需要帮助消除LED产生的噪声


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我对电子学,electronics.SE.com都很陌生,这是我的第一个项目,所以如果我的问题缺少某些关键信息,请多多包涵(在这种情况下,请发表评论,我将尝试添加缺少的信息位)。

我建立了一个设备,可以控制106个不同通道中的大约500个LED。基本上,设计是:

  • 1个24V 3A开关电源
  • 1个输出5V的稳压器
  • 1个运行AVR ATmega168的控制板(已连接至稳压器)
  • 106个LED灯串(已连接至24V电源轨)
  • 7个TLC5940(每个16通道)吸收器驱动LED串(这些驱动器从LED吸收其余的24V电压,但其逻辑由5V稳压器供电)。

一切正常,但我遇到了严重的噪音问题,有时会触发设备意外复位

多亏有DSO的朋友,我才能够对此事进行调查,这是我的发现...

噪声位于5V电源轨上,并且噪声很大,整个摆幅为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通道与噪声之间都没有明显的相关性)。在此视频中(很抱歉,找不到在此处嵌入的方式),您可以看到打开的LED的数量会影响噪声的幅度,而其强度(通过PWM控制)会影响噪声的长度。连拍” [有关youtube上视频说明的更多详细信息]。

考虑到我的控制器板运行在16MHz且SPI在250KHz运行,噪声的频率为〜8MHz,这是我不使用的频率(至少没有明确地使用)。

噪音频率

在进行实验时,我意识到即使仅连接探头的接地端子,DSO也会吸收噪声。我将其解释为一种迹象,表明噪声不是由于5V馈电的不稳定,而是由于地平面振荡电势。我对吗?

对电子学来说是一个全新的领域,并且缺乏该领域的正式知识,所以我尝试了“来自Internet”的多种解决方案,但不能百分百地接受,在我的情况下它们是完全有意义的。我尝试过的其他方法包括:

  • 使用1Kohm电阻和100nF电容器构建一个低通滤波器,并将其放置在5V电源轨上,但噪声的幅度变化不大。
  • 用各种不同的电容器(包括一些钽电容器)将5V电源轨去耦[各种额定值](无可见效果)
  • 解耦接地线(使DSO成为香蕉)
  • 将LED,TLC板和DSO接地到我电路的不同部分,包括尽可能“远距”(即,用单独的导线将它们连接到24V PSU的接地端口,以避免接地环路)...但是在这种情况下我也没有运气。

可能是我以错误的方式进行了上述操作(即解决方案是以上解决方案之一,但是我实施了错误的解决方案),所以-如果您认为解决方案是以上解决方案之一,请不要犹豫它,也许给我一些如何正确实施它的指导。

最后说明:由于项目的物理尺寸,我仅使用我从设备上小心卸下的TLC板中的一块进行了所有测试,并使用了一些由5V电源供电的测试LED。但是,在完整钻机上进行的精度较低的测试表明,“真实物体”中的行为与测试读数一致。

预先感谢您的时间和支持!

Answers:


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μμ


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感谢您的回答。一些反应:控制器板(AVR)应该正确解耦,但是下次我在朋友家时也会检查示波器的范围。也将尝试您的建议去耦TLC电源输入。但是,您的言论“它们必须提供大量功率”令我感到惊讶,因为它们的典型功耗确实为16mA(它们只是吸收24V电压)...我是否误解了您要告诉我的内容?将报告此结果,但可能要花几周的时间才能回到朋友的视野中。现在:tnx为您快速回复!:)
mac

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@mac-关于TLC的功能:不好意思,我一定对数据表有误解,并认为它为LED提供了电流。无论如何,PWM控制500个LED的电源(24V)非常沉重,因此实际上需要将其良好地去耦。对困惑感到抱歉。
stevenvh 2011年

好的,现在很清楚。不过,我仍然不明白(任何指向插管上某些页面的指针?)为​​什么将LED馈源(24V)去耦会降低TLC馈源(5V)上的噪声。鉴于5V来自24V的开关调节,我本来希望以19V的净空来保证5V即使在24V电源轨发生较大波动的情况下也“稳定” ...还是我误解了如何去耦应该帮助芯片吗?
Mac

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@mac-Simon讲述了24V PS和LED之间的长电缆。鉴于LED处于高频开关状态,因此您构建了漂亮的天线来传输此高频信号,这可能就是5V PS拾取,辐射而未传导的东西。但是,即使在无法解耦的情况下(例如,模拟IC内部),也可以通过去耦电容器抑制甚至辐射EMI。
stevenvh 2011年

这次真是万分感谢。现在,我开始理解这个问题,并且意识到将每个字符串分别去耦将是一件艰巨的工作。:(如果这是挽救我的项目的唯一方法,我当然会这样做,但是我想知道...鉴于我有106个活动通道,但只有7个TLC板,有没有一种方法可以防止这些板“拾取”我是问,因为修改板的工作量比字符串少了85%...再次:非常感谢您一直以来的奉献和专业知识答案!:)
mac

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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,您是否真的在将24 V电源与TLC5940一起使用?

