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经典调试案例:1500V直流电源突发噪声问题溯源

2021-07-01 Gerard Fonte 阅读:
我将示波器的地线夹子移到电源地,在“接地的”同相输入端上发现了噪声。我拿来一些粗连接线,直接从电源地连接到同相输入端。噪声消失了,电路恢复正常。成功了!

我有个客户是一家小制造商,在使用我们公司生产的一批新的 1500V 直流电源时遇到了噪声问题。ye8ednc

我们公司生产这种产品已经有好长一段时间了。设计该产品的工程师早已离开公司,留下来的唯一文档是原理图,它采用了简单的闭环设计。该系统使用一个运放控制振荡器,进而使用一个升压变压器来产生高压,然后对其进行整流和滤波,产生直流输出。一小部分输出电压作为误差信号反馈到运放的反相输入端,以便在必要时调整振荡器频率。其同相输入端接地。ye8ednc

部门经理很确定地跟我说,这一批电源和上一批电源的设计完全一样,没有进行任何修改。然而现在连一个旧电源都找不到了,寒冷中我着急上火得跳起来。ye8ednc

噪声出现在输出端以及进入运算放大器和离开运算放大器的误差信号上。这种情况在闭环系统中很常见,断开回路只会导致电路发生故障。我在该电源上看到了同样的噪声,这可能是发生问题的原因,也可能只是表现出来的一个现象。ye8ednc

我在电源上装了几个电容来滤除噪声。但是没用,还是有噪声。我试着在几处不同的地方加上电容,同样无济于事。ye8ednc

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征得客户的同意,我切断了一些走线,隔离了进入运算放大器的电源。我在正负电源上串联了一个50Ω的电阻,并用100和0.1µF的电容对其进行旁路。这个低通滤波器应该可以去除噪声,为芯片提供干净的电源,然而噪声仍然无处不在。ye8ednc

不过,从这些尝试中我得出了一个重要结论:噪声肯定来自回路本身,而不是来自外部。电源噪声是问题的结果,而不是原因。快速变化的高压输出驱动电源过快,而使三端稳压器无法进行补偿。而且由于经过滤波的运算放大器电源上的噪声仍在产生,这说明运算放大器在不稳定地吸收电流,从而导致其本地电源波动。ye8ednc

我对噪声进行检查,希望发现一点线索,找出产生噪声的根源,但它看起来只是普通的噪声。使用频谱分析仪可能会有帮助,但我手上只有示波器和伏欧毫安表。ye8ednc

我切断回路,看是不是有什么东西正在产生噪声。我刚把回路切断,噪声就消失了,但这样一来,电路却不行了——这进一步证实噪声是在回路内部产生的。我盯着原理图,思考着:一定有一个点,噪声通过那里进入回路。终于,我找到了。ye8ednc

运算放大器的同相输入端是接地的。如果不接地会怎样呢?这里开路肯定会拾取噪声并影响回路。我测量了该引脚对地的电阻,为0.23Ω,这就是欧姆表的引线电阻。胡说!ye8ednc

不过,这确实引起了我思考。一切都表明运算放大器是噪声源。如果它不是来自反相输入端,那只能来自同相输入端。ye8ednc

我将示波器探头放在同相输入端,它像老鼠一样安静。然后我看到示波器的地线靠近芯片。我将地线夹子移到电源地,并在“接地的”同相输入端上发现了噪声。我拿来一些粗连接线,直接从电源地连接到同相输入端。噪声消失了,电路恢复正常。成功了!ye8ednc

显然,有人对 PCB 进行了更改,否则,上一批产品也会出现同样的故障。经理承认PCB确实有一些改变,“但电路没有变。”——只有有心人才看得到变化。ye8ednc

作者Gerard Fonte 是纽约电子产品设计和开发公司 The Pak Engineers的首席工程师。ye8ednc

(原文刊登于Aspencore旗下EDN英文网站,参考链接:Tracing down a noise problem,由Jenny Liao编译。)ye8ednc

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