在消除 LED 产生的噪音方面需要帮助

电器工程 电源 引领 噪音
2022-01-14 18:38:39

我对电子产品和electronics.SE.com 非常陌生,这是我的第一个项目,如果我的问题遗漏了一些关键信息,请多多包涵(在这种情况下,只需发表评论,我会尝试添加缺失的位)。

我已经构建了一个设备,可以控制超过 106 个不同通道的大约 500 个 LED。基本上设计是:

  • 1 个开关 24V 3A 电源
  • 1个输出5V的稳压器
  • 1 个运行 AVR ATmega168 的控制板(连接到稳压器)
  • 106 个 LED 灯串(连接到 24V 电源轨)
  • 7 个 TLC5940(每个 16 个通道)用于 LED 串的灌电流驱动器(这些灌电流从 LED 汲取剩余的 24V,但它们的逻辑由 5V 稳压器供电)。

一切正常,但我遇到了严重的噪音问题,有时会触发我的设备意外重置

感谢一位拥有 DSO 的朋友,我能够调查此事,这些是我的发现......

噪声在 5V 电源轨上,相当大,整体摆幅为 2.55V。SPI通道都相对不受影响:

噪声形状和幅度

噪声似乎是由 LED 产生的,而不是由 SPI 传输数据产生的(任何 SPI 通道与噪声之间没有明显的相关性)。在此视频中(抱歉,找不到将其嵌入此处的方法),您可以看到点亮的 LED 的数量会影响噪声的幅度,而它们的强度(通过 PWM 控制)会影响噪声的长度“爆裂”[有关 youtube 上视频描述的更多详细信息]。

噪声的频率为 ~8MHz,这是我不使用的频率(至少没有明确使用),因为我的控制器板以 16MHz 运行,而我的 SPI 以 250KHz 运行。

噪声频率

在进行实验时,我意识到即使仅连接了探头的接地端子,DSO 也会接收到噪声。我将此解释为一个迹象,表明噪声不是由于 5V 馈电的不稳定性,而是由于地电平的振荡电位我对吗?

作为电子产品的新手并且缺乏该领域的正式知识,我尝试了许多“来自互联网”的解决方案,诚然,在我的情况下,它们并不是 100% 完全有意义的。其中我尝试过:

  • 使用 1Kohm 电阻和 100nF 电容构建低通滤波器,并将其放置在 5V 电源轨上,但噪声幅度没有太大变化。
  • 用各种不同的电容器(包括一些钽电容器)去耦 5V 电源轨 [各种额定值](无明显效果)
  • 解耦地线(使 DSO 变成香蕉)
  • 将 LED、TLC 板和 DSO 接地到我电路的不同部分,包括尽可能“远离”(即用单独的电线将它们连接到 24V PSU 的接地端口以避免接地回路)......但是在这种情况下,我也没有运气。

很可能是我以错误的方式进行了上述操作(即解决方案是上述之一,但我实施错误)所以 - 如果您认为解决方案是上述之一,请毫不犹豫地告诉它,也许会给我一些关于如何“正确”实施它的方向。

最后说明:由于我的项目的物理尺寸,我只使用我从钻机中小心取出的一块 TLC 板进行了所有测试,并使用了一些由 5V 电源供电的单独测试 LED。然而,对完整装备的不太准确的测试表明,“真实事物”中的行为与测试读数一致。

提前感谢您的时间和支持!

3个回答

罪魁祸首不是 LED 本身,它们是无害的,而是 TLC5940,它以高频率切换以通过 PWM 控制 LED 亮度。您无法过滤 PWM 输出(可以,但亮度控制不再正常工作),所以它已经过时了,但您可以尝试对电源进行去耦。不保证工作,示波器的探头拾取未连接的信号这一事实表明它可能是辐射的,但值得尝试。
正确解耦 TLC5940。它们必须提供大量功率,因此这意味着每个设备的电源上都并联了 100\$\mu\$F、1\$\mu\$F 和 100nF,这是最靠近引脚的最小值。
将 5V 电源正确解耦到微控制器:100nF 靠近引脚。

当TLC5940 数据表的第一页明确指出输出引脚上的绝对最大电压额定为 +18 V时,您是否真的在 TLC5940 上使用 24 V 电源?

