LM2940 LDO-Regler Instabilität, Hochfrequenzschwankungen

Ich stoße auf einige Instabilitäten in meiner geregelten Spannungsversorgung. Kurz gesagt, das System besteht aus einem Hochleistungs-AC-Gerät und einem MCU-Subsystem, das für die Automatisierung verwendet wird. Der Transformator erzeugt die erwartete Ausgabe und diese ist vollwellengleichgerichtet und geglättet (etc etc ...) wie bei vielen meiner früheren Designs. Ich habe jedoch festgestellt, dass höherfrequente Spannungsschwankungen vom LM2940 nicht richtig reguliert werden, was zu einem zeitweiligen Brown-Out der MCU führt.

Eine Oszilloskopmessung zeigt, dass diese Schwankungen um ±0,7 V auf beiden Seiten der gewünschten 5 V und bei einer Frequenz von etwa 18 MHz liegen:

Spannungsschwankungen

Hat jemand eine Idee, wie ich diese Ausgabe stabilisieren könnte? Oder bieten Sie einen alternativen Regler an, der bei hoher Frequenz linearer ist (wie in dieser Antwort vorgeschlagen )?

Als Referenz ist dies das LM2940-Datenblatt .

Jeder Rat oder Hinweis wird sehr geschätzt!

EDIT: Schema des Regelkreises. Die 3,3-V-Regulierung kann ignoriert werden, da ich den 5-V-Ausgang mit und ohne die 3,3-V-Regulierung getestet habe ... mit der gleichen resultierenden Ausgabe.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

BEARBEITEN: Der Ausgangskondensator C3 ist ein 100 uF Vishay SMD Tantalum, Teilenummer TR3C107K010C0100, mit einem maximalen ESR von 0,1 Ω

Hast du auch den Eingangskondensator (0,47µF)
Layout und Schaltung sind entscheidend. Weniger entscheidend ist ein Bild der Wellenform der Ausgangsspannung, zumal wir nicht wissen, welche schlechten Sondierungstechniken Sie möglicherweise verwendet haben.
Was ist die Eingangsspannung? Sie haben 5 V im Schaltplan, die nicht funktionieren können. Ich habe den LM2940 in einer Reihe von Designs ohne Probleme mit Tantal-Eingangs- und -Ausgangskappen verwendet. Wird der Oszilloskop-Trace unter Last angezeigt? Was ist mit einer einfachen Widerstandslast bei gleichem Strom, hat sie das gleiche Problem?
Wenn die Schaltpläne stimmen, ist Ihre Eingangsspannung zu niedrig, der LDR benötigt etwas Headroom zum Regeln (wie viel hängt von Ihrer tatsächlichen Last ab). Warum haben Sie auch 18 MHz 1,4 V Welligkeit?
@KevinWhite, das 5-V-Netzlabel stellt die niedrigste gemessene Ausgabe der Gleichrichterschaltung dar. Die durchschnittliche Spannung am Eingang beträgt etwa 6,5 ​​V. Das Datenblatt gibt die Abfallspannung mit 0,8 V (@1Amp) an, daher glaubte ich, dass 5 V in einem stabilen Bereich liegen. Vielleicht habe ich diese Angabe falsch verstanden? Ich verwende auch Tantalkappen für Eingang und Ausgang.
Tom - siehe Ergänzungen zu meiner Antwort auf ESR. Können Sie die genaue Teilenummer von Farnell und/oder Vishay nennen?
@RussellMcMahon, die genaue Vishay-Teilenummer lautet TR3C107K010C0100. Hier ist der Lieferantenlink: uk.farnell.com/vishay-sprague/tr3c107k010c0100/…
@TomWilson - Gut, danke. Das sind 0,1 Ohm ESR, was es an den unteren Rand des stabilen Bereichs unter etwa 150 mA Last bringt, wenn es beim Löten bei oder unter dem Nenn-ESR liegt und der Regler sich um 100 kHz kümmert :-). Unter 100 kHz ist es höher (was besser ist) und/aber die Delta-Änderung beim Löten macht es wieder höher und bei sehr niedrigen Frequenzen ist es wieder 2x bis 4x höher und ................ .......... Aha!!! | Ausprobieren :-). | Tritt dies bei keiner / niedrigen / hohen / allen Lasten auf? Was passiert, wenn Sie zwei parallel verwenden? ....
.... Was passiert, wenn Sie einen Widerstand von zB 0,22 Ohm in Reihe schalten? Was passiert, wenn man einen toten Fisch darüber wedelt? Was .... ? :-) dh das Problem kann die Ausgangskappe ESR sein, und möglicherweise nicht. Den Lastbereich zu kennen, ist im Laufe der Zeit schlecht und was bei Laständerungen passiert, wäre ärgerlich. || Wie ist das gebaut - Vero, PCB, Dead Bug, Steckbrett? Wenn es ein Steckbrett ist, müssen wir es wissen - und alle Wetten sind aus. Andere können wichtig sein.
@RussellMcMahon, vielen Dank für die zahlreichen Wege, die es zu erkunden gilt. Ich werde einige Ihrer Empfehlungen ausprobieren und aktualisieren, wenn (ich bleibe optimistisch) ich es gelöst habe. Das System befindet sich auf einer Platine mit Masseebene, hier kein Steckbrett :-)

