Фон

Для хобби-проекта я разработал плату, использующую DC/DC-стабилизатор LTC3355 для работы в качестве источника питания. По профессии я инженер-программист, и поэтому совершенно не умею правильно проектировать и устранять неполадки в этой схеме. Это одна из моих первых досок, и она наверняка содержит почти все ошибки новичков, которые вы только можете себе представить. Возможно я выбрал слишком сложную схему для своего уровня знаний, но такова жизнь :).

Я могу предоставить изображения на осциллографе любого узла моей схемы, если кто-нибудь может порекомендовать, что мне нужно измерить.

Эта ИС выполняет три основные функции:

1. Понижающий регулятор при наличии входной мощности
2. Зарядное устройство суперконденсатора
3. Повышающий регулятор при отсутствии входной мощности (источник тока от суперконденсатора).

Техническая спецификация

Спецификация доступна здесь: http://www.linear.com/docs/44566 .

Проблемы

У меня две (возможно связанные) проблемы с функциями 2 (зарядка) и 3 (ускорение). Функциональность buck работает по назначению, и я получаю удовлетворительную эффективность и стабильность вывода.

Этот вопрос предназначен для того, чтобы сосредоточиться на проблемной функции повышения, но если зарядка будет решена одновременно, тем лучше.

Когда я отключаю входное питание, а на выходе низкая или нулевая нагрузка, выход регулируется очень хорошо (хотя и несколько более шумно, чем при работе в режиме понижения), а заряд суперконденсатора используется для поддержания выходного напряжения.

Однако при незначительном увеличении нагрузки, примерно до 50 мА, выходное напряжение падает примерно до 4 В, а V_out и V_scap выглядят очень шумными. V_scap получает колебания около 2 В от пика до пика при среднем напряжении 2 В. Номинальный максимальный ток составляет 1А, так что это не должно быть проблемой.

Во-вторых, когда я подключаю контакт EN_CHG к +5В (и есть входное питание), суперконденсатор вообще не заряжается. Ток со входа также не поступает.

Настраивать

• Входное напряжение: 7-20 В
• Выходное напряжение: 5 В
• Суперконденсатор: 100Ф, 2,7В
• Нет установленного резистора ограничения входного тока.
• Резисторы и конденсаторы имеют размер 0805, чтобы упростить ручную пайку и обеспечить разводку между контактными площадками, сохраняя при этом односторонность платы.
• Обе катушки индуктивности экранированы и рассчитаны на использование в импульсных источниках питания (значительно выше 1 МГц, используемых в этой схеме), и имеют большой ток.

Я сконфигурировал микросхему очень близко к эталонному проекту, представленному в техническом описании, с некоторыми незначительными отличиями. Делители напряжения были немного изменены, чтобы обеспечить выходное напряжение 5 В (в пределах спецификаций) и максимальное напряжение суперконденсатора 2,7 В.

Мои катушки индуктивности имеют ту же индуктивность, что и эталонный проект, и рассчитаны значительно выше частоты регулятора.

_{(источник: linear.com )}

Возможные причины

Вот несколько возможных проблем, о которых я знаю, где я отличаюсь от эталонного проекта или рекомендаций таблицы данных, которые могут неблагоприятно повлиять на производительность моей схемы:

1. Вопреки рекомендациям из таблицы данных, хорошей практике проектирования и здравому смыслу, я разместил схему на односторонней печатной плате из-за того, что у меня нет инструментов для сверления и изготовления многослойных печатных плат. Тем не менее, я не сталкивался с тепловыми проблемами, на которые намекает техническое описание, но этот выбор также негативно влияет на другие аспекты дизайна:
2. Плохое заземление (вытекающее из пункта 1), возможно, вызывающее всевозможные проблемы с помехами. Я предполагаю, что это наиболее вероятный виновник.
3. Контакт обратной связи микросхемы находится на противоположной стороне от того, что он измеряет, поэтому мне пришлось использовать антенный провод, чтобы не прокладывать его по всей плате. Это неоптимально... Для этой цели в демонстрационной плате производителя используется другой слой.
4. На справочном изображении в техническом описании упоминается суперконденсатор между 1 и 50F. У меня есть только суперконденсатор на 100F, но я не думал, что это вызовет какие-либо проблемы.
5. Плохие навыки пайки. Микросхема и катушки индуктивности были припаяны горячим воздухом (никаких открытых выводов, и я мог повредить их из-за чрезмерного нагрева. Я действительно думаю, что все контактные площадки имеют контакт и проверил, нет ли коротких замыканий. Фактически работающая функциональность предполагает, что они есть) Выводы PFOB, RSTB и CPGOOD реагируют на сбой питания, выход за пределы регулирования и падение напряжения на конденсаторе.
6. Некоторые из моих конденсаторов, как правило, имеют больший корпус (все 0805), чем эталонные схемы, что (как я узнал) изменяет эквивалентную схему и может изменить частотную характеристику моей системы.

