32,768-kHz-Kristall, der hörbare Geräusche macht

Ich mache ein Projekt, um die Spannungen einer 8-Zellen-Lithiumbatterie aufzuzeichnen und zu protokollieren. Das Projekt basiert auf einem STM32-Mikrocontroller, und die Protokollierung erfolgt auf einer SD-Karte. Ich habe die erste Version der Platine erstellt und viel Zeit damit verbracht, die Platine zu testen, einschließlich der Abstimmung des digitalen Filters.

Alles funktionierte einwandfrei, bis ich zur Kalibrierung der RTC überging. Ich habe festgestellt, dass es um 200 ppm außerhalb der Spezifikation liegt. Diese Messung wurde unter Verwendung des Kalibrierungsausgangs auf dem Mikrocontroller durchgeführt. Mit einem Logikanalysator kann ich sehen, dass die Ausgangsfrequenz zwischen 499 und 524 Hz variiert, obwohl sie 512 Hz betragen sollte. Deutet dies auf eine Art Interferenz hin?

Bei näherer Betrachtung höre ich den Kristall hörbar jammern, wenn ich mein Ohr daran halte. Wenn sich die Eingangsspannung ändert (der Designbereich reicht von 4,5 V bis 32 V), ändert sich auch das Jammern. Auch wenn ich über USB mit dem Board verbunden bin, ändert sich das Jammern wieder in einen anderen Typ.

Ich verwende einen MAX15062A-Abwärtswandler im PFM-Modus, um alle aktiven Komponenten auf der Platine mit Strom zu versorgen. Die Stromaufnahme dieses Abwärtswandlers beträgt etwa 20 mA (gemessen). Ich denke, dass das Ausgangsrauschen von diesem SMPS mein Problem mit der RTC und dem Jammern des Kristalls verursacht.

  • Der Kristall ist auf einer lokalen Masseebene montiert, die unter Verwendung von Durchkontakten mit der globalen Masseebene vernäht ist. X2 ist nicht montiert, während X1 der RTC-Kristall ist.

    Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

  • Ich nahm den Abwärtswandler aus der Schaltung und lieferte 3,3 V direkt von STLINK (dem Ausgang eines Linearreglers). Das Kristallfiepen verschwand und jetzt liegt der RTC-Ausgang zwischen 511,8 und 512 Hz. (Ich sollte sagen, dass ich einen Klon-Saleae-Logikanalysator von eBay verwende, der möglicherweise nicht ganz genau ist).

  • Ich nahm den Abwärtswandler aus der Schaltung und lieferte 3,3 V direkt von 2 verschiedenen Tischnetzteilen, die auf 3,3 V Ausgang eingestellt waren. Wieder verschwand das Kristallfiepen.

  • Ich habe eine zweite identische Platine meines Projekts, auf der nur der Abwärtswandlerteil der Schaltung zusammengebaut ist. Ich nehme den Ausgang dieses Abwärtswandlers und führe ihn direkt in die 3,3-V-Ebene auf der anderen Leiterplatte, wo alles montiert ist, und das Kristalljammern kommt mit den gleichen Eigenschaften zurück. Kann man also sagen, dass mein Problem direkt durch die Welligkeit der Ausgangsspannung meines Abwärtswandlers verursacht wird?

Könnten die Leute mir bitte helfen, herauszufinden, was die Ursache meines Problems ist und wie ich es lösen kann? Ich dachte, ich würde einen LC / RC-Filter oder eine Ferritperle direkt nach dem Ausgang des Abwärtswandlers benötigen?

Die Ausgangsspannungsfrequenz dieses Abwärtswandlers beträgt etwa 10 kHz in dem Modus, in dem ich ihn verwende (PFM), und die Stromaufnahme meiner Anwendung. Die Spannungswelligkeit 3,32 V und 3,39 V (gemäß der Maxim-Simulation). Ich sehe auf meinem Multimeter eine stabile Ausgangsspannung von 3,35 V.

Layout SMPS:

PCB-Layout-Bild 1

PCB-Layoutbild 2

Hinweis C15, C16 Ausgangskappen sind 10uF 16V X7R.

Bearbeiten: Pin 7 von MAX15062 nicht verbunden, um den PFM-Modus bei niedrigen Lasten zu erzwingen (wie meine Anwendung. Aus dem Datenblatt:

Informationen zur Modusauswahl aus dem Datenblatt MAX15062

Bearbeiten: Mögliche Quelle des RTC-Problems: kein Rückweg für SD CLK- und SD CMD-Leitungen.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Irgendwie glaube ich nicht, dass es der Kristall ist, der das Geräusch macht. Ich würde den Tiefsetzsteller (insbesondere die Induktivität) vermuten. Die Tatsache, dass das Geräusch verschwindet, wenn Sie es herausnehmen, ist ein zusätzlicher Beweis dafür.
welche frequenz hat das jammern? (Verwenden Sie einen Online-Tongenerator, um ihn abzugleichen). 10 kHz? Untere? So wie es sich anhört, hast du kein Zielfernrohr, nehme ich an?
Ok, also ich habe den Abwärtswandler auch auf der anderen Platine getestet, wo nur er für sich selbst bestückt ist. Ich schließe einen 180R-Widerstand an, um eine Last von ~ 20 mA zu simulieren, und der Abwärtswandler macht kein Geräusch.
Können Sie dem Abwärtswandler mehr Strom hinzufügen, um den Effekt zu sehen?
@Russell Es bedeutet nichts. Diese Wandler arbeiten mit PWM-Signalen basierend auf unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Sie haben je nach Last und Eingang unterschiedliche Betriebsmodi. Nehmen Sie besser ein Oszilloskop und lesen Sie die Ausgabe ab und prüfen Sie, ob die erzeugte PWM mit dem Rauschen korreliert, das Sie hören.
@Toor Ich habe einen Online-Tongenerator verwendet. Es klingt so, als ob der Tongenerator zwischen 8 und 10 kHz liegt. Nein, ich habe im Moment kein Zielfernrohr, aber eines ist unterwegs.
@EugenSch. Ich habe im Moment keinen Spielraum. Kann aber mit Hilfe eines Tongenerators online bestätigen, dass das Rauschen zwischen 8 und 10kHz so klingt.
Könnten Sie bitte zeigen/erklären, wie Pin 7 des MAX15062A angeschlossen ist? Für mich sieht es aus wie eine baumelnde Spur.
@Huisman Siehe Bearbeiten
Sie können einen 32-kHz-Quarz nicht vibrieren hören. Selbst wenn es laut genug wäre, müsste man die Hörweite einer Fledermaus haben, um etwas so Hohes zu hören. Und es wird nicht laut genug sein.
Hinweis C15, C16 Ausgangskappen sind 10 uF 3,3 V X7R. Die Verwendung dieser Bewertung bei 3,3 V ergibt wahrscheinlich nicht die erwarteten 2 x 10 uF. Die Nennspannung des Kondensators sollte das 1,5- bis 2-fache der Ausgangsspannung betragen. Was passiert, wenn Sie sie durch 6,3-V- oder 10-V-Alternativen ersetzen?
@Huisman Dies ist ein Tippfehler, diese Kappen sind auf 16 V ausgelegt

Antworten (3)

Ich glaube, Sie haben Pin 5 und 7 verwechselt. Pin 5 (rechte obere Ecke des IC in Ihrem PCB-Layout) wählt Modi aus, Pin 7 ist GND, was offensichtlich benötigt wird :) Ich würde vorschlagen, Pin 7 mit
dem oberen zu verbinden (bezüglich Ihres Layouts ) Terminal von C13, aber ich vermisse auch diese Verbindung. Oder ist es ein Via innerhalb des Pads?

Pin 7 ist mit GND verbunden. Auf dem Bild ist es nicht gut zu erkennen. Bitte siehe bearbeitetes Bild
Ist C17 auch anständig geerdet? Kein seltsam umgeleiteter Rückstrompfad? Die Massespur von C17 geht zur blauen (Masse?) Schicht, aber diese Schicht wird teilweise durch eine Welche Spur von C von C17 zu den 4 von U4 geschnitten. Es sieht so aus, als hätte das blaue Flugzeug keine weiteren Unterbrechungen, also wird es wahrscheinlich kein Problem sein ...
Ja, es ist geerdet. Das Layout des Konverters ist ziemlich direkt vom Maxim-Evaluierungsboard kopiert und das im Datenblatt empfohlene Layout. Dies hat auch eine einzige Spur auf der Grundebene.

Ich hatte dieses Problem und es wurde durch das Schaltgeräusch des Konverters verursacht. Der Kristalloszillator ist eine analoge Schaltung mit Ihrem Kristall in der Rückkopplungsschleife. Wenn also Rauschspitzen mit ausreichender Amplitude vorhanden sind, kann der Oszillator entweder zusätzliche Impulse verpassen oder hinzufügen, wodurch die Frequenz abgeworfen wird. Hier sind Dinge zum Ausprobieren. Stellen Sie sicher, dass kein Strompfad unter dem Oszillatorabschnitt zu Ihrem Konverter (Strom) führt oder durch die Masseebene zurückkehrt. Das Binden Ihrer Quarzlastkondensatoren (C21 und C22) an eine Masseebene ist nicht immer der beste Ansatz. Versuchen Sie stattdessen, einen separaten Pfad zurück zur Prozessormasse bereitzustellen. Halten Sie den Kristall und die Kondensatoren von der Masseebene fern, wenn ein Strompfad vorhanden ist. Die Tatsache, dass Sie den Wandler bei 8 kHz hören können, bedeutet auch, dass Sie im PFM-Modus zwei von drei Buck-Impulsen "überspringen". Sie haben die Induktivität des Konverters für größere Lasten dimensioniert, als Sie ausführen. Im PFM-Modus hat die Stromspitze immer die gleiche hohe Amplitude, die für maximale Last benötigt würde; Mit anderen Worten, Sie erhalten eine Stromspitze, die dreimal größer ist, als sie in einem Drittel der Zeit sein muss. Wenn Sie den Headroom für höhere Leistung nicht benötigen, versuchen Sie, die Buck-Komponenten für niedrigere Leistung zu ändern. Überprüfen Sie abschließend den Wert der Quarzlastkondensatoren. Denken Sie daran, dass die Kondensatoren in Bezug auf den Quarz in Reihe geschaltet sind. Sie benötigen also zwei Kondensatoren, von denen jeder etwa den doppelten Wert des angegebenen Lastkondensators des Quarzes hat. Sie erhalten eine Stromspitze, die dreimal größer ist, als sie in einem Drittel der Zeit sein muss. Wenn Sie den Headroom für höhere Leistung nicht benötigen, versuchen Sie, die Buck-Komponenten für niedrigere Leistung zu ändern. Überprüfen Sie abschließend den Wert der Quarzlastkondensatoren. Denken Sie daran, dass die Kondensatoren in Bezug auf den Quarz in Reihe geschaltet sind. Sie benötigen also zwei Kondensatoren, von denen jeder etwa den doppelten Wert des angegebenen Lastkondensators des Quarzes hat. Sie erhalten eine Stromspitze, die dreimal größer ist, als sie in einem Drittel der Zeit sein muss. Wenn Sie den Headroom für höhere Leistung nicht benötigen, versuchen Sie, die Buck-Komponenten für niedrigere Leistung zu ändern. Überprüfen Sie abschließend den Wert der Quarzlastkondensatoren. Denken Sie daran, dass die Kondensatoren in Bezug auf den Quarz in Reihe geschaltet sind. Sie benötigen also zwei Kondensatoren, von denen jeder etwa den doppelten Wert des angegebenen Lastkondensators des Quarzes hat.