5 V电源轨上有2.55 Vpp噪声吗?如此糟糕,以至于让我怀疑这可能不是真实的-也许您的5 V电源轨很好,但是某些东西产生的磁场是如此之强,以至于从“示波器探头”到“示波器”的导线像天线一样,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. 尝试通过重新布置电线来减少电磁噪声
  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

您的大电流环路从+12 VDC电源到LED链的一端,通过LED链,到达TLC输入引脚,从TLC接地引脚流出,再回到电源的GND连接器,然后再次断开+12 VDC连接器。该回路产生的磁场是该回路的面积(可以通过不同方式布置导线来控制)的面积乘以该回路的电流(您几乎无法控制)的面积。

尝试最小化此循环的面积。考虑将此循环分为两部分:

低频回路:一对导体,从电源到连接到TLC芯片附近的大电容器的电缆中,或多或少直接将电容器连接到电源上的+12 VDC和GND连接器。TLC芯片的GND也连接到该电容器的一端。(也许是一个470 uF的大电容与一个10 uF的陶瓷电容并联)。

高频回路:从TLC芯片到LED链的电缆中的双绞线。将TLC芯片输出连接到一个小的电阻器(也许10欧姆?),并将该电阻器的另一端连接到双绞线的一根导体上。将该对中的另一根导线连接到TLC芯片附近大电容器的+12 VDC侧。

正如火箭外科医师指出的那样,低通滤波器可能会有所帮助:

  • RC低通滤波器:从该小电阻器的电缆侧到GND的一个很小的电容器可能会有所帮助,但那里的电容器太大会破坏PWM调制
  • 铁氧体低通滤波器:铁氧体扼流圈围绕整个电缆或2个铁氧体磁珠,一个在双绞线的每个导体周围,或两者都可能有帮助。

由于似乎 TLC不需要连接到+12 VDC,所以很容易用可能产生最坏环路的方式对事物进行接线:12 VDC电源上的分立“ +12 VDC电线”到LED链的顶部,有足够的空间供人站立在电线和返回路径之间(通过LED链的返回路径,然后从LED链的底部到TLC,再从TLC的地面针脚回到电源),回路面积超过一平方米,会产生大量的电磁噪声。

(也许在这里有一个图表可以使它更清楚...)

调节器过滤

电源真的有能力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可能不支持快速浪涌脉冲?

+12 VDC线路上的大摆幅可能是由于CMRR不足而通过5V稳压器耦合的,或者甚至+12 VDC线路被拉得太低以至于5V稳压器“掉线”得足够低以重置您的其他设备?

我首先要进行快速测试:从第二个电源(例如+10 V电源)驱动+ 5V稳压器,该电源与驱动LED的+12 V电源完全独立,除了GND连接电源之外。

如果第二个电源似乎可以解决问题,则可能需要更多的调节器滤波,才能使系统使用单个电源运行:也许您只需要在+12 VDC至调节器的Vin引脚的路径中添加一个小的电阻器和二极管即可。 。也许还需要在稳压器的Vin引脚与GND之间增加更多或更大的电容器。

最佳去耦帽

如果您确切地知道噪声频率是多少,最好用去耦电容来抑制,即在那些频率下阻抗最低的电容。(在这些频率下,物理电容器的实际阻抗,而不是由1 / jwC计算出的理论阻抗)。您使用的“阻抗与频率图表”如下所示:

阻抗与频率图示例

(摘自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,大电容值是最佳的。在非常高的频率下,最好使用物理尺寸小的封装。

Murata芯片单片陶瓷电容器目录的第61页上有一个实际的阻抗-频率图。


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您的声音不是随机的,看起来像是在响。

  • 实际上,该电路是一个高频脉冲源,具有急剧上升/下降的趋势,被加载到电感电缆上,并在末端具有封闭的LED电容。

  • 电缆的电感在纳亨,微亨范围内

  • 每个LED的电容约为几pF

因此,建议的答案可能是在PWM输出和负载之间添加低通滤波器。

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