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交流电压过零检测波形上是噪声吗?

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陈加勇
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LV6
高级工程师
  • 2021-7-21 18:28:50
10问答币
      各位技术前辈您们好,最近做了一个交流电压过零点检测电路。
      最近出现了一个奇怪的现象,请教各位前辈是什么原因喃?

       当输入交流电压为5~30Vac时,50Hz的交流电压经过运放衰减,
       和经过比较器后,是一个完整的50Hz的方波信号。

       当输入交流电压大于30Vac时,检测到的信号也是50Hz的方波,
       但是上面叠加了高频噪声。

       当输入电压越高时,上面叠加的噪声越明显。
       下图为:当输入电压为220Vac时,上面叠加的噪声波形。

        电路板的功率主电路和控制电路是浮地的
        我发现,半个正弦周期内,输入电压越高(正弦电压的幅值出),对检测波形的尖峰越大
        请问各位前辈,您觉得是上面原因造成的喃。谢谢各位前辈啦。

       补充说明:上述现象出现在,主电路Boost 有电流流过的情况下,也就是主电路在传输功率,开关Mosfet有占空比。
                        当主电路停止工作时,仅仅检测输入交流电压时,在0~300Vac的范围内,检测出来的方波上面没有高频杂波

交流电压及过零点检测电路

交流电压及过零点检测电路

经过比较器及三极管后的过零点检测波形Vac2_AD

经过比较器及三极管后的过零点检测波形Vac2_AD

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你这个波形好像只是示波器拾取的噪声?不是真正的异常波形? 你把波形的时间轴展开到10US一格看一下波形。
xkw1cn
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版主
  • 2021-7-21 20:02:51
 
这地线布的。。。
陈加勇
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LV6
高级工程师
  • 2021-7-21 21:06:41
 
       前辈您好!感谢您的指导!
       我检查了下布局,发现控制回路的地,和主功率回路的地,在不同的层有重叠面积,面积大概4cm2
       您觉得有没有可能是主功率回路的地,通过寄生电容,耦合到控制回路的地上面呢?(功率电路的地没有与控制回路的地单点接在一起,浮地的
       谢谢!

       ps:这个是我毕业设计设计的板子,困扰我很长时间了。麻烦前辈指点指点,谢谢啦。
星宇
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版主
  • 2021-7-21 21:33:58
 
叠加的电压,加到运放后面比前面好些!
陈加勇
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LV6
高级工程师
  • 2021-7-22 09:30:23
 
       前辈您好!感谢您的回复!
       我还是没有找到干扰的来源,请问可能是从哪里叠加到控制电路上的呢?谢谢!
星宇
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版主
  • 2021-7-22 20:50:17
 
你连宝贵的PCB都没有发上来,我只能掐指一算了!
陈加勇
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LV6
高级工程师
  • 2021-7-23 09:30:55
 
       哇,板主您这么好。我还以为没人会愿意花时间分析PCB布线的。谢谢您啦

      您觉得会不会是控制地与主功率地重叠导致了干扰呀。


电感下面控制地与功率地重叠部分

电感下面控制地与功率地重叠部分

OBC.zip

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交错Boost PFC

陈加勇
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LV6
高级工程师
  • 2021-7-22 20:21:52
 
       对单点接地与浮地两种接法,进行测试。
       测试条件:
                     1、开关频率 100kHz
                     2、占空比: 0.2
                     3、输入电压:45Vac
                     4、负载800欧
       测量结果:
                  单点接地比浮地影响更严重。
                  噪声尖峰的产生是在Boost 开关管导通的时候产生的,
                  大概率是通过地线耦合到控制回路的吧。
      波形说明:
                   黄色是输入交流电压,由于使用调压器,所以上面有点畸变,谐波有点严重;
                   红色是100kHz、占空比为0.2的驱动信号;
                   绿色是硬件电路过零检测出来的波形。

控制电路与主功率回路单点接地

控制电路与主功率回路单点接地

功率电路与控制电路浮地

功率电路与控制电路浮地

Boost开关管导通造成噪声

Boost开关管导通造成噪声
ruohan
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  • 2021-7-23 08:01:57
 
你这个过零检测和实际的交流过零有没有一点延迟啊,
你这个干扰很有可能是示波器测试地线干扰进来的,
陈加勇
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LV6
高级工程师
  • 2021-7-23 09:21:00
 
