cual es contraproducente. Sería beneficioso un plano de tierra entre el IC y el inductor. Especialmente para "LC1", que puede compensar su conexión a tierra analógica.
Para que un filtro LC sea efectivo, debe saber: qué ruido y a qué frecuencias estoy tratando de filtrar. ¿El filtro proporciona la atenuación necesaria en esas frecuencias? A menudo esto es difícil o imposible de determinar. Me olvidaría de los filtros LC y usaría un regulador lineal dedicado para VDDA, conectaría VSSA directamente a tierra.
Los inductores exponen la MCU y el XTAL externo a basura no síncrona, lo que provoca una fluctuación de tiempo en el reloj de la MCU. ¿Por qué? Fluctuación de tiempo = Vruido / SlewRate. Un osc xtal de 10MHz con salida XTAL de 2vpp tiene una velocidad de giro de 63 millones de voltios/segundo. Suponga que esos inductores inyectan 0,1 voltios de basura en la interfaz de XTAL a la conversión de pecado a onda cuadrada de la MCU. La fluctuación es de 0,1 v/63 millones de voltios/seg = 1,6 nanosegundos de fluctuación. ¿Puedes tolerar eso? Los multiplicadores PLL en chip MCU, digamos 20X a 200MHz, pueden o no manejar la fluctuación XTAL con gracia.
@analogsystemsrf Estoy usando un cristal de 8MHz. Entiendo tu punto. El PLL es 9x, lo cual está bien para el jitter que calculó correctamente. Además, 0.1V podría ser demasiado alto para un inductor que no cambia amplitudes altas.
@EE_socal Sí, esa es una buena opción. No me gusta poner inductores en los circuitos, pero cada hoja de datos de uC parece recomendar usar inductores en fuentes de alimentación analógicas.
Usa las cuentas en su lugar.
@PeterJ_01 ¿Por qué?
Hacen el mismo trabajo sin problemas causados ​​por los inductores.
@ PeterJ_01 En realidad, las perlas se usan para frecuencias superiores a MHz, mientras que este filtro (en VddA) tiene una frecuencia de corte de ~ 25 kHz. Así que no haría el mismo trabajo.
Entonces, ¿por qué los fabricantes de placas de evaluación (STM, por ejemplo) los utilizan en lugar de inductores? ¿Crees que no saben lo que están haciendo,

Respuestas (1)

  1. Sí, los filtros son necesarios. El STM32 utiliza la tensión de alimentación analógica como tensión de referencia. Por lo tanto, cualquier ruido en el VDDA terminará como ruido en su medición.

  2. Como tiene un dI/dt bajo y, por lo tanto, campos magnéticos bajos, esto no debería ser un problema. Al menos no debería haber ningún acoplamiento significativo del inductor al STM32. Sin embargo, podría ocurrir el acoplamiento del STM32 al inductor, pero supongo que el ruido agregado será absorbido por el ruido del ADC. No me preocuparía por inyectar en el cristal. Por un lado, inyectar en el cristal (un elemento Q alto) no es fácil a menos que alcance la frecuencia correcta. Y por otro lado, inyectar una corriente (o voltaje) sustancial requiere mucha energía. Como se mencionó anteriormente, no hay mucha energía en los campos de los inductores.

Lo que no preguntaste: estás hablando de señales de 1 mV. El ADC en el STM32 no podrá resolver eso, o más bien no obtendrá nada más que ruido de ADC. La resolución de 12 bits en un intervalo de 3,3 V significa que 1 LSB es 0,8 mV. Deberá amplificar la señal al menos en un factor de 1000 para medir cualquier cosa. También tenga en cuenta que se sabe que los ADC STM32 son muy ruidosos, hasta el punto en que ST escribió algunas notas de aplicación sobre cómo promediar las muestras de ADC para tener la oportunidad de llegar a la resolución anunciada. Desafortunadamente, no puede filtrar todo el ruido. De modo que los ADC del STM32 se describen mejor como un sistema GIGO. (¡Algunos de los ADC STM32 tienen una ENOB medida de 6 bits!)

DB3 está en el lado equivocado de UB1. Desea proteger el circuito de transitorios. Si los transitorios pasan a través del convertidor CC/CC y lo destruyen, es posible que obtenga el voltaje de entrada completo en el riel de 3,3 V, lo que a su vez freirá su circuito (DB3 no protegerá contra eso, ya sea porque no conduce o porque porque se freirá y potencialmente formará un circuito abierto).

Hay una brecha de valor demasiado grande entre CB1 y CB2. La resonancia de CB2 (que actúa como capacitor) y CB1 (que actúa como inductor) puede causar EMI. Agregue al menos un condensador de 33 nF o mejor, 10 nF y 100 nF. CB3 se puede omitir en mi humilde opinión, ya que los condensadores del módulo en el módulo ya bloquearán esas frecuencias altas. Alternativamente, puede elegir uno de los capacitores de paso EMIFIL de Murata, que tienen una frecuencia de resonancia propia mucho más alta, por lo que pueden reemplazar algunos pasos de capacitor de menor valor.

LB2 potencialmente inducirá problemas de EMI, a menos que sepa muy bien cómo diseñar sus rutas de tierra. Es mejor dejarlo afuera y filtrar solo en el riel de alimentación.

Desea agregar al menos condensadores de 1nF, 10nF 100nF entre UB1 y LB1. De lo contrario, el cable corto a LB1 y la capacitancia parásita de LB1 causarán problemas de EMI.

LB1 (junto con LB2 si no se retira) y CB4 forman un circuito resonante. A menos que su frecuencia de resonancia esté fuera de todo lo que produce (muy poco probable), obtendrá efectos de resonancia (como John D mencionó en los comentarios anteriores). Debe agregar un circuito amortiguador RC del tamaño adecuado para amortiguar esta resonancia.

Muchas gracias por sus consideraciones. Sobre la señal de 1mV, creo que no me aclaré. La señal va de 0 a 3,3 V, pero se pretende que tenga una resolución de 1 mV. Tienes razón sobre DB3. La imagen no lo muestra, pero tengo un circuito de protección contra sobretensiones antes de UB1. Cambié los condensadores siguiendo lo que dijiste. ¿Qué quisiste decir sobre LB2? El GND de la fuente de alimentación va por una pista a LB2 y después de él uso un plano de tierra. El avión está lejos del circuito del MP1584. Soy consciente de la resonancia y está bien para mi propuesta. Simplemente no entiendo por qué LB2 puede causar EMI
El suelo roto por lo general causa más problemas de los que resuelve. Para obtener más información, consulte el libro "Fundamentos de conexión a tierra de RF y microondas" y la serie de artículos de EDN: edn.com/design/analog/4394761/…