Как остановить коммутируемый ток, воздействующий на ИС?

У меня есть 10 цепей, каждая из которых состоит из сенсорной ИС (Atmel at42qt1010) и электрода, а также 2 регуляторов постоянного тока по 350 мА (NSI50350AST3G) и светодиодов. Все подключено к Arduino Mega кабелями длиной около 1 метра.

Контакт заголовка выглядит следующим образом:

  1. +5В (для Touch IC)
  2. LED2 (HIGH включает цепь)
  3. TOUCH OUT (при обнаружении прикосновения это ВЫСОКИЙ уровень)
  4. LED1 (HIGH включает цепь)
  5. +7,5 В (для стабилизаторов постоянного тока)
  6. ЗАЗЕМЛЕНИЕ

Так на всех цепях обычно подключены 1,5,6. 2,3,4 изолированы и подключены к MCU.

Проблема возникает при переключении контактов 2 и 4, что, по-видимому, приводит к тому, что случайные схемы выводят 3 как ВЫСОКИЙ. Даже если я включу светодиоды, скажем, на схему 1, схема 5 может ложно начать обнаруживать прикосновение.

Единственный способ, который я нашел, чтобы исправить это, состоит в том, что два всегда поддерживают одинаковую нагрузку, например, в цепи 1, если LED1 включен, а LED2 выключен, если я переключаю эти состояния одновременно, все в порядке. Однако, если есть задержка, скажем, 20 мс, это вызовет проблему. Или, если я хочу, чтобы они оба были отключены, главная проблема, которая у меня сейчас...

Это поведение также можно увидеть (не в такой степени), когда +7,5 В даже не подключено.

Во вложении моя схема. У меня их 10, подключенных к Arduino Mega. +5В обеспечивается Arduino, а USB +7.5 обеспечивается внешним источником питания. GND подключены.

Я не использую PWM, только HIGH и LOW для управления светодиодами.

Пожалуйста помоги! Я думал, что разобрался с этим, но за пару дней до выхода проекта я обнаружил эту ошибку.

введите описание изображения здесь введите описание изображения здесь


ОБНОВЛЯТЬ

Следуя приведенным здесь советам и прочитав эти дальнейшие заметки по применению, я пересмотрел свою схему и также включил трехканальный светодиод вместо двух предыдущих светодиодов. Я также планирую запустить их с сигналом ШИМ.

Примечание по применению « Секреты успешного дизайна QTouch — корпорация Atmel »введите описание изображения здесь введите описание изображения здесь

В примечаниях по применению « Соображения по поводу источника питания для емкостных сенсорных микросхем Atmel » показан регулятор LM78L05.введите описание изображения здесь

Схема 2.0 введите описание изображения здесь

PCB Layout 3.0 — Трассировку и ширину дорожек все еще необходимо оптимизировать.введите описание изображения здесь

Вопросы

1. Должен ли я вместо этого использовать регулятор LDO, упомянутый в примечаниях по применению выше?

2. Буду ли я в порядке, используя эти 7,5–10 В в 10 из этих цепей, поэтому 30 сильноточных цепей ШИМ будут влиять друг на друга? Это будет обеспечиваться блоком питания с переключаемым режимом, например http://uk.farnell.com/xp-power/jpm80ps07/psu-80w-7-5v-10-7a/dp/1109830 .

3. Не переборщил ли я с 3 электролитическими конденсаторами по 100 мкФ?

4. Что еще я должен сделать? Затем я перепроектирую печатную плату.

