DC / DCブーストコンバーターで大きな発振を引き起こす原因は何ですか？このグラウンドバウンスまたは他の効果はありますか？

DC-DCブーストコンバーター用に最初のPCBを設計したのは、非常にノイズの多い出力が生成されることを確認するためだけです。設計はMIC2253に基づいています。
概略図は次のとおりです。

私の回路では、入力電圧（Vin）と出力電圧（Vout）のさまざまな組み合わせが可能です。私がデバッグしているケースは、Vin = 3.6VおよびVout = 7.2Vです。負荷は120オームの抵抗器でした。デューティサイクルD = 0.5（50％）を計算しました。これは、データシートで指定されている最小10％および最大90％のデューティサイクル制限内にあるようです。他のコンポーネント、つまり、キャップ、インダクタ、抵抗は、データシートがそのアプリケーション例で提案しているものと同じか類似しています。

このデザインは出力に正しいRMSステップアップ電圧を与えるように見えますが、オシロスコープで信号を見ると、インダクタのスイッチングによって開始されたと思われる減衰正弦波電圧振動が周期的に現れるのがわかります。ボード上のほぼすべてのグランドポイントで同じ振動が見られます。出力の振動は大きく、3 Vピークツーピークです。少し調べてみると、私の問題はコンバータの選択に特有のものではなく、PCBレイアウトの問題にあるようです（以下のリンクを参照）。許容できる結果を得るためにレイアウトを修正する方法がわかりません。

これらのドキュメントは、問題のデバッグに役立ちます。

• http://www.physics.ox.ac.uk/lcfi/Electronics/EDN_Ground_bounce.pdf
• http://www.analog.com/library/analogDialogue/cd/vol41n2.pdf
• http://www.enpirion.com/Collat​​eral/Documents/English-US/High-frequency-implications-for-switch-mode-DC-R_0.pdf
• http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/3645
• http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/735

3つの画像を添付しました。「original pcb.png」には、問題のあるボードの画像が含まれています。2層のボードです。赤は一番上の銅です。青は底部の銅です。

「current loops.jpg」は、インダクタの充電（オレンジ）および放電（黄色）に使用される2つの異なる電流経路のオレンジと黄色のオーバーレイを備えたプロトタイプボードを示しています。記事の1つ（http://www.physics.ox.ac.uk/lcfi/Electronics/EDN_Ground_bounce.pdf）は、2つの電流ループの面積が変わらないことを示唆しているため、それらの変化を最小限に抑えるようにしました。 「pcb_fix.png」で始めた新しいレイアウトの領域。元のPCBをハックして、この新しいレイアウトに近づけましたが、ボードのパフォーマンスは変わりませんでした。まだうるさいです！ハックの品質は「pcb_fix.png」に示されているほど良くはありませんが、おおよその近似値です。ある程度の改善が期待されていましたが、何も見当たりませんでした。

私はまだこれを修正する方法がわかりません。恐らく、グランド注入が寄生容量を過剰に引き起こしているのでしょうか？おそらく、キャップのインピーダンスが大きすぎます（ESRまたはESL）？これらはすべてセラミック多層であり、データシートで要求されている値と誘電体、つまりX5Rを持っているため、そうは思いません。おそらく、トレースのインダクタンスが大きすぎる可能性があります。シールドインダクタを選択しましたが、その磁場が信号に干渉している可能性はありますか？

どんな助けも大歓迎です。

ポスターのリクエストに応じて、さまざまな条件下でのオシロスコープの出力を含めました。

出力、AC結合、1Mオーム、10X、帯域幅制限オフ：

出力、AC結合、1Mオーム、10X、帯域幅制限オフ：

出力、AC結合、1Mオーム、10X、BW制限20Mhz：

出力、AC結合、1Mオーム、1X、BW制限20Mhz、1uF、10uF、100nFキャップ、および120オームの抵抗シャント出​​力、つまり、これらはすべて並列です。

スイッチングノード、DC結合、1Mオーム、10X、帯域幅制限オフ

スイッチングノード、AC結合、1Mオーム、10X、帯域幅制限20Mhz

追加：元の振動は大幅に減衰しましたが、負荷が重いと新しい望ましくない振動が発生します。

Olin Lathropによって提案されたいくつかの変更を実施すると、振動振幅の大幅な減少が観察されました。元のcicuitボードをハックして新しいレイアウトに近づけることで、発振を2Vピークツーピークに下げることができました。