5 V 电源轨上的 2.55 Vpp 噪声?太糟糕了,这让我怀疑它可能不是真实的——也许你的 5 V 电源轨很好,但是有东西产生了如此强大的磁场,以至于从你的“示波器探头”到“示波器”的电线就像天线一样,正在拾取 2.55 Vpp 的噪声。

如果我是你,我的下一步将是:

  1. 使用低于 TLC5940 数据表第 3 页中提到的“17 V MAX Vo”的电源——12 VDC 和 15 VDC 电源很常见。
  2. 尝试通过重新排列电线来降低磁噪声
  3. 为 5V 稳压器添加更多滤波
  4. 仔细阅读并尝试应用避免噪音提示。

磁噪声

您的大电流回路从 +12 VDC 电源运行到 LED 链的一端,通过 LED 链,到 TLC 输入引脚,从 TLC 接地引脚流出,返回到电源的 GND 连接器,以及再次拔出 +12 VDC 连接器。这个回路产生的磁场是这个回路的面积(你可以通过不同的电线排列来控制)乘以这个回路的电流(你几乎无法控制)。

尽量减少这个循环的面积。考虑将这个循环分成两部分:

低频回路:一对导体,在从电源运行的电缆中连接到 TLC 芯片附近的一个大电容器,或多或少地将该电容器直接连接到电源上的 +12 VDC 和 GND 连接器。TLC 芯片的 GND 也连接到该电容器的一端。(可能是一个 470 uF 的大电容与一个 10 uF 的陶瓷电容并联)。

高频环路:双绞线导体,位于从 TLC 芯片到 LED 链的电缆中。将 TLC 芯片输出连接到一个小电阻(可能是 10 欧姆?),并将该电阻的另一端连接到双绞线的一个导体。将该对的另一根导体连接到 TLC 芯片附近大电容器的 +12 VDC 侧。

正如 Rocket Surgeon 外科医生指出的那样,低通滤波器可能会有所帮助:

  • RC 低通滤波器:从那个小电阻的电缆侧到 GND 的一个非常小的电容器可能会有所帮助,但是一个太大的电容器会扰乱 PWM 调制
  • 铁氧体低通滤波器:围绕整个电缆的铁氧体扼流圈,或 2 个铁氧体磁珠,一个围绕双绞线的每个导体,或两者兼而有之,可能会有所帮助。

由于TLC似乎不需要连接到 +12 VDC,因此很容易以产生最坏回路的方式进行接线:来自 12 VDC 电源的离散“+12 VDC 线”到 LED 链的顶部,有足够的空间让一个人站在该导线和返回路径之间(返回路径通过 LED 链,然后从 LED 链的底部到 TLC,然后从 TLC 的地销回电源),具有超过一平方米的环路面积,产生大量的磁噪声。

(也许这里的图表会更清楚......)

稳压滤波

电源真的能够处理这么大的电流吗?电源和系统其余部分之间的长电缆是否无法支持快速浪涌脉冲?

由于 CMRR 不足,+12 VDC 线路上的波动可能很大,可能通过 5V 稳压器耦合,或者甚至可能 +12 VDC 线路被拉得太低,以至于 5V 稳压器“掉线”低到足以重置您的其他设备?

我会先进行快速测试:从完全独立于驱动 LED 的 +12 V 电源的第二个电源(例如 +10 V 电源)驱动 +5V 稳压器,除了连接电源的 GND .

如果第二个电源似乎可以解决问题,也许更多的稳压器滤波将允许系统使用单个电源运行:也许您只需要在从 +12 VDC 到稳压器的 Vin 引脚的路径中添加一个小电阻和二极管. 也许还可以从稳压器的 Vin 引脚到 GND 添加更多或更大的电容器。

最佳去耦帽

如果您确切知道噪声频率是多少,那么抑制这些频率的最佳去耦电容是具有最低阻抗的电容。物理电容器在这些频率下的实际阻抗,而不是由 1/jwC 计算的理论阻抗)。您使用如下所示的“阻抗与频率图表”:

阻抗与频率图表示例

(来自 Tamara Schmitz 和 Mike Wong。“选择和使用旁路电容器”。)

这样的图表总是表明,在非常低的频率下,大电容值是最好的;在非常高的频率下,体积较小的封装是最好的。

Murata Chip Monolithic Ceramic Capacitors catalogue的第 61 页上提供了真实的阻抗与频率关系图

你的噪音不是随机的,而且看起来像响铃。

  • 实际上,该电路是一个高频脉冲源,其急剧上升/下降加载到感应电缆上,末端带有闭合 LED 的电容。

  • 该电缆具有纳亨利、微亨利范围内的电感

  • 每个 LED 的电容约为几 pF

所以建议,答案,可以是在 PWM 输出和负载之间添加低通滤波器。