      您好!过零检测和实际的交流过零延迟时间很小,只有uS级别的。

                我是用差分探头测量的,不太可能是示波器探头测量引起的吧。
                输入电压270Vac时,单片机直接就死机了。
ruohan
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LV8
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  • 2021-7-23 13:45:05
 
  你是在做UPS的项目吗,外挂个供电电源给控制部分供电,看看还会不会有干扰,
还有就是在运放VCC对地多挂几个贴片电容试试
陈加勇
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LV6
高级工程师
  • 2021-7-23 14:25:23
 
       您好!我做的是PFC,控制部分的确是外加电源的呀。
       至于外加几个运放电容,那也只能改进控制部分的电气特性。
       感觉干扰是主电路开关管过来的
星宇
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  • 2021-7-23 21:16:30
 
把你的电感非起来看看,不要靠PCB太近!屏蔽层要单点接地有用!
陈加勇
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高级工程师
  • 2021-7-23 22:35:18
 
        前辈您好!
              我将电感放在PCB上与放在远离PCB的地方(15cm远)分别测量。

              测量条件:
                           开关频率100kHz,
                           占空比1/8,
                           输入电压45Vac,
                          控制地与主电路地接在一起,
                           负载800欧。         

              测量结果:
                     将电感远离PCB,导致干扰更加严重

              分析:按道理,远离的话,电感会稍微增大一点点.

电感放在PCB上

电感放在PCB上

电感放在远离PCB处

电感放在远离PCB处
星宇
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  • 2021-7-24 10:44:03
 
你的单片机,采样等都放在电感下面,是要加屏蔽层的!
陈加勇
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LV6
高级工程师
  • 2021-7-24 12:56:14
 
   前辈,使用敷铜做屏蔽,然后连接到控制电路的地,这种算不算屏蔽呢?
    昨晚将电感飞起来后,测试结果更加恶化了。

星宇
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  • 2021-7-24 14:07:28
 
屏蔽层只能单点接地,你的没有!
陈加勇
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LV6
高级工程师
  • 2021-7-24 15:07:13
 
          前辈您说得对,我是用控制部分的地做的屏蔽。既当地层也当屏蔽层。控制部分多个地接到屏蔽层。
          这样的屏蔽效果可能不好。

          我打算重新画板测试一下是不是这个原因。拟改进如下:
                1、屏蔽层单独一层,并单点接到控制电路的地。
                2、控制部分的地与主功率地单点连接。  
         大概8月上旬就能给个另外的测试结果。

         谢谢各位前辈啦,谢谢版主。
陈加勇
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LV6
高级工程师
  • 2021-8-9 19:14:03
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     前辈您好!
           最近学校来招聘了,原答应8月中旬给您看新板的测试结果,可能得推迟一段时间。

          最近准备简历,实在是忙不过来。非常不好意思。抱歉。

          感谢您的指导!
YTDFWANGWEI
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  • 2021-7-26 16:24:55
 
这个估计不仅不能算屏蔽,而且相当于加了接收天线。
陈加勇
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LV6
高级工程师
  • 2021-7-27 10:49:03
 
        前辈您好!
              后期我会按您意见改进PCB的屏蔽层设计,并在8月中旬放出测试结果。
              欢迎8月中旬来指导指导。

              感谢您们的指导。
星宇
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  • 2021-7-28 20:28:31
 
就是接收到后接到地了啊!
陈加勇
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LV6
高级工程师
  • 2021-9-21 19:33:25
  • 倒数2
 
        前辈您好,经过您和其他版主的指导。这个问题我找到原因啦。感谢您的指导。这里特别感谢nc965的指导,他看了现象指出是测量引起的问题。
        造成这个现象的原因是:
               1、测量探头地线环路太长引起的干扰。
               2、电路本身就有的一点点干扰。
        以下分享几种不同的探头测量及测量结果:
         测量探头:
                      1)使用是德科技的高压差分探头(电压比例为50:1)
                      2)使用低压差分探头,并使用接地线做测量地线(电压比例为10:1或者1:1)
                      3)使用低压差分探头,并使用接地环做测量地线(电压比例为10:1)