新しいプロトタイプボードを入手するには少なくとも2週間以上かかりますので、問題を整理するまでこの注文を避けています。

追加の入力22uFセラミックコンデンサを追加しても、ごくわずかな違いしか生じませんでした。しかし、圧倒的な改善は、出力ピンの間に22uFのセラミックキャップをはんだ付けし、キャップ全体の信号を測定することによってもたらされました。これにより、スコープの帯域幅を制限することなく、ノイズの最大振幅がピークツーピークで150mVになりました!! Madmangurumanは、回路の代わりにプローブの先端を変更することを提案したことを除いて、同様のアプローチを提案しました。彼は、グランドとチップの間に2つのキャップを置くことを提案しました。1つは10uFの電解コンデンサで、もう1つは100nFのセラミックです（並列と仮定します）。さらに、測定の帯域幅を20Mhzに制限し、プローブを1倍にすることを提案しました。これは、ノイズ減衰効果もほぼ同じ大きさであるように思われました。

これが許容できるほど低いノイズフロアなのか、スイッチングコンバータの一般的なノイズ振幅なのかはわかりませんが、大幅に改善されています。これは勇気づけられるものだったので、さらに大きな負荷がかかった場合の回路の堅牢性をテストしました。

残念ながら、負荷が重いと、回路が新しい奇妙な動作を引き起こします。30オームの抵抗負荷で回路をテストしました。ボードは入力電圧をブーストしますが、出力は低周波のこぎり波/三角波出力になります。これが何を示しているのか分かりません。私には、1 Mhzのスイッチング周波数よりもはるかに低い周波数での出力キャップの定電流充電および放電のように見えます。これがなぜ起こるのか分かりません。

同じテスト条件下でスイッチングノードをプローブすると、乱雑な信号と恐ろしい振動が示されました。

ソリューションが見つかりました

質問への回答が完了し、回路は適切に機能しています。Olin Lathropが示唆したように、問題は実際に制御ループの安定性に関連していた。私は素晴らしい提案を受け取ったかもしれませんが、この行動方針を提案したのはオリンだけでした。したがって、私は彼に私の質問に対する正しい答えを与えました。しかし、私は皆の助けに大いに感謝しています。行われた提案のいくつかは、まだ設計の改善に関連しており、ボードの次のリビジョンに実装されます。

また、ノコギリ波/三角形の出力の周波数は、スイッチングノードでの信号の方形波部分と同じ周波数であることに気づいたため、Olinのアドバイスに従う必要がありました。出力の電圧のランプアップはインダクターの正常な通電によるものであり、ランプダウンはスイッチングノードの信号の振動部分の間にインダクターの適切な通電の失敗によるものだと思いました。これが安定性の問題であることが理にかなっています。

補償ピンを詳しく見るというOlinの提案に従って、compピンのRCシリーズネットワークの容量を増やすと、制御ループの安定性が回復することを確認しました。これがスイッチングノードに与えた影響は、方形波出力からわかるように重要でした。

低周波のこぎり波/三角波は除去されました。

いくらかの高周波ノイズ（100Mhz）がまだ出力に存在する可能性がありますが、これは単なる測定の人工物であり、200Mhzスコープの帯域幅が20Mhzに制限されると消えることが示唆されています。この時点では、出力はかなりきれいです。

高周波ノイズに関する質問がまだ残っていると思いますが、私の質問はより一般的であり、このデバッグの質問に固有のものではないため、スレッドはここで終了します。

回路図が非常に大きく、わかりにくい方法でレイアウトされているため、ユーザーが反応しなくなります。たとえば、部品が実際に負の電圧から来ている場合を除き、上向きにグラウンドを描画しないでください。他の人に回路図を見てもらいたい場合は、敬意を払ってください。頭を傾けて物を読んだり、テキストが図面の他の部分と重ならないようにしてください。これらの詳細に注意を払うことはあなたの信頼性を助けるだけでなく、あなたが好意を求めている人々からの尊敬も示しています。私はこの質問を以前に見ましたが、上記のすべてが「あまりにも多くのトラブル、これを台無しにします」と考えさせ、それから私はより面倒な要因で何かに進みました。

あなたは私たちに多くの詳細を与えましたが、明らかな高レベルの問題を忘れていました。出力はどのような電圧になっていますか？長文のどこかでブーストすることについて言及しましたが、出力コネクタによって「7.2V」と書かれているようにも見えます。これは、入力によって書き込まれた「2.5V-10V」と一致しません。インダクタ、スイッチ、およびダイオードの配線方法から、ブーストトポロジが得られます。入力が目的の出力電圧を超える場合、これは機能しません。実際の入力および出力電圧は何ですか？何時ですか？

さあ、リンギングへ。まず、これらのことのいくつかは明らかにスコープアーティファクトです。あなたは持っている、非常に小さい（2.2μH）のインダクタを。私はコントローラーのデータシートを見ませんでしたが、驚くほど低く聞こえます。コントローラーはどのスイッチング周波数で動作するはずですか？MHz以上でない限り、インダクタの2.2 µHの選択については懐疑的です。