Antworten (2)

Haben Sie ihren obligatorischen Rat bezüglich des Ausgangskondensators befolgt?

(1) COUT muss mindestens 22 μF betragen, um die Stabilität aufrechtzuerhalten. Kann ohne Verpflichtung erhöht werden, um die Regulierung während Transienten aufrechtzuerhalten. So nah wie möglich am Regler aufstellen. Dieser Kondensator muss über den gleichen Betriebstemperaturbereich wie der Regler ausgelegt sein und

(2) der ESR ist kritisch – siehe Kurve.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Hinzugefügt:

C3-100uF ist ein SMD-Tant: farnell.com/datasheets/1923401.pdf Mit maximalem ESR (@100kHz) = 0,225Ω.

Festzuschreiben, was Hersteller wirklich meinen, kann eine Herausforderung sein.
Die einzigen Kondensatoren mit 225 MilliOhm ESR in diesem PDF scheinen nicht 100 uF zu sein, außer einem 4-V-Kondensator - ABER die Franell-Website hat eine Nummer, die zu passen scheint.

NB - in dem von Ihnen zitierten PDF heißt es:

" ... Feste Tantal-Chip-Kondensatoren mit niedrigem ESR ermöglichen nach der Montage einen Delta-ESR von 1,25-mal der Datenblattgrenze."

dh der ESR nach dem Löten kann einen " Delta- ESR" (ihr Begriff) von 125% über dem Datenblattwert haben - sie sagen NICHT 125% des ds-Werts, sondern DELTA - was impliziert, dass der Endwert <= 2,25 des Datenblattwerts sein kann danach Löten. Ob dies wirklich ihre Absicht ist, ist unbekannt.

Sie zitieren den ESR bei 100 kHz. Das Vishay-Datenblatt zeigt die Änderung der ESR mit der Frequenz. Bei 2 x Netzfrequenz kann sie 2x bis 4x höher sein. Ihre Schwingungen liegen bei 18 MHz, wo der ESR hoffentlich sehr niedrig ist. Ob der 120- oder 100-Hz-ESR relevant ist, steht fest, ABER da Sie eine 2-fache Netzeingangswelligkeit haben, mit der der Regler fertig wird, kann dies der Instabilitätsauslöser sein.

Da Ihr ESR möglicherweise zu hoch ist (so scheint es), würde ich parallel eine andere Kappe ausprobieren.

Und auch separat einen Widerstand in Reihe für die Gürtel- und Hosenträgerabdeckung :-)

Der Betrieb von einer reinen DC-Versorgung zum Testen KANN Ihnen zeigen, ob Netzwelligkeit der Auslöser ist (und möglicherweise nicht).

