¿Qué causaría que un regulador reductor-elevador emita un fuerte zumbido y genere una ondulación de alto voltaje durante ciertos voltajes de entrada?

Tengo un diseño de fuente de alimentación buck-boost basado en el LM5118 de TI. Un esquema del dispositivo se muestra a continuación:

Esquema SMPS

( Enlace a TI Workbench)

EDITAR Muchos de los comentarios mencionan el diseño, por lo que he incluido aquí una captura de pantalla de la parte superior e inferior del tablero. También he incluido el esquema para que las referencias de los componentes coincidan.

Lado superior:PCB del lado superior

Lado inferior:PCB del lado inferior

Esquemático:Esquema 01

Esquema 02

NOTA: El esquema usa partes ligeramente diferentes a las que sugiere TI Workbench. Estos se calcularon siguiendo el proceso en la hoja de datos y utilizando la calculadora basada en Excel que se menciona en la hoja de datos. Cuando esta configuración original no funcionó, los componentes se reemplazaron para que coincidieran con los sugeridos por Workbench, pero eso aún no resolvió el problema.

Lo que encontré es que con una carga de 0,5 A, entre 10 y 16 V de entrada, el dispositivo emite un fuerte silbido, que parece provenir del inductor. Al mismo tiempo, el voltaje de salida tiene una ondulación pico a pico de 1,5 V a unos 5 kHz. Una vez que el voltaje se eleva por encima de aproximadamente 16 V, el ruido se detiene y la fuente de alimentación parece estar funcionando correctamente, con una salida limpia de 13,5 V.

Examiné las señales de la puerta para los transistores y noté que cuando la fuente de alimentación genera ese ruido, las señales a la puerta parecen ser discontinuas. El controlador activará la puerta a la frecuencia de conmutación (aprox. 300 kHz) durante un período de tiempo, luego habrá un espacio en el que la puerta se apagará durante un período de tiempo y luego se reanudará la conmutación. No he medido la frecuencia de este comportamiento general; apuesto a que no se alejará demasiado de los 5 kHz.

Tenía otra fuente de alimentación diseñada con el mismo chip que se diseñó inicialmente para una salida de 28 V y funcionó perfectamente bien. Luego, las resistencias de retroalimentación se modificaron para proporcionar una salida de 13,5 V y continuaron funcionando bien en todo el rango de voltaje. La única diferencia entre ese diseño y este eran los transistores ( SQM120N10-3M8-GE3 ) y los diodos ( MBRS3201T3G ).

¿Alguna idea sobre lo que podría buscar para ayudar a solucionar este problema?

Alcance el lado caliente del inductor. Puede estar captando reflejos gaussianos en el inductor a un voltaje dado
Consulte esta pregunta similar aquí electronics.stackexchange.com/questions/77645/… el ruido podría deberse a la operación del regulador en "modo de ráfaga", pero esto sucedería solo con cargas más livianas, profundice en la hoja de datos lm5118 para obtener más información en sus diferentes modos de funcionamiento.
@ usuario7994 Gracias. Sin embargo, parece que el modo ráfaga se considera "funcionamiento normal" para algunos reguladores. En mi caso, la ondulación del voltaje de salida es enorme durante este modo extraño, lo que me indica que algo anda mal.
intente jugar con la compensación de bucle, la red RC tipo 2 conectada al pin COMP. Algunas matemáticas simples deberían ayudarlo a calcular los valores correctos para la red de compensación RC. La sección 10.2.2.17 en la hoja de datos para el LM5118 tiene más información, los componentes de retroalimentación RC están marcados en el [esquema] ( imgur.com/XiNsRwL )
Podría ser un problema de margen de ganancia/fase como se sugirió anteriormente, pero también podría ser un problema de ruido debido al diseño de PCB. He visto problemas de diseño que solo aparecen durante ciertos rangos como se describe. Cuando el convertidor es estable, puede ejecutar un gráfico de ganancia/fase si tiene el equipo para ver su margen de ganancia y fase. Si no, puede hacerse una idea observando la respuesta transitoria de carga.
Apuesto a que es el diseño del circuito o una carga demasiado liviana....
Entonces, estable en modo Buck e inestable en Buck-Boost. ¿Quizás el semiplano derecho cero? ¿Interferencia de ruido al conducir el Boost FET? ¿Y por qué un FET de 125 nC de carga de puerta a 300 kHz debe estar cerca de 300 mW de potencia de accionamiento de puerta? Quizá una amortiguación insuficiente de la compuerta.
Su problema ocurre al pasar del modo impulso al modo reductor, y esto sugiere fuertemente la compensación de bucle (incluido el diseño) o tal vez el acoplamiento de salida a entrada a través de pistas de PCB. Notaré que el timbre ocurre en ciclos de trabajo altos (al menos para el modo buck), y hay una dependencia del modo en el ciclo de trabajo (hoja de datos, figura 10) y eso refuerza mi sospecha.
En la región de transición de buck a buck-boost, la figura 16 muestra la transición que comienza en aproximadamente 2,5 V por encima de V (fuera), lo que encajaría con la operación de limpieza de 16 V observada.
@PeterSmith Gracias por sus comentarios. Dado que el diseño parece haber sido cuestionado varias veces, actualicé la pregunta para incluir el diseño de PCB, en caso de que surja algún problema obvio.
Puede valer la pena mirar el diseño de PCB de referencia de TI para esta pieza y comparar cómo lo han hecho: ti.com/lit/ug/snva334b/snva334b.pdf
Señores, el diseño está lejos de ser perfecto, pero no es la razón del ruido acústico.
Después de haber visto diseños aparentemente benignos que causan los problemas más extraños en los circuitos SMPS, digamos que siempre sospecho de este conjunto de elementos esquemáticos ocultos. Hay dos cosas interesantes en el diseño: 1. Parece haber un plano de tierra sólido: si esto es sólido entre el pin 1 y el pin 20, podría tener fácilmente un acoplamiento de ruido del nodo del interruptor de salida directamente a la entrada, lo que puede desestabilizar fácilmente el circuito. 2. Hay una pista debajo de L1, donde puede esperar mucho ruido (los inductores blindados no están tan blindados). Mire el pin Vin en un visor.

