Diodenklemme mit LDO-Schaltung defekt

Ich bin zurück mit einem weiteren Rätsel.

Zusammenfassende Frage:

  1. Warum sollte ein Eingang zu einer spannungsgeklemmten Schaltung die obere Schiene dieser Spannungsklemme destabilisieren und/oder anheben?
  2. Wie klemmen Sie die Spannung mit einer leicht belasteten LDO-Versorgung richtig?

Wie ich dazu gekommen bin: Ich bin mitten in der Entwicklung eines Sensors für den Einsatz im Feld. Ich versuche, dieses Ding robust zu machen, also habe ich allen Eingängen mit Zugang zur Außenwelt Diodenklemmen hinzugefügt. Die Diodenklemmen sehen so aus (der Eingang befindet sich auf der linken Seite und wird in einen xbee IO-Port eingespeist):

Schaltungsklemme und Schutzwiderstände, um die Eingänge unter Strom und innerhalb der Spannungsschienen zu halten.

Das System wird von einer Solarquelle usw. betrieben, also habe ich einen Schaltregler (LMR1403), der auf einen LDO (MCP1802) kaskadiert ist, um alles zu betreiben.

Während ich meine Due-Diligence durchführte und die Spannungsklemmen testete, bemerkte ich etwas Seltsames:

  • gelb = geklemmte Leitung
  • blau = Funktionsgeneratoreingang
  • grün = geregelt 3,3 V:

Spannungsspitzen, wenn v_input v_rail übersteigt

Der Testeingang, den ich in die Schaltung gesendet habe, "erhöhte" die Stromschiene, wodurch die Spannungsklemme ausfiel (da die Diode nur den Eingang an der Schiene hält). Der Testeingang wurde mit einem Funktionsgenerator gespeist, 1 kHz, variierende Amplituden, aber offensichtlich Amplituden größer als 3,3 V.

Ich habe die Schaltung in LT Spice simuliert, bis ich das Problem reproduzieren konnte. Ich habe einen ähnlichen LDO von LT anstelle von MCP verwendet. Ich nahm an (vielleicht aus Arroganz?, aber na ja), dass die meisten Low-Power-LDO-Designs im Grunde (hoffentlich) gleich waren. Unten ist meine Simulation.
Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Es scheint, dass ich mindestens 2 mögliche Probleme korreliert habe:

  1. Unzureichende Widerstandslast.
  2. Ungenügende Kapazität auf der Ausgangsschiene.

Wenn ich mit einem von beiden in der Simulation herumspiele (sie zu klein oder eher "zu groß" für die Last mache), kann ich sehr ähnliche Situationen verursachen. Ich überprüfte meine Schaltung und fügte mehr ohmsche Last (Schaltung läuft 30 mA) und einen VIEL größeren Ausgangsbankkondensator hinzu (ich hatte nur eine 47-uF-Keramik zur Hand, um sie gegen die 1 uF auszutauschen, die dort war) und beide "lösten" das Problem bei kleinen Eingangsamplituden, aber beide versagen immer noch bei großen Eingängen (20 V pp-Wellen). Die Welle wird für die Masseschleife richtig gleichgerichtet, kann aber nicht innerhalb der geregelten 3,3 V gehalten werden.

In einem Versuch, alles dreifach zu überprüfen, habe ich eine Bankversorgung an die 3,3-V-Schiene angeschlossen, und sie verhielt sich ähnlich.

Also meine Frage ist im Grunde diese.

  1. Wie schützen Sie sich vor leicht belasteten Schaltungen? Wie zum Beispiel ein schlafender Mikrocontroller, der nur uA zieht.
  2. Übersehe ich etwas Grundlegendes in meinem Spannungsklemmendesign? (Hoffentlich).
  3. Sollte ich für diesen Fall kein ldo verwenden? Ich fange an zu fragen, ob ich meinen Schaltregler einfach neu einstellen sollte, um die Schaltung 3.3 zu speisen, war aber besorgt, dass er für XBEE-Operationen nicht stabil genug sein würde.

Vielen Dank. Ich lerne ständig neue Dinge. Matt

BEARBEITEN:

Designversion Nr. 2. Ich habe eine TVS-Diode für extreme Spitzen eingebaut und dann den Wert von R22 erhöht, um die Stromaufnahme durch die Schaltung zu begrenzen (wodurch der Spannungsanstieg reduziert wird). Hier ist, was ich jetzt habe:

Aktualisiertes Design der Diodenklemme

Ich passe C1 entsprechend an, wie schnell ich eine Anstiegszeit für das Signal benötige. Danke.

