Перейти к содержанию

Звон

На осциллограмме прямоугольного сигнала после каждого фронта видна затухающая синусоида. Иногда это реальные колебания в схеме, иногда — артефакт измерения, созданный длинным проводом земли щупа. В обоих случаях причина одна: паразитная индуктивность и ёмкость образуют колебательный контур, который фронт возбуждает, как удар — колокол.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Звон (ringing) — затухающие колебания, которые появляются на сигнале сразу после быстрого фронта. Их источник — паразитная индуктивность и ёмкость, образующие колебательный контур: быстрый фронт возбуждает его, и контур звенит на своей резонансной частоте f = 1/(2π√(LC)), пока энергию не рассеют потери. Чем меньше сопротивление в контуре, тем дольше звон.

Три типичных источника

ГдеИндуктивностьЁмкостьИсточник
Щуп осциллографапровод земливходная ёмкость щупаTektronix, ABCs of Probes
Линия связидорожка или кабель без согласованияёмкость нагрузкисм. согласующий резистор
Узел переключения DC-DCдорожки и выводы ключейёмкости MOSFET и диодаTI SLVA959B, SNVS124G

Звон, созданный измерением

Провод земли пассивного щупа — индуктивность, которая вместе с ёмкостью щупа образует последовательный контур, демпфированный только входным сопротивлением. Tektronix приводит пример: щуп 11 пФ с проводом земли 6 дюймов звенит примерно на 140 МГц, а удлинение земли зажимом на 28 дюймов даёт сильный звон (ABCs of Probes, гл. 4). Такой звон показывает щуп, а не схема. Проверка простая: укоротить землю — если частота звона изменилась, виноват щуп. Пошаговый разбор — в ответе почему на осциллограмме звон.

Звон в силовой части

В понижающем преобразователе в прерывистом режиме бывает момент, когда не проводят ни ключ, ни диод, а ток дросселя упал до нуля. Тогда остаток энергии колеблется между дросселем и паразитной ёмкостью ключа и диода — LM2596 показывает этот звон на выводе ключа, и TI называет его нормальным (SNVS124G, разд. 8.4.1). Опаснее звон в быстрых силовых каскадах: выбросы выше шины питания и ниже земли могут превысить предельные напряжения MOSFET и драйвера (SLVA959B, разд. 6.3.1).

Как уменьшить

  1. Уменьшить индуктивность контура — короче дорожки, сплошная земля, ключи и конденсаторы вплотную.
  2. Добавить затухание — RC-снаббер, последовательный резистор на линии или согласование.
  3. Замедлить фронты — где это допустимо: резистор в затворе, ограничение скорости нарастания выходов.

Частоту колебаний для известных L и C подскажет калькулятор LC-резонанса.

Частые вопросы

Как понять, звон в схеме или в щупе?

Укоротить землю щупа: заменить длинный провод с зажимом на пружинку у самого наконечника. Tektronix советует именно так — если частота звона меняется вместе с длиной провода земли, звон создан измерением (ABCs of Probes, гл. 4). Если не меняется — колебания есть в самой схеме.

Почему на одном осциллографе звон виден, а на другом нет?

Из-за полосы. Пассивный щуп 11 пФ с проводом земли 6 дюймов звенит примерно на 140 МГц: осциллограф на 100 МГц его почти не покажет, а на 200 МГц — покажет отчётливо (Tektronix, гл. 4). Поэтому при переходе на более быстрый прибор «вдруг» появляется звон, которого раньше не было видно.

Опасен ли звон на узле переключения DC-DC?

Может быть. TI отмечает, что звон узла переключения создаёт выбросы выше и ниже шин, которые могут превысить предельные напряжения MOSFET и выводов драйвера, и увеличивает помехи (SLVA959B, разд. 6.3.1). Небольшой звон в прерывистом режиме преобразователя вроде LM2596 при этом нормален и не говорит о неустойчивости.

Источники

  1. Tektronix. ABCs of Probes, Primer, 60W-6053-15 — гл. 1: провод земли щупа имеет индуктивность, которая с ёмкостью щупа даёт звон на частоте, заданной L и C; звон неизбежен, его уменьшают, сдвигая частоту звона за полосу системы щуп–осциллограф; использовать самый короткий провод земли; гл. 4: индуктивность провода земли и входная ёмкость щупа — последовательный резонансный контур, демпфированный только Rin; пассивный щуп 11 пФ с проводом земли 6 дюймов звенит примерно на 140 МГц — на осциллографе 100 МГц это почти не видно, на 200 МГц видно; удлинение земли зажимом 28 дюймов даёт сильный звон; если частота звона меняется при изменении длины провода земли, звон создан измерением
  2. Texas Instruments. LM2596 SIMPLE SWITCHER Power Converter 150-kHz 3-A Step-Down Voltage Regulator, SNVS124G (revised March 2023) — разд. 8.4.1: в прерывистом режиме на выводе ключа бывает затухающий синусоидальный звон — это нормально и не связано с неустойчивостью обратной связи: энергия циркулирует между дросселем и паразитной ёмкостью ключа и диода; ферритовые дроссели с малыми потерями дают больше звона, порошковые — меньше; звон гасят RC-цепочкой параллельно дросселю; разд. 9.2.1.2.5 и 9.2.2.2.6: керамические конденсаторы на входе могут вызвать сильный звон на выводе VIN
  3. Texas Instruments. Best Practices for Board Layout of Motor Drivers, SLVA959B (revised October 2021) — разд. 6.3.1: звон узла переключения — LC-колебания из-за паразитных параметров платы и MOSFET; он увеличивает ЭМП, создаёт выбросы выше и ниже шин, которые могут превысить предельные напряжения сток–исток и выводов драйвера, и снижает КПД; лечится снижением скорости фронтов, снабберами и прежде всего разводкой с минимальной индуктивностью между ключами

Нашли ошибку?

Смотрите также