Das macht Sinn, danke für die Antwort. Daraus ist klar, dass ich die Platine drehen muss. Die Sache ist die, dass ich die OPAMPs aus der Schaltung entfernt habe, also gibt es wirklich keine aktiven Komponenten, die 3,3 V über der Kristallschaltung benötigen. Der Strom auf der oberen Schicht beträgt 3,3 V vom Abwärtswandler, während die untere Ebene vollständig geerdet ist. Könnten Rückströme von meinen RC-Filtern über dem Kristall das Problem verursachen?
Außerdem traue ich mich nicht, die Komponenten des Abwärtswandlers auszutauschen, da dies tatsächlich das erste Mal ist, dass ich eine Leiterplatte entwerfe. Die Werte der Komponenten wurden aus dem Datenblatt ermittelt. B. für die Größe L, verwenden Sie L = 9,3 X Vout, also ergibt dies 30,69 uH = 33 uH. Gibt es eine Möglichkeit, stattdessen das Rauschen am Ausgang zu filtern / zu unterdrücken?
Möglich, aber nicht zu wahrscheinlich - denken Sie an die Masse des Prozessors, die sich um einige Millivolt von der Masse der Lastkondensatoren unterscheidet, oder dass die Spuren zum Kristall kapazitiv oder induktiv mit einer anderen Spur gekoppelt sind.
Sie haben Recht - sie empfehlen einen festen Wert und ich würde dabei bleiben. Sie geben Ihnen auch ein schönes Layoutbeispiel. Platzieren Sie den Konverter in der Nähe des Vin-Anschlusses, mit der Schaltung auf der anderen Seite, damit die Stromversorgungsströme lokalisiert werden
Die Sache ist die, dass auch der Vin für den Abwärtswandler gemessen wird, und ich war mir nicht sicher, ob es bei allen Messwerten zu einer Rauschkopplung führen würde, wenn der Wandler direkt in der Nähe aller Zelleneingänge platziert würde. Außerdem habe ich vielleicht die mögliche Ursache meines Problems gefunden. Bitte beachten Sie die hinzugefügten Bilder. Ich habe festgestellt, dass es keine Pfade für den Rückstrom für die SD CMD- und SD CLK-Leitungen gibt. Könnte dies die Ursache für mein Problem sein?

Bei näherer Betrachtung höre ich den Kristall hörbar jammern, wenn ich mein Ohr daran halte . Wenn sich die Eingangsspannung ändert (der Designbereich reicht von 4,5 V bis 32 V), ändert sich auch das Jammern.

Aus der Datenblattabbildung "SWITCHING WAVEFORMS (PFM MODE)" ist der Impulsstoß alle 40 us, also bei 25 kHz. Bei geringeren Lasten (als 20mA) wird die Zeit zwischen den Bursts größer, also die Frequenz niedriger. Die Zeit ändert sich auch mit der Eingangsspannung (die Sie beschrieben haben).

Dieser berstende Induktorstrom lässt den Induktor „zittern“, das hören Sie also. (Wie @EugeneSh. bereits vorschlug).

Ich bin mir nicht sicher, ob der Burst so niedrig wie 8 kHz ist. Aber vielleicht hörst du 16kHz und es klingt wie 8kHz? Ich habe Probleme beim Vergleichen von Tönen, ob ich 8 kHz oder eine Oktave höher höre: 16 kHz.

Wie auch immer: Dies löst Ihr Problem bezüglich der RTC nicht

32,768-kHz-Kristall, der hörbare Geräusche macht
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