スコープトレースのいくつかを見てみましょう。

これは実際に合理的に予想されるスイッチングパルスを示しています。これから、少なくともこの例では、スイッチング周波数が1 MHzであることもわかります。それはあなたが意図したものですか？

トレースは、インダクタが充電されるようにスイッチを閉じた状態で左側から始まります。スイッチは100 nsで開くため、インダクタ出力は、電流がD1を介してダンプを開始するまで直ちに上昇します。これは8Vなので、出力電圧は明らかにD1がショットキーダイオードであることを考慮すると7.5Vのようになりますが、大きな電流パルスを取得しています（平均の大きさ、または少なくともどれくらい大きいかを知っておくとよいでしょう）。これは、インダクタがt = 400nsで放電されるまで300 ns続きます。

その時点で、インダクタの出力側は開いており、グランドへの寄生容量のみに接続されています。インダクタンスとこの寄生容量がタンク回路を形成し、リンギングを生成します。次のパルスの前にこのリンギングは2サイクルしかありませんが、わずかに減衰していることに注意してください。ダイオードが遮断された後、インダクタに残ったわずかなエネルギーは、インダクタと静電容量の間を行き来しますが、各サイクルは少しずつ消費されます。これはすべて予想どおりであり、この種のスイッチング電源の特徴的な特徴の1つです。リンギング周波数は約5 MHzであることに注意してください。実際の商用設計では、放射を避けるために注意する必要があります。このリンギングは、実際にはスイッチング電源からの主な放射である可能性があり、

また、リンギングが4Vを少し下回る方向に減衰していることがわかります。これは、この場合に使用していた入力電圧を示しています。これは、少なくともこの場合、約2倍のステップアップを備えたブーストコンバータとして実際に動作していることを確認します。2倍のステップアップは、インダクタの充電と放電のフェーズがほぼ等しいことによっても確認されます。このフェーズでは、それぞれ300 nsです。

t = 800nsでスイッチが再びオンになると、フリーリンギングタンク回路フェーズが突然終了します。スイッチはインダクタを約300ns充電し続け、約1 µs周期でプロセスが繰り返されます。

このスコープトレースは、実際に期待どおりに機能することを示しています。ここには喫煙銃はありません。

あなたは出力振動について不平を言っていますが、残念ながらあなたのスコープトレースのどれもこれを示しません。初期のものは、スコープアーティファクトと差動信号として現れるコモンモードグランドバウンスを示す可能性が高いため、意味がありません。これでも：

私たちに多くを語っていません。敏感な電圧スケールに注意してください。ここでは、20 mV / divで驚くことはありません。これのいくつかは、ほぼ間違いなく、差動信号として現れるようにスコープを混乱させるコモンモード過渡現象です。遅い部分は、ダイオードが導通してから非導通になり、電流パルスがコンデンサによって部分的に吸収されます。

だから、これはすべて問題が正確に何になっていますか？多数のスイッチングサイクルにわたって出力に大規模な電圧変動が見られる場合は、それを示してください。それはあなたが元々不満を言っていたと私が思ったものです。その場合は、スイッチャーチップの補償ネットワークを注意深く見てください。データシートは検索しませんでしたが、ピン12の「comp」という名前と、C4とR2が接続されているという事実から、これはほぼ確実にフィードバック補償ネットワークです。通常、データシートは何を使用するかを示しているだけで、とにかく独自の値を導き出すのに十分な情報を提供しません。データシートのそのセクションを注意深く読み、実行した値を使用するためのすべての条件を満たしているかどうかを確認してください。これらはこの部分の推奨値ですよね？

追加：

私はこれを前に言及するつもりでしたが、それはひびを通って滑りました。インダクタが飽和していないことを確認する必要があります。これは、大きな過渡現象や制御の不安定性など、あらゆる種類の厄介な問題を引き起こす可能性があります。コピーした最初のスコープトレースから、インダクタが約3.8 Vから300 ns充電されていることがわかります。3.8Vx 300ns / 2.2µH = 518mA。この場合のピークインダクタ電流です。ただし、それはかなり低い出力電流です。スコープのトレースからも、出力電流は約75〜80 mAであると推測できます。より高い出力電流では、最終的にコントローラーが連続モードで実行されるまで、ピークインダクタ電流が上昇します（推測しますが、それは可能性が高いです）。インダクタ電流が全範囲にわたって飽和限界を超えないようにする必要があります。インダクタの定格は何ですか？

