Ondulación pico a pico masiva en la salida usando un módulo convertidor DC-DC aislado

Tengo un problema muy extraño al usar un módulo convertidor aislado DC-DC integrado. A medida que el módulo se estabiliza, se desarrolla una onda pk-pk masiva tanto en la salida como en la entrada. Al principio pensamos que esto podría ser inducido por las características del circuito que estaba suministrando o por su propio suministro, pero incluso después de quitar completamente el módulo y simplemente usarlo para impulsar una carga resistiva, seguimos viendo este síntoma. Para ser claros, el módulo emite exactamente un promedio de 4,995 VCC con un suministro de 48 VCC, ¡pero la onda es de 1,29 V pico a pico! ¿Alguien más ha visto este comportamiento antes que pueda ofrecer algunas pistas? Tomas de alcance y detalles a continuación:

Módulo CC-CC

  • PN: SHHD003A0A Hoja de datos
  • Fabricación: Potencia integrada de ABB
  • Rango de entrada: (4:1) 18-75 VCC
  • Salida: 5 VCC / 3A

Configuración de prueba

  • DC-DC solo en una placa perforada con prueba de osciloscopio conectada a través de VOut+/VOut-
  • BK Suministro de precisión que proporciona 48 VCC a VIn+/VIn-
  • Trim y ON/OFF remoto desconectados (circuito abierto)
  • Resistencia de 1 kOhm en VOut+/VOut- como "carga"

Esta es una toma de alcance de VOut-. El ruido pico a pico es de 1,29 V. La periodicidad del transitorio coincide exactamente con la frecuencia de conmutación de CC-CC.

VSalida-

¡Esta es una toma de VIn- donde se observa un transitorio similar con un ruido pico a pico de 6,67 V!

VIn-

ACTUALIZAR 1

-- Eliminado por simplicidad --

ACTUALIZAR 2

Para sacar nuestro circuito de aplicación particular de la ecuación, esta es la configuración de prueba que estoy usando (construida usando las conexiones soldadas más cortas posibles en una placa perforada):

banco de pruebas

Parece que hay dos problemas que contribuyen. Una es la fuente de alimentación de sobremesa que se utiliza, que en sí misma introduce una ondulación significativa. El segundo es anular el aislamiento del convertidor CC-CC cortocircuitando VIn- y VOut- juntos. Las tres imágenes muestran cada condición. Incluso el ruido pico a pico de 180 mV en el mejor de los casos (alimentado por batería), si bien es potencialmente aceptable en la aplicación, ¡es el doble de la especificación de la hoja de datos (75 mV)!

Simplemente empeora a partir de ahí. La ondulación es de 460 mV pico a pico cuando el CC-CC está alimentado por un suministro de sobremesa (con resultados idénticos de varios otros convertidores CA-CC de conmutación que tenía por ahí). Finalmente, la ondulación empeora a 1030 mV pico a pico si VIn- y VOut- están en cortocircuito para anular el aislamiento y llevar la tierra de entrada y salida a la misma referencia (mientras se alimenta a través de la batería). ¿Qué está pasando aquí? ¿Es posible que esto sea solo un módulo DC-DC marginalmente estable y mal diseñado?

Alimentado por batería, manteniendo el aislamiento:Energía de la batería con aislamiento

Alimentado por suministro de sobremesa de precisión BK, manteniendo el aislamiento:Alimentación de sobremesa con aislamiento

Alimentado por batería, con aislamiento roto usando un cable de 18 AWG corto directamente de VIn- a VOut-:Alimentación de sobremesa sin aislamiento