Linearregler können keinen Versorgungsstrom aufnehmen.
6 Wörter und du hast mein Design zerstört. Danke schön. Ich werde versuchen, die Schaltversorgung neu abzustimmen, um die 3,3 V zu erhalten, denke ich. Gibt es eine andere Möglichkeit, es zu umgehen? Wie macht jemand dann einen Spannungsschutz mit einem Linearregler?
Sie fügen ein TVS über die Versorgungsleitungen hinzu.
@IgnacioVazquez-Abrams, Sie sollten als Antwort posten, um die Frage zu versenden. Andernfalls müssen wir eine alte doppelte Frage finden, um die Frage schließen zu können.
Die meisten Linearregler können keinen Strom ziehen. Einige können.
Versuchen Sie, R22 auf 1k zu erhöhen. Wenn der Spitzeneingangsstrom auf weniger als den Laststrom begrenzt wird, kann der Regler die Begrenzerstromspitze einfach kompensieren, indem er seinen Ausgangsstrom reduziert. Möglicherweise haben Sie immer noch Probleme mit Eingangstransienten, die schneller als die Reglerbandbreite sind, aber das ist eine andere Frage.

Antworten (2)

Jeder Stromkreis, der mit einer Feldverdrahtung von erheblicher Länge verbunden ist, ist induzierten Spannungen und Transienten ausgesetzt. Wie Sie wissen, müssen Sie Ihre Eingangsschaltung davor schützen, und der einfache RC-Filter, den Sie gezeigt haben, kann sehr effektiv sein. Bei transienter Überspannung besteht das Ziel des RC-Filters darin, den größten Teil der transienten Spannung über R22 abfallen zu lassen, daher sollte R22 so groß wie möglich gemacht werden, ohne das Signal zu verschlechtern. Wie groß, hängt von der Impedanz der Signalquelle und der Eingangsimpedanz (oder Eingangsleckage) der Schaltung ab, die Sie als XBEE_IN_O markiert haben. Normalerweise ziele ich darauf ab, R22 zwischen 10.000 und 47.000 zu bekommen. Je nach Signal müssen Sie möglicherweise den Wert von C1 verringern, damit Ihr RC-Filter die gleiche Zeitkonstante hat. Wenn Sie den Wert von R22 auf diese Weise erhöhen, benötigen Sie R24 nicht, oder es kann 0 Ohm sein.

Another advantage of increasing the value of R22 is that if the diodes clamps have to conduct then the current dumped onto the VCC or GND lines is greatly reduced, so you should see not the VCC line being raised by overvoltage on the signal line.

Another trick you can use with diode clamps, which is useful when the current drain from VCC is very small, is to add a load to the output of the LDO so the current due to overvoltage has a path to ground. A 1k to 2k resistor on the output of the LDO will usually do. However, this is a waste of power that you may not be able to tolerate.

Obwohl eine Diodenklemme recht gut funktionieren kann, sollten Sie sich darüber im Klaren sein, dass sie einen Weg für Rauschen von Ihrer Feldverdrahtung zu Ihrer VCC-Versorgung und GND darstellt, den Sie so sauber und rauschfrei wie möglich halten sollten. Eine bessere Lösung besteht darin, den RC-Filter am Eingang Ihrer Schaltung zu verwenden, aber anstelle von Diodenklemmen einen TVS am Eingang bei IN0 zu verwenden.

Ja, ich habe einen höheren Wert von R22 verwendet und es funktioniert besser. Es fällt mir schwer, TVS-Dioden zu finden, die in dem Spannungsbereich liegen, mit dem ich arbeiten möchte (digikey hat ~ 24). Ich glaube, ich entscheide mich für diesen Typen: nxp.com/documents/data_sheet/PUSB3FR6.pdf
Okay, ich werde tatsächlich einen normalen Fernseher mit einer 9-V-Abschaltung verwenden (viel vernünftiger gefunden) und dann die Schaltung so entwerfen, dass sie mit einer Überladung von 6 V durch den Rest über einen stärkeren Inline-Widerstandswert fertig wird. 0,1 mA scheint eine angemessene Leckage zu sein. Werde es durch den Umfang testen und mich wieder melden.

Alternatives Designkonzept:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Möglicherweise können Sie R2 eliminieren, wenn der Mindestverbrauch anderer Schaltkreise ähnlich ist (einige hundert uA).

Oder finden Sie einen Regler, der Strom senkt. Z.B. LT1118

Also versuche ich, den aktuellen Draw wayyyyy nach unten zu bekommen. Dieses Ding schläft die meiste Zeit seines Lebens, und der Schlafstrom beträgt insgesamt ~ 7 uA (Ruhezustand vom Regler eingeschlossen). Das ist eine coole Lösung, sinkt aber etwas mehr als ich will (lt Spice sagt 250uA). Der Linearregler funktioniert auch, hat aber einen Ruhestrom von 600uA, was wiederum recht hoch ist. Ich denke, ich werde nur den Eingangswiderstand hochfahren, um zu begrenzen, wie hoch die Spitzen den Rest der Schaltung (über den Strom) beeinflussen, und es einen Tag nennen. Meine Signale sind extrem langsam und sind einfach Relaisschließungen, also sollte es kein Problem sein.
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