追加2：

ここには2つの基本的な問題があると思います。

1. スイッチング電源には、これまで見たリニア電源のような低ノイズが期待されています。これは合理的ではありません。

2. あなたは、出力が実際よりもずっと悪く見える多くの測定アーティファクトを取得しています。

元のレイアウトは問題になりませんでした。2番目の方法の方が優れていますが、まだいくつかの改善を見たいと思っています。

残念ながら、tStopレイヤーをオンにすると、本当に見たいものが乱雑になりますが、この図を解読できると思います。

これで、グランドプレーンを切断せずに、ダイオードから出力キャップを通り、入力キャップのグランド側に戻る直接経路ができました。これは、オリジナルよりも大幅に改善されています。ただし、グランドプレーンは分割されており、中央に大きなL字型のスロットがあり、下端までずっと延びています。グランドプレーンの下部の左右の部分は、長いルートのみで接続されています。これは、一部のネットの余分なスペース要件を減らし、いくつかのパーツを少し動かすことで簡単に修正できます。たとえば、+入力の右側にある2つの非常に大きなビアを、グランドプレーンがそれらの間を流れるようにするために少し離れることができない理由はありません。同じことは、R3の左側、ダイオードのカソードとC5、およびボードエッジとD1の間にも当てはまります。

また、スイッチャーの前後の静電容量が小さすぎると思います。C5のようにC1を22µFに変更し、JP2の2つのピンの間にすぐに別のセラミックキャップを追加します。

新しいレイアウトで新しい実験を試してください。ボードの底部にあるJP2のピン間に直接、別の22µFキャップを手動ではんだ付けします。次に、スコーププローブのグラウンドを「-」ピンにクリップし（ボード上の他のグラウンドポイントではなく、「-」ピンのみに直接）、プローブ自体を「+」ピンにフックします（もう一度、ピンに、出力電圧ネット上の他のポイントではありません）。他のスコーププローブ、接地クリップ、接地線などを含め、ボードに他のものが何も接続されていないことを確認してください。他の接続はバッテリーのみで、他の接続はできません。このセットアップは、導電性のもの、特に接地されたものから少なくとも1フィート程度離してください。次に、出力波形を見てください。投稿した最初のスコープトレースにあるように見えたノイズは、かなり少ないと思われます。

最初に、あなたが追いかけている問題が本当に存在し、オシロスコープの接地不良によるアーチファクトではないことを確認します。電源レールのノイズを追跡するのにかなりの時間を費やしましたが、オシロスコープへの別のワイヤではなく、オシロスコーププローブのグランド接続を使用したときに、ノイズが（ほとんど）消えたことがわかりました。

電源の世界での「適切な」リップルとノイズの測定は、CMノイズを拾わないように非常に具体的に行われます。

$10 \mu F$$100 nF$$1 M \Omega$

現在表示されているリップル波形が根本的に異なっている場合、CMピックアップのために元の測定に欠陥があると結論付けます。それ以外の場合、手に正当なノイズの問題があります。

更新1：回路図とレイアウトでAGNDとPGNDを配線で接続し、補償コンポーネントがAGNDピンとは別の電源グランドに接続されていることがわかります。これは「悪いこと」です。Micrelリファレンスレイアウトをよく見てください。補償コンデンサとソフトスタートコンデンサのリターンはすべてプライベートグランドに配線され、AGND、PGNDの順に接続されます。これにより、大きなスイッチング電流が敏感な補償および制御コンポーネントを妨害しないことが保証されます。

スイッチをオンにすると、指定したスイッチングノードの波形から判断して、HFリンギングがあるように見えます。このICでは、オンとオフの時間を制御できません（FETが統合されているため）、別のブースト整流ダイオードを試すか、スナバを追加してリンギングを静める必要があります。

レギュレーターのレイアウトは非常に大きいと思います-データシートで提供されている例を確認してください：

すべてのフィルターは、IC（特にC5）のすぐ隣にあります。たとえば、出力キャップ（C5）はICから1インチ以上離れているように見えます。電圧選択のためにC3をできるだけ遠くに置くと、問題が発生する可能性があります（FBピンにノイズが誘導されると、スイッチングが不安定になる場合があります）。

そのグラウンドバウンスの記事が間違った方向にあなたを導くのを許さないでください-ループサイズと方向についてのそのポイントが重要であると確信している間、それはおそらく最も重要です：

• SWノードの長さを最小限にします（D1に到達するまでかなりの距離を延長し、そのD1 / L1ジャンクションをICのコーナーに直接移動します。

• ループのサイズをできるだけ小さくします。

また、出力キャップにもう少し余裕を持たせます-回路図仕様は16vですが、15vで出力電圧を選択できます。

私はSMPSの専門家ではありませんが、過去にいくつかの成功と失敗を経験しました。

これは完全な推測であり、私はチップのデータシートを見ていませんが、C1は少し小さいようです。その男を100uFのようなものにブーストしようとしましたか？