         理论测量波形:
                     本次测量的是交流电压采样电路,过零检测的波形,理论上应该是方波。

        测量条件:              分别使用低压差分探头,使用接地环(10:1)、使用接地线(10:1)测量与高压差分探头测量(50:1)。
        实际测量波形:
                  橘黄色波形为使用接地环测量;
                  蓝色波形为使用接地线测量;
                  红色波形为使用差分探头测量。
        结果分析:
                 1、同样的放大比例下,使用接地线测量的噪声明显比接地环的噪声大。(见波形1)
                  2、同样使用接地线测量,不同的探头放大比例(10:1 与1:1)测量结果是比例越大,噪声越大。(见波形3与波形4对比)
                 3、不同的放大比例下,地线环路越大,测量噪声越大。(见波形5)

       理论分析:
             示波器的测量原理是将输入实际采样的电压,缩小一定的倍数。然后将结果送给示波器,示波器再放大一定的倍数。就是显示的波形。
             然而,电压探头是有自己的底噪的,假定上面的三种探头的底噪都是1mV。

       假定实际信号是10mV的信号波形。
       对于10:1的探头,信号衰减为1/10,然后加上底噪1mV,那么采样到1mV的信号+1mV的噪声=2mV,然后再放大10倍,示波器显示为20mV。
       对于1:1的探头,信号衰减为1/1,然后加上底噪1mV,那么采样到10mV的信号+1mV的噪声=11mV,然后放大1倍,示波器显示为11mV。
       对于50:1的探头,信号衰减为1/50,然后加上底噪1mV,那么采样到0.2mV的信号+1mV的噪声=1.2mV,然后放大50倍,示波器显示为60mV。
       最真实的探头应该为1:1的探头。测量小信号,应该选用信噪比高的探头。



第一种测量探头

第一种测量探头

第二种测量探头

第二种测量探头

第三种测量探头

第三种测量探头

波形1:相同的放大倍数,不同的接地方式

波形1:相同的放大倍数,不同的接地方式

波形2:使用接地环(10:1)测量

波形2:使用接地环(10:1)测量

波形3:使用接地线(10:1)测量

波形3:使用接地线(10:1)测量

波形4:使用接地线(1:1)测量

波形4:使用接地线(1:1)测量

波形5:不同的放大系数,不同的地线环路

波形5:不同的放大系数,不同的地线环路
joezzhang
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LV8
副总工程师
  • 2021-7-23 16:57:27
 
主电路的高频噪声会直接加到输入L和N线上,所以才需要输入的EMI滤波器

地平面的耦合不能排除,但主要还是输入线被传导污染了,如果开关频率50kHz的话,R26和R47上并个10nF左右的电容再看
陈加勇
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LV6
高级工程师
  • 2021-7-23 21:15:22
 
          前辈您好!
          我在R26、R47上并联了10uF的电容,然后在开关频率为50kHz、100kHz的条件下测量了两个波形;
          然后在原电路上,开关频率为50kHz、100kHz的条件下测量了两个波形;
          上述波形,占空比均为1/8;

          现在的现象是:
                          1、过零检测不准了;
                          2、干扰的峰值出现在正弦半波的最大值处;
           小结:
                         1、增加电容会增加相移;
                         2、开关频率为50kHz时,比100kHz的干扰峰值会一点点。

运放加了10uF后,开关频率为100kHz时过零检测波形

运放加了10uF后,开关频率为100kHz时过零检测波形

运放加了10uF后,开关频率为50kHz时,过零检测波形

运放加了10uF后,开关频率为50kHz时,过零检测波形

原电路开关频率为50kHz时过零检测波形

原电路开关频率为50kHz时过零检测波形

原电路,开关频率为100kHz时电路波形

原电路,开关频率为100kHz时电路波形
joezzhang
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LV8
副总工程师
  • 2021-7-26 16:19:00
 
10nf截止频率4.8kHz左右,10uF是4.8Hz
你加了10uF自然不对了。。。

如果10nF上去噪声还是很大那就是开关噪声还有其他耦合路径,比如GND或者VCC

你的信号地和功率地在哪里单点接地?想办法断开后加一个磁珠在中间


陈加勇
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LV6
高级工程师
  • 2021-7-27 10:46:50
 
        前辈您好!
        我这块板子
                     控制地与功率地浮地时,测量也有噪声;
                     控制地与功率地单点接地时,测量也有噪声;比浮地测量噪声还大些。
                     控制地与功率地串联磁珠的确是一个解决办法,后期我考虑试一下。