Соблюдались ли вы все правила, касающиеся подключения датчика касания к его площадке, в том числе держали его подальше от других проводов и заземления? Изображение платы может нам помочь.
То же самое: компоновка вашей платы может быть причиной паразитных электромагнитных помех. Попробуйте добавить дополнительные линии GND в разъем/кабель или изменить их порядок, чтобы отделить сигнальные линии друг от друга и линии питания. Предлагаемое расположение разъемов: 1) LED1, 2) LED2, 3) +7,5 В, 4) +5 В, 5) GND и 6) TOUCH OUT (при условии однорядного заголовка).
Я добавил макет выше - я думал, что следовал правилам, касающимся сенсорной ИС, т. Е. Следил за тем, чтобы трасса от UM до P1 была короткой и избегала других трасс и заземляющих плоскостей, я думаю, C1 должен иметь более близкий наземный маршрут к IC?
Это не имеет никакого отношения к вашей проблеме, но все дорожки, по которым проходит диодный ток 350 мА, должны быть намного шире ширины по умолчанию (10 мил?), которую вы использовали. И имейте в виду, что дорожки +7,5 В и Gnd из заголовка будут нести вдвое больший ток. Ферритовая шайба на каждой из линий питания прямо у разветвителя поможет уменьшить сцепление краев между жилами кабеля.
На первый взгляд, ваш макет нуждается в доработке. Вам нужно сжать компоненты ближе, особенно заголовок. Вам также необходимо улучшить плоскость GND и дорожки. Вот что вам поможет: sva.ti.com/AU/design/courses/270/…
Я создал новую схему, следуя приведенным здесь советам и дополнительному чтению. Есть предположения? следующая задача — новый дизайн печатной платы.

Ответы (1)

Попробуйте добавить пару конденсаторов параллельно Res3и R4, например, 100 нФ, чтобы замедлить переключение и минимизировать электромагнитные помехи. Также добавьте некоторую объемную емкость на шину питания датчика касания (например,> 100 мкФ электролитическая) и шину +7,5 В. Дайте нам знать результаты.

Также можно попробовать уменьшить чувствительность сенсорного датчика. Убедитесь, что вы выполнили все рекомендации в техническом описании, касающиеся компоновки печатной платы и помехоустойчивости — обратите внимание, что рекомендуется использовать специальный регулятор напряжения, если источник питания используется совместно с другой электронной системой:

Сенсорный датчик

Сенсорный датчик 2

NSI50350AST3G и ШИМ

Упоминание конденсаторов выше и в техническом описании предназначено для снижения высоких частот, которые могут вызывать проблемы при переключении больших токов на высоких скоростях. Обратите внимание, что «высокая скорость» здесь относится в основном к времени нарастания сигнала ШИМ, а не к его основной частоте.
Если мы оставим конденсаторы и переключим с помощью вывода Arduino, время нарастания на базе будет быстрым (что означает, что переключение транзисторов будет быстрым). Я не знаю конкретно о ATmega, но большинство современных микроконтроллеров имеют очень быстрое ввод/вывод. Многие могут переключаться менее чем за 10 нс, возьмите, например, этот снимок прицела, который я только что сделал с dsPIC:

dsPIC Время нарастания ввода/вывода

Вы можете видеть, что время нарастания составляет чуть более 5 нс, это довольно быстро. Я предполагаю, что это будет быстрее, чем ATmega, но мы предположим, что ATmega переключается за 10 нс. Помня, что любой сигнал может быть составлен из суммы синусоид (см. Преобразование Фурье), хорошее эмпирическое правило для расчета значимой спектральной плотности мощности (очень грубо - частотные компоненты достаточно велики, чтобы о них стоило беспокоиться) по времени нарастания: :

Fколено = 0,5 / время нарастания

Fknee — это точка, в которой спектр скатывается намного быстрее (например, как точка -3 дБ фильтра нижних частот), так что это важная точка.

Итак, для 10 нс:

Fknee = 0,5/10e-9 = 200 МГц (!)