Respuestas (3)

¡Parece que todos los que dijeron que era la compensación del bucle tenían razón! Pero he llevado a todos a una especie de persecución inútil: el problema fue un error en el esquema que debe haber ocurrido cuando se estaba modificando de una iteración a la siguiente: R6 está destinado a conectarse a COMP, pero está conectado a FB! Entonces, ¡de hecho, la compensación del bucle no funcionaba correctamente!

Sugiero mirar aquí: http://www.smpstech.com/problems.htm , el tipo parece bastante informado y el sitio está lleno de lecturas interesantes relacionadas con SMPS.

Ese dominio ahora está siendo ocupado por los anunciantes.

Lo siento, soy demasiado perezoso para leer todos los comentarios.

Aún así, tengo algunas ideas sobre el tema. DC/DC a menudo tienen una ondulación de frecuencia notable como 0.1 o 0.01 de la frecuencia de conmutación. Eso significa que el circuito de control no funciona muy bien. Lo primero que podría intentar es jugar con todos esos topes de la red de compensación. También puede ser muy útil agregar una pequeña tapa en paralelo con la resistencia de retroalimentación superior.

Ahora, en su diseño no puedo ver los MOSFET. O simplemente los extraño en la pantalla de mi teléfono celular, o están lejos del conductor. En ese caso, experimentará problemas con EMI causados ​​por altas corrientes de compuerta y drenaje. Ten cuidado con eso también.

Gracias. Los transistores están ahí: mira a la izquierda y a la derecha de L1
¿Entonces son q1,q3, no m1,m2?
Sí, son ellos.
Solo mire todo el camino que la corriente de la puerta debe pasar a q1. Probablemente sea como 2A ​​con un tiempo de subida de unos 20 nseg. Bastante malo.
No, no, es Q2 y Q3.
Sí, lo siento, me refiero a q2. :) mira ese rastro... De todos modos, no es lo que causa la ondulación en la salida. ¿Cuándo puedes probar el condensador pequeño en la retroalimentación? Apuesto a que funcionará. Pruebe como 47pF, tal vez 1000pF.
Por cierto, este condensador es una función de "alimentación hacia adelante", lo que en términos sencillos significa que no desea esperar a que su circuito de control haga el trabajo, sino que alimenta el cambio en sí mismo a la retroalimentación, por lo que todo funciona. un poco más rápido.
El seguimiento de la puerta Q3 no se ve mucho mejor. Si necesita enrutar el laboratorio de EMI, cree una placa nueva. La última vez que me arriesgué a hacer algo así (era más joven y valiente que ahora), el tablero interfirió consigo mismo.
¿Cuáles son los caminos actuales para las señales de puerta para Q2-3? Además, ¿qué otros problemas ves con el diseño?
La ruta actual va desde el controlador DC/DC hasta la puerta MOSFET. La idea clave de cambiar la fuente de alimentación es que el interruptor solo esté ENCENDIDO o APAGADO, sin ningún estado en el medio. Entonces, para acercarse lo más posible a eso, el tiempo que lleva encender o apagar el MOSFET se minimiza con una alta corriente de carga. Ahora, mira por dónde fluye. Comienza en el controlador de puerta interno de CC/CC, va a la puerta MOSFET, a la fuente MOSFET, a tierra, al condensador de desacoplamiento cerca de CC/CC. Luego se cierra la malla. Si esta malla es grande y ancha, es solo una antena que transmite una energía bastante alta en una dirección desconocida.
Entonces, cuando realiza una ubicación de CC/CC, debe buscar en todas las rutas actuales que tiene. A los MOSFET, al inductor, al diodo de captura y asegúrese de dos cosas. 1: todos los caminos son lo más cortos posible. 2: si debido a la conmutación hay un cambio en el área del bucle, el cambio es mínimo, por lo que el flujo magnético permanece constante.
Específicamente en su diseño, tomaría q2 más abajo, donde están los capacitores más pequeños, los diodos estarían 9 en el lado inferior justo debajo de q2, U1 luego se rotaría 90 grados y se colocaría en paralelo con el inductor, q3 estaría justo cerca de debajo de los capacitores de salida.
¿Qué causaría que un regulador reductor-elevador emita un fuerte zumbido y genere una ondulación de alto voltaje durante ciertos voltajes de entrada?
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