                    目前,我怀疑板上布板存在很大的问题,暂时还没有找到耦合路径。
        感谢您的指导!
陈加勇
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LV6
高级工程师
  • 2021-8-1 21:27:17
 
       前辈您好!感谢您的指导!
       按照您的指导,我在原电路板上进行了添加10nF与不添加10uF的电容进行测试。

      测试条件:
             输入电压:45Vac
             Boost 开关频率:100kHz
             占空比:1/8
             负载:800欧

      测试方案:
             1、R26、R47不并电容
             2、R26、R47并联10nF电容

      测试结果:
            添加与不添加电容,过零检测波形上的噪声无明显变化。
            可以肯定存在其他路径耦合干扰控制电路。

并联10nF的电容的测试波形

并联10nF的电容的测试波形

未并联10nF电容的测试波形

未并联10nF电容的测试波形
deep_thought
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LV8
副总工程师
  • 2021-7-24 13:04:03
 
你这个波形好像只是示波器拾取的噪声?不是真正的异常波形?
你把波形的时间轴展开到10US一格看一下波形。


陈加勇
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  • 2021-7-24 13:44:33
 
       前辈您好!感谢您的回复。
       在帖子6楼,有一张时间刻度为10uS的波形。
       麻烦您看下那张波形能说明问题吗?不能的话,我按您的要求再去截一张

       前段时间,还有一个简单的验证实验。
           实验是通过单片机检测过零检测的波形,检测到上升沿输出一个高电平,检测到下降沿输出低电平。
          实验结果是,当输入电压100Vac左右时,检测到的波形误动作
                          如果仅仅是示波器测量引起的噪声的话,那么单片机应该不会误动作。
deep_thought
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LV8
副总工程师
  • 2021-7-26 08:44:07
 
从10uS的波形看,就是噪声。过零电路并没有实际异常翻转。
单片机因为主电路开关噪声被干扰到而不能正常工作。
方向是:
1. 降低主电路干扰,如减慢开关速度,优化主电路高频电流回路,吸收开关尖峰。
2. 加强单片机抗噪声能力,如去耦,屏蔽,远离,软件滤波等。


陈加勇
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LV6
高级工程师
  • 2021-7-27 10:40:20
 
          感谢前辈的回复!
          造成这个现象的确也是主电路的干扰影响到控制电路的波形吧。

           解决办法:要么从主电路开关管减少干扰,要么从控制电路做好屏蔽、滤波。
                          后期我慢慢分析干扰的来源,谢谢您的指导。
ruohan
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LV8
副总工程师
  • 2021-8-2 10:53:39
 
你这个问题,极有可能是你的检测信号的5V供电和你驱动芯片的5V供电用的是一路,你可以把驱动芯片的5V对地的滤波电容用大点,还有就是去检测芯片的5V上面串接个LC滤波。这个5V和驱动的5V之间加个LC的隔离。
你这个主控是Microchip的DSP,不知道程序好不好做。
陈加勇
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LV6
高级工程师
  • 2021-8-4 10:21:03
  • 倒数10
 
         前辈您好!
            本次设计控制电路与驱动电路是分立供电的方案,

            控制电路一路电源经过7805给运放供电,
            驱动电路12V电压单独供电。

            microchip做控制器的话主要是便宜,性价比较高。

           测量的波形是硬件电路检测的波形,是进单片机的波形,跟microchip没有关系。

           后期将会贴出改进布局的测量波形,欢迎回来看看。
ruohan
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  • 2021-8-5 08:02:41
  • 倒数9
 
该芯片官网有没有程序下载啊
陈加勇
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  • 2021-8-7 09:21:33
  • 倒数8
 
      没有现成的程序,microchip部分芯片有项目参考程序。
AS-AS
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高级工程师
  • 2021-8-1 21:53:22
 
电路板布局没弄好,地噪声太大了
陈加勇
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  • 2021-8-4 10:16:08
 
         前辈您好!的确是电源布板的问题。地噪声太大,正在改进思路哈。         后期我把改进的测量结果发在本贴,欢迎回来检查哈。


         感谢您的回复!
beyond_笑谈
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  • 2021-8-7 17:09:03
  • 倒数7
 
在layout时,地信号从电容端切割,让每个电流有一个完整的最小回路,会降低地信号噪声。
陈加勇
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  • 2021-8-8 13:47:41
  • 倒数6
 
      您好!感谢您的回复。
     您说