Теперь транзистор будет переключаться намного медленнее, в таблице данных указано максимальное значение 100 нс для 30 В, 750 мА и базового тока 15 мА. Согласно найденной мной симуляционной модели, это действительно довольно быстро. Таким образом, 100 нс по-прежнему соответствует 20 МГц, быстрее, чем хотелось бы. К счастью, наш базовый ток не равен 15 мА, поэтому время нарастания больше похоже на 600 нс, что дает нам частоту колена 1,2 МГц, что становится намного лучше. Давайте посмотрим на это:

Время нарастания без конденсатора

И симуляция с показанным временем нарастания (в разделе «Разница курсора2 - курсор1»):

Время нарастания без имитации конденсатора

Текущее время нарастания составляет всего 985 нс (откройте в новой вкладке для увеличения версии)

С добавленным конденсатором

Хорошо, теперь добавим конденсатор и посмотрим, что у нас получится:

Время нарастания транзистора с крышкой

И та же симуляция теперь имеет время нарастания тока ~ 15,6 мкс:

Время нарастания транзистора с добавленной симуляцией конденсатора

Это нормально для светодиодной ШИМ, поскольку частота будет низкой (например, 100-300 Гц или около того) и значительно уменьшит высокочастотную составляющую.

НО

Недостатком (довольно большим) является то, что тока базы транзистора недостаточно для полного переключения 350 мА (обратите внимание на максимальный ток на графиках выше, и, следовательно, теперь рассеивается больше тепла, поскольку он тратит больше времени между полным включением/выключением - быть точным, он не включается полностью)
Это неэффективно, и ваши светодиоды не такие яркие, как вы хотите (если вы выполняете симуляцию, они рассеивают около 0,25 Вт)

ТАК

Замените резисторы 4,7k резисторами 1k, и тогда у вас должно быть достаточно базового тока для переключения полных 350 мА. Но постойте, а как насчет времени нарастания, если мы поменяем резисторы? он уменьшается примерно до 2,5 мкс (не так уж плохо), но вы можете увеличить емкость конденсатора до 220 нФ или 360 нФ, если хотите, чтобы время нарастания было медленным.