Intente apagarlo con dos o tres baterías de 9V y vea qué sucede. O un suministro lineal. O simplemente un tipo diferente de suministro de conmutación.
Lo primero que debe preguntarse al probar con un osciloscopio es: ¿dónde se encuentra la tierra? y es el suelo correcto? y ¿Qué tan buena es mi tierra?
Como sugiere @VoltageSpike, una vez que conecta una sonda de alcance a un circuito, (por lo general) ya no tiene aislamiento de tierra. Pueden pasar cosas extrañas. ¿Qué ve si realiza mediciones de voltaje de CA y CC con un medidor que funciona con baterías?
@ElliotAlderson Sin ver los cables en el circuito, la ruta de regreso a la batería podría estar causando un ruido de modo común. Colocar la tierra en diferentes puntos del circuito cambiaría drásticamente lo que ves en el visor. En cualquier caso, los parásitos marcan una gran diferencia en cualquier circuito de conmutación con corrientes altas y rápidas, donde coloca las sondas marca la diferencia.
Otra posibilidad es que la fuente tenga un filtro de salida. Un filtro de salida que alimenta un DC-DC (impedancia de entrada incremental negativa) puede causar inestabilidad y el tipo de comportamiento que está viendo. Google "criterio de Middlebrook". También puede probar un gran límite de volumen justo en la entrada del módulo para ver si eso lo soluciona.
¿Agregó un capacitor de 33uF en la entrada, como se sugiere en la página 6 de la hoja de datos?
@JohnD Recientemente trabajé en una pantalla donde el 7805 fue reemplazado por un conmutador pero dejaron el límite de 2200 µF en la salida. Oscilaba como loco: reemplazarlo con un tantalio de 47 µF en paralelo con cerámica de 100 nF redujo la ondulación a menos de un milivoltio.
Liquid Plasmas, debe responder algunas de las preguntas que se hacen aquí. (Si no puede molestarse, no estoy seguro de por qué alguien más debería molestarlo). Considere prestar un poco de atención a su pregunta poco después de escribirla, ya que es cuando es más probable que otros le hagan preguntas aclaratorias.
@VoltageSpike, también pensé esto, y dado que no tenemos una sonda diferencial para nuestro alcance, había estado anulando el aislamiento conectando VIn- y VOut- a través de un cable de calibre 18. Luego, use VIn- como el punto de tierra para el alcance.
@JohnD Gracias por la sugerencia, el diseño original tenía un límite electrolítico de 47 uF de bajo ESR directamente en VIn +/- para este propósito. Aumentar el límite al triple de esa cantidad no tuvo un efecto notable.
@jonk Solo ha pasado una hora y en realidad toma algo de tiempo simular la sugerencia de la gente y hacer una edición;)
@LiquidPlasmas ¿Ha considerado agregar un cero en la salida? (Proporcione cierta resistencia en serie pequeña pero administrada al límite de salida).
¿Qué sucede si extrae más corriente de él, p. 1A?
obtenga una sección de PCB de un solo lado de 2 "por 1" y suelde TODOS los GND a eso.

Respuestas (1)

Ha pasado algún tiempo desde que abrí esta pregunta, pero quería compartir la solución definitiva para ayudar a otros nuevos en el diagnóstico de las características de la fuente de alimentación del modo de conmutación (muchos de los comentarios ayudaron, pero @VoltageSpike y @Elliot Alderson realmente me pusieron en el camino correcto).

Al final, esto fue principalmente una cuestión de no entender cómo sondear los voltajes transitorios producidos por un SMPS correctamente con un osciloscopio. Después de revisar varias referencias diferentes:

¡Usar un suelo de "clip" para crear el ciclo de medición más pequeño posible hizo una gran diferencia en la calidad de mis mediciones! (Como se muestra abajo)

Tierra de la sonda "clip de papel"

Aquí hay un ejemplo de los transitorios de ondulación y voltaje que originalmente me motivaron a publicar esta pregunta. En este caso, la punta de la sonda se aplica al riel de 5 V y la conexión a tierra de la sonda se conecta a un orificio de montaje conectado a tierra a varias pulgadas de distancia usando la pinza de conexión a tierra tipo cocodrilo de la sonda (la ondulación pico a pico es de 386 mV):

Gran ondulación pico a pico aparente debido a una mala estrategia de sondeo

Ahora, ese mismo suministro, sin ningún otro cambio y alimentado por una fuente de alimentación de sobremesa, se prueba usando el punto de tierra del "clip" directamente a través del condensador de derivación más cercano a la salida de CC-CC SMPS de 5 V (pk-pk la ondulación es de 20,1 mV, muy dentro de las especificaciones del módulo DC-DC):

Ondulación pk-pk real con la técnica de sondeo adecuada

Al final, este nuevo método de sondeo incluso me permitió identificar una fuente de ruido previamente no diagnosticada en forma de un transceptor TTL -> RS232 basado en una bomba de carga malhumorada que podría silenciarse agregando un segundo condensador de derivación cerámico de 1 uF cerca del fuente.

Ondulación pico a pico masiva en la salida usando un módulo convertidor DC-DC aislado
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