+1 Mir ist nicht ganz klar, welchen Effekt das Hinzufügen relativ großer Bypass-Kondensatoren mit extrem niedrigem ESR (z. B. Keramik) parallel zu einer konformen 22-uF-Kappe hat. Ich denke, wenn das Layout zu gut ist (z. B. Masseebenen ) . könnte noch schwingen. Dieser Chip ist älter als große billige Keramikkappen, denke ich.
Hallo Russel, danke für das Feedback. Ich glaube, dass ich mich an die Richtlinien im Datenblatt gehalten habe. Bitte sehen Sie sich die aktualisierte Frage mit dem beigefügten Schema an.
Ich habe in meinem PCB-Design eine Masseebene verwendet. Könnte das zur Schwingung beitragen?
@Tom Wilson: Wenn Sie diesen pingeligen Regler verwenden möchten, müssen Sie sich grundsätzlich ein ESR-Messgerät besorgen oder selbst bauen und die Ausgangsobergrenze messen. Geben Sie in Ihrer Frage zumindest das genaue Kappenmodell an (nicht nur seine Kapazität). Was Spehro Pefhany sagt, ist, dass, wenn Sie eine Masseebene haben, andere Kondensatoren auf Ihrer Platine, die parallel zu 100 uF sind, Probleme mit diesem Regler verursachen können.
(Fortsetzung) zum Beispiel das 100nF C4, weil es einen viel niedrigeren ESR hat. Ein Bild von Ihrem Board-Layout wäre aufschlussreich.
@Spehro Pefhany: Wenn C4 das Problem verursacht und C3 allein in Ordnung wäre, würde das Hinzufügen einer kleinen Induktivität zwischen diesen beiden auf der Stromschiene das Problem beheben?
@RespawnedFluff A 100m Ω Widerstand könnte sicherer sein.
@TomWilson Nützlicher als "Ich glaube ..." wäre eine Beschreibung, WIE Sie dies getan haben. Welche 100-uF-Kappe verwenden Sie und wie hoch ist ihr ESR? Sind die Schwingungen bei Belastung und Entlastung? Beachten Sie, dass der sichere ESR in dem von mir geposteten Diagramm unter etwa 150 mA Last fällt. Bei einem maximal zulässigen ESR von 1 Ohm hätte eine Kappe der Panasonic S-Serie von zB 100 uF 16 V einen zu hohen ESR (gemäß meinen BOTE-Tan-Delta-zu-ESR-Zahlen).
@RussellMcMahon, C3-100uF ist ein SMD-Tant von Vishay, Teilenummer: TR3C107K010C0100 Mit maximalem ESR (@100kHz) = 0,1Ω. – Tom Wilson vor 3 Stunden

Diese TR3C107K010C0100-Kappe ist im Grunde Ihr Problem. Wenn Sie sich Seite 18 in seinem Datenblatt ansehen, fällt der ESR (für die 330-uF-, 6,3-V-Variante) auf 0,03 Ohm bei 200 kHz, genug, um außerhalb (unter) dem sicheren Band für diesen LDO zu sein. Ihre 100 uF (ebenfalls 6,3 V) nehmen möglicherweise höhere Frequenzen auf, bevor dies geschieht, aber wenn sie MHz erreicht, tut sie dies wahrscheinlich auch. Leider sind die Daten zum minimalen ESR eher lückenhaft (zum Beispiel nichts für den Fall "C"), also müssen Sie nur anhand dieser beiden Diagramme schätzen (oder ein ESR-Messgerät besorgen und es messen, oder sogar nur mit Ihrem Oszilloskop und einer Funktion gen das kann diese MHz-Frequenzen treffen, bei denen Sie Schwingungen sehen.)

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich werde hinzufügen, dass dies (ESR zu niedrig bei Keramik) ein allgemeines Problem mit LDOs ist: ti.com/lit/an/slva115/slva115.pdf
Die vorgeschlagene Lösung (in diesem Anhang, Abbildung 7 vs. 6) besteht darin, einen Widerstand von etwa 1 Ohm (in Ihrem Fall vielleicht nur 0,5 Ohm) in Reihe mit der Keramikkappe hinzuzufügen.
Der Ausgangskondensator-ESR ist in der Tat ein allgemeines Problem bei vielen LDOs, und ein Problem besteht darin, dass Kondensatorhersteller maximale ESRs angeben, aber nicht den (ebenso wichtigen) minimalen ESR.
LM2940 LDO-Regler Instabilität, Hochfrequenzschwankungen
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