Спасибо - я попробую. Re Объемная емкость на шинах питания - вы имеете в виду на плате питания или на каждой цепи. Стоит ли добавить перемычку на С1?
Если на силовой плате их нет, то оба (можно танталовые или алюминиевые). Хорошей идеей были бы более крупные на плате питания и несколько более мелких электроники на каждой цепи. Большие электролиты обеспечивают локальный источник переходного тока, а также низкое ESR на низких частотах, которые керамика не может адекватно покрыть.
Привет, я создал новую схему и нашел еще несколько замечаний по применению, касающихся источника питания. Как выглядят внесенные мной изменения? Я надеюсь получить новые печатные платы, изготовленные на этой неделе.
Круто получится. Техническое описание для NSI50350AST3G предлагает установить эти конденсаторы для уменьшения электромагнитных помех (хотя я не понимаю, как правильно определить значение), что вы думаете? все равно удалять или нет?
На первый взгляд выглядит лучше, если сенсорный чип регулируется отдельно (у LM78L05 все должно быть в порядке). Главное, чтобы источник питания ИС был отдельным, хорошо развязанным, а электрод также находился далеко от любого переключения. Старайтесь не запускать ничего, что переключается (особенно сильноточный ток) вблизи дорожки электрода. Начните проектировать печатную плату и опубликуйте свой прогресс (еще не закончено). Вы заметите, что я удалил предыдущий (глупый) комментарий о шапках, оставьте их - я обновлю ответ некоторыми подробностями о том, как вычислять значения.
@davivid - Хорошо, я добавил несколько заметок о конденсаторе и проблемах, связанных с ШИМ. Поскольку я торопился с этим и не тестировал его, я советую вам сначала проверить все с одним светодиодом / транзистором на макетной плате, чтобы убедиться, что все в порядке (вы все равно должны сделать это при прототипировании).
Вау, спасибо Оли, это действительно познавательно. Что вы используете для моделирования? Извините за задержку с ответом - что-то случилось. Теперь у меня есть грубый макет печатной платы, вы заметите, что теперь я включаю сенсорный электрод в саму печатную плату. Видите ли вы какие-либо проблемы с этим макетом?
Извините, я пропустил это раньше - я использовал LTSpice (бесплатный SPICE от Linear Technology) для моделирования (я настоятельно рекомендую его)
Replace the 4.7k resistors with 1k resistors,это основано на предположении, что MCU выдает 5 В при 40 мА? Поскольку я буду использовать некоторые драйверы ШИМ с регулируемым током, будет ли это иметь значение, если я установлю их на 10 мА?
Он основан на предположении о 5 В, да - ток будет только (5 В - 0,7 В) / 1 кОм = 4,3 мА в базу, хотя (40 мА - это абсолютный максимум, при этом токе напряжение будет немного падать, вероятно, ниже 4 В, глядя на стр. 339 таблицы данных , также максимальное значение для всех входов-выходов составляет 150 мА) В любом случае, напряжение — это все, что имеет значение, если только резистор не достаточно низок, чтобы потреблять больше тока, чем может быть подано без значительного падения источника — просто используйте формулу выше и убедитесь, что ток в базе достаточен для полного открытия транзистора.
Таким образом, если ваши ШИМ-драйверы рассчитаны на 5 В, вы можете либо установить ток на подходящем уровне (например, и исключить резистор), либо установить ток на максимальном уровне и соответствующим образом подобрать размер резистора. Транзистор теряет усиление по мере перехода в режим насыщения, поэтому в идеале вы предполагаете усиление <50 или около того, что означает, что если вы переключаете 350 мА, то базовый ток около 350 мА / 50 = 7 мА обеспечит сохранение падения напряжения коллектор-эмиттер. низкий (поэтому транзистор рассеивает меньшую мощность)
Обратите внимание, что (5 - 0,7) / 1k = 4,3 мА предполагает, что второй резистор от базы до земли заменен конденсатором. Я не уверен, с чего это нужно было начинать (?) Транзистор будет выключаться медленнее, чем он включается, но это не должно быть проблемой, поскольку вы хотите, чтобы он был довольно медленным по упомянутым причинам.
Я не понимал, что должен был заменить второй резистор конденсатором, а использовать их вместе? это было там, чтобы помочь уменьшить электромагнитные помехи. В любом случае, я только что понял, что мой ШИМ-драйвер с открытым стоком, поэтому в любом случае не подходит для этой настройки и изо всех сил пытается найти альтернативу.
Последовательные резистор и конденсатор образуют фильтр нижних частот, поэтому их достаточно для снижения электромагнитных помех без второго резистора. Если вы опубликуете номер детали вашего драйвера, я могу взглянуть и подумать о другой схеме (вам, вероятно, просто нужно добавить подтягивающий резистор к существующей схеме)
Итак, я собрал последнюю версию платы (как выше PCB 3.0), но у меня все еще возникают проблемы - когда все три светодиодных канала включены, сенсорная ИС зависает и сообщает о событии касания до тех пор, пока не произойдет тайм-аут. Использование любой комбинации двух каналов работает нормально. Если я отрежу два следа от сенсорной плоскости, это тоже не повлияет. Любые идеи, что я могу попробовать?
@davivid - о боже, жаль это слышать. В любом случае, я бы сначала выяснил, проблема в плате или в проводке. Попробуйте подключить сенсорную линию (линия 6) полностью отдельно от других линий. Этот набор вещей очень сложно отлаживать, не находясь там, некоторые снимки прицела (например, линии сенсорного управления) и дополнительные клипы макета (крупные планы с помеченными линиями - текущий немного сложно изучить) были бы очень полезны - опубликуйте их где-нибудь еще и дайте ссылку на них, чтобы не слишком загромождать свой вопрос.
Ложная сигнализация! извините, ограничитель тока на стенде отключился без моего ведома. Отлично работает сейчас. ваше здоровье.
@davivid - Очень рад это слышать, удачи в остальной части проекта ;-)