Что я пробовал

Я попытался добавить дополнительные керамические конденсаторы между суперконденсатором и землей, как показано на демонстрационной плате Linear здесь (C10 и C11). Эти конденсаторы отсутствуют в примере схемы из таблицы данных: _{(источник: linear.com )}

Это не имело существенного значения для удержания регулятора наддува в рабочем состоянии.

На демонстрационной плате также перечислены несколько конденсаторов OPT (дополнительно?), которых нет в эталонном дизайне. Я не пробовал ничего ставить в эти места.

Принципиальная схема и расположение платы

У меня возникают проблемы с тем, чтобы DipTrace отображал макет моей платы в более удобочитаемом виде, например, лучше отображая компоненты. По этой причине я также предоставляю 3D-рендеринг, который дает дополнительный вид.

Схема:

Вот, ужас. Плата и ее трехмерный вид:

Я пытался сделать текущие пути как можно более толстыми, а соответствующие чувствительные узлы — как можно меньше, но односторонняя компоновка ограничивает... Узлы с синими линиями соединены короткими воздушными проводами. Контактные площадки 14 и 13 имеют подтягивающие резисторы для заземления по умолчанию в режиме ШИМ и без зарядки (не видно на изображениях). Красные линии внутри L1 взяты из «незалитой» медной заливки и не являются настоящей медью на реальной плате.

Открытая нижняя площадка микросхемы используется для заземления, и я вывел ее по углам.

Входная мощность подключена к полигону под меткой C6 и насыпи. Суперконденсатор подключен к полигону на метке L2, а земляная засыпка

Последние мысли

Мне интересно, полностью ли обречено не иметь этой схемы на односторонней плате, в то время как демонстрационная плата производителя использует 4 слоя, или мою попытку можно как-то спасти. В техническом описании упоминается настройка компенсационной цепи на выводе V_cbst, если это необходимо, но я понятия не имею, как это сделать, кроме как случайным образом попробовать другие значения компонентов. Мне не хватает широкого ассортимента номиналов конденсаторов, и я закажу больше, если получу правдоподобные рекомендации.

Обновлять

После того, как я избавился от проводов зажима типа «крокодил», как рекомендовал Майкл Кархер, и привел в порядок один из проводов-перемычек, я получил некоторые улучшения. Раньше я мог достичь максимальной нагрузки только ~ 130 мА, а теперь я могу достичь примерно 350 мА. Это все еще далеко от номинальных 5 А на выходе повышающего преобразователя. Тем не менее, моя цель составляет ~ 1 А, что будет на том же уровне, что и понижающий регулятор, используемый при наличии входной мощности.

Теперь суперконденсатор припаян к плате, используя около 1 см провода на каждый вывод конденсатора.

Желтая кривая — это Vout, а синяя — Vcap.

При нагрузке около 0-5 мА форма сигнала выглядит так, с видимой частотой переключения 1 МГц. Режим Boost, нагрузка 5 мА:

Однако примерно при 55-60 мА форма волны резко меняется на эту, с частотой ближе к 100 кГц. Здесь выходное напряжение по-прежнему регулируется примерно на уровне 5 В. Режим Boost, нагрузка 60 мА:

При максимальном токе нагрузки, которого я могу достичь, ~ 350 мА, выходное напряжение значительно упало до 4,5 В. Режим Boost, нагрузка 350 мА: