DCDC上的输出电容比较烫手

之前的文章中提到可能是纹波导致输出电容发热,经过这几天的学习和胡乱揣测,我现在感觉并不一定是纹波导致的、倒更像是“输出电容自谐振振铃”导致的发热。

个人感觉,输出纹波是与SW开关同频率的波形,也就是每一次SW将能量输送到输出端,这个“输出能量”会同时为负载供电、为输出电容充电,必然会有一个小小的电压升高。反之,当SW导通时,原边开始蓄能、此时的副边只能依靠输出电容进行能量的继续提供,因而电压必然会有一次短暂的跌落。

上述过程中,对于输出电容位置,就会随着SW开关的关闭、导通,形成电压的提升、跌落。这样形成的电压波动,是与SW开关频率相同的,是为“纹波”。由此可以看出来,输出电容的容量越大,纹波相对就会越小;反之,输出电容的容量越小、则纹波幅度就会越大。

这样在输出位置上的电压波形,也就会作用在负载上、作用在输出电容上:

对于后面的负载,这样的电压波动显然是有害的,暂且不论。而它作用在输出电容上,就会令输出电容的ESR产生功耗,从而发热,这一点应该也是显而易见且可以解释的。

然而我使用的输出电容高达820uF,并且ESR相对比较小——只有30-45mΩ左右。如此巨大的输出电容,按理来说纹波就会比较小、甚至可以认为输出是平缓的。然而实际上这颗820uF的输出电容发热还是非常严重的。

电容上不仅仅有寄生的ESR,还会有寄生的ESL,如此看上去似乎只有一颗C,事实上它的内部是一个完整的LCR串联结构。因为LC串联产生了谐振,从而导致除了纹波之外,还有“电容自谐振”现象。又因为这个“电容自谐振”有着如下两个特点:

1、它是在每一个SW开关周期内的开始时刻产生的,大约会震荡5-20次,因而其频率至少是SW频率的5-20倍;关键是它并非填满整个SW周期,只在SW开始时的1/10时间内产生,因而其频率是SW频率的50-200倍。如此推算,对于25kHz的SW频率,那么输出电容上的自谐振频率就可能高达750kHz-5GHz;

2、这个谐振会快速的(5次)消减、当然也可能相对慢一些(20次)的消减下去。无论快慢,它就是在每一次自己产生谐振之后就逐渐消减下去的,宏观上看是一个被“包络线”包裹的波形,因而也被称作“振铃波形”。这个振铃中最大的峰值出现在第1-3次上,其瞬时电压可能会远远超过预期的输出电压,因而其瞬时电流也就会非常非常的大;

我现在感觉输出电容之所以发热严重,恰恰就是这个振铃中的“第1-3次”产生的巨大电压和电流,作用在电容的ESR引起的。

虽然可以通过在输出电容旁边并联一些MLCC电容得到缓解,但是还没有很详尽的数据和实验来证实、并且量化效果。

好在我做的这个电路板,已经有了一个初步的形态,接下来只要时间、精力、财力允许,我想就可以继续在这个课题上多花一些时间进行钻研与学习了。

PS:以上提到的输出电容非常烫手,是在使用电子负载测试5V4A时的情况。实际上当前这块电源板在驱动树莓派时(单纯的只是将树莓派点亮、并没有跑太大的应用时),板子的温度还是比较低、手感感觉只有上面的变压器是温的,输出电容几乎没有温度。

每天学习一些新的知识,尽可能保持自己的学习动力。

Related Posts

电容选型备忘

以下是当前的选型和可能的问题: 位置 型号 尺寸 容值/耐压 ESR 单价 主边 RYHV100V68UF10*10 D10L10.5 68uF/100V 45mR ¥2.43 副边 HV0J827M0607PZ D6.3L7.7 820uF/6.3V 22mR ¥0.99 感觉这两个电容的ESR都太大了,重新考虑更换一下。主边电容我感觉应该是没有问题的,原因是主边电容存在的意义是“稳压”而不是“蓄能”(稳压方面则也分为电压跌落稳压和电压突升稳压,这里这颗电容更多的应该是稳定电压跌落)。从PSE设备输出的电压/电流,应该可以近似认为是“恒流的”,这是因为PSE设备是“大品牌”的产品,它们的输出能力不会太“拉跨”。当然,如果PSE的确是质量很差的,那么对于我而言,主边电容就要更甚重的进行选择、甚至是对主边的输入单元内各IC进行更多的优化,才能确保拥有干净平直的输入电压。 但我想把问题简化一下:姑且认为前面的PSE能够给我一个非常稳定的电压,那么我的主边电容就只担负着偶尔的稳压作用。甚至大胆一些的说,主边电容即使不存在,也是可以的。 之所以要做如上的假设和简化,是因为我想将现在的问题焦点更聚焦一些:当前遇到的问题就是输出电容、输出电压、尤其是输出电压上存在的纹波的问题。 上面是简化之后的示意图,按照上面提到的,C18现阶段认为是稳压电容,因而可有可无。对我而言真正的问题出现在C19这颗电容上:它的存在引起了纹波、且纹波巨大。 状态 型号 尺寸 容值/耐压…

树莓派(4)内置变压器的RJ45网口

手中的树莓派3B+,相比3B多了一个PoE受电功能,可以直接从PoE网口上获取电能。究其原因是这台电脑的RJ45网口并不是简单的网口,它内置了一套隔离变压器系统。 我现在手中的这台,RJ45上面丝印是TRJG0926HENL,但是按照这个丝印找不到完全相似的,但我找到了一个LPJG0926HENL,应该是完全一样、可以平替的,商品在这里。 当然淘宝有更便宜的,不过淘宝上面那些便宜的会注明是原装正品9元、高仿品8元。我觉得它们这样注明了原装品和高仿品,反而让我不敢下单购买。谁知道这些所谓的“原装正品”会不会是“高高仿品”? 索性还是从相对更稳妥一些的IC一站式采购平台购买,更稳妥、安全一些。反正这个RJ45也不是很贵,单颗26元左右,我想买回来一颗上手把玩一阵,价格上还是可以接受的。 从这个地址能够看到Pi3B+中相关部分的电路图,主板上引出来的4Pin并没有奥秘在其中,只是单纯的将RJ45中相关的引脚直接引出来就可以了,所以等RJ45到了我手,可以很方便的仿照这个电路将4Pin找到,并通过现在手中现成的PoE-HAT取电出来,如果不出意外,应该能够成功取出5V2.5A的电来。

鼠标学习笔记(2)ADNS5090功能特性

功能特性: 1、低功耗架构;2、小型化尺寸;3、可对轮询周期、响应时间进行编程调整;可在不同模式之间切换以达到节能模式;4、可根据表面环境的明亮度,智能的调整LED电流;5、高速的动作检测能力,可达30ips和8G的性能;5、动作检测的外部中断输出功能;6、内置晶振;7、分辨率可达1750cpi;8、可支持低压(2.8V)运行;9、四线串口接口;10、外围组件构成简单。 应用领域: 1、光学光电鼠标、光学光电轨迹球;2、集成的输入设备;3、电池供电的输入设备。 对上面这些介绍中的专业术语、物理量(例如cpi、ips等)并不清楚是什么含义。等到后面学习、遇到再重新理解。以上翻译基本就是按照datasheet中的英文,直接翻译的。具体都是什么含义现在可以说是“一无所知”。

树莓派(3)新入手了一块3B+的主板

考虑到树莓派4B实在有些昂贵,所以我最终没有购买,而是选择了一个相对更便宜的树莓派3B+。得益于前些天新买的一个带有POE功能的交换机,现在桌子上摆放着的3B+是没有通过电源供电、而是直接从网线取电运行的。 我原本以为使用了POE这样“先进”的技术,桌面上能够更整洁一些,然而事实是:桌面上并没有因为少了一根电源线而有任何更整洁的迹象,恰恰相反——因为桌子上瞬间又多了显示器、键盘、鼠标……所以现在我的桌面更加凌乱了。 使用电脑这么多年,总是幻想着桌面能够整洁到好像“苹果广告海报”那样干净、清爽。然而现实非常残酷,桌面上总会因为各种各样的线材而凌乱不堪。几乎每半年左右,就要彻头彻尾的收拾一遍,但好景不长,无论收起来多少东西,始终是乱七八糟。无线,只是一个可望不可及的愿望。 现在既然用上了3B+,那么显然之前的3B又没有用武之地了。更让我感到烦躁的是,我还有个第一代的树莓派,也一直在吃灰啊。这么多食之无味、弃之可惜的小硬件,也同样在侵占着空间,可我又实在想不出有什么办法能利用它们,这可该如何是好? 树莓派自从3B+型号开始,便开始支持了POE特性。但是最初官方提供的POE HAT,似乎存在着比较严重的问题(https://www.martinrowan.co.uk/2018/09/raspberry-pi-official-poe-hat-fail-if-you-want-to-use-the-usb-ports/),导致树莓派官方对其进行了召回。后来又推出了改进版本,并有人进行了这个改进版的评测(https://www.martinrowan.co.uk/2018/11/raspberry-pi-poe-hat-official-modified-version/)。 上面提到的这两篇文章,我想如果有时间,应该详细的阅读一下,以便对POE这个技术,有所了解。 树莓派3B+是2018年3月发布的,之后在2018年8月24日,官方宣布POE HAT设备发布。然而这款POE HAT却被网友讨论存在着诸多的缺陷: 主要缺陷是在使用POE供电的树莓派3B+上,任何一个USB接口都无法再稳定的工作,一旦通过USB接口接入设备,树莓派便会发出过流检测警告、甚至因电流过流而触发保护动作; 次要的问题是这款官网的POE HAT存在着明显的电感啸叫问题、散热风扇控制逻辑存在缺陷、以及硬件外形与树莓派主板和外壳存在兼容性干涉等。 上面提到的主要问题和次要问题中,主要问题是致命的:在实际的应用场景中,利用树莓派及它的USB连接外部设备,是十分常用的情形。无法正常使用将严重的影响树莓派的实际应用价值。 在这篇文章的总结及后续追踪中,比较明确的提出了问题产生的本质原因:POE HAT的DCDC芯片MP8007在输出端缺少滤波、从而产生了较大的纹波,此纹波直接影响到树莓派主板上的USB控制芯片,从而引发了问题。 备忘:带有隔离机制的POE PD模块: https://www.mouser.com/datasheet/2/472/ug485_si3404c3isofbevb-2507996.pdf

树莓派(2)放弃第一代、改用3B

前几天摆弄树莓派1,结果发现它实在是太慢了,幸运的是找到了一个更新的型号。我并不知道找到的是3B,我一直以为找到的是4B。结果今天准备再摆弄摆弄的时候,感觉它和网上的图片不一样,于是仔细看了一下,才发现原来是RaspberryPi3B。 而且我今天才知道原来即便是“第三代”,也分成Raspberry Pi 3B和Raspberry Pi 3B+两个不同的型号。 这里我有几个不理解的地方:3B和3B+有什么区别么?既然有区别,为什么还都要称为“第三代”、而不是直接依据区别就直接升代?另外,3B中的B又是什么意思? 为什么3B和3B+都是“第三代”? 原因在于它的核心架构并没有升级,依然是在相同的硬件架构体系下的“性能优化”,所以只会在尾缀上进行调整,不会升代。 可以理解成3B+中的“加号”就是Plus的意思,是“加强版”。这里主要加强了CPU的封装散热形式,此外就是网卡支持了POE供电机制,还有其他一些细节升级,我并没有过多的挖掘。 其中的B这个字母,是“完整版”的含义,除了B,还有A是精简版的含义。例如同样是第三代,既有3A精简版、又有3B完整版两种不同的硬件裁切版本。 了解了这些之后,我又有了入手一个Raspberry 4B+的念头了。

树莓派(1)都已经2025年了,我还在摆弄Pi1

今天翻箱倒柜,发现只有一个树莓派1在身边,好在经过一番折腾,把它收拾好了、用上了。 SD卡,16GB的,Class4速度,使用镜像安装工具,将RaspberryOS的Lite版装上; 键盘我手中虽然很多,但是试了几个USB的,都不能正常使用。后来找到一个非常便宜的USB小键盘,能用。这一点并不奇怪,现在很多USB键盘的协议都有缺陷,反而是廉价的那款键盘,更古老,协议中没有错误。 因为第一代树莓派没有Wifi,所以无法联网。好在我手中还有一个USB网卡,而且手中恰巧还有一条网线,更巧的是网线还足够长,更为幸运的是我的交换机上恰巧还有一个富裕的网口,所以也顺利的连上网了。 显示器很多,但多数都太老旧、只有VGA接口。找到一台有Hdmi接口的,而且我手中并不缺少Hdmi的线,随便找了一条就装好了。 以上就是今天的工作,虽然没有做任何实质的事情,但是至少将树莓派点亮了。接下来我将重新学习这台小电脑,争取用3-6个月的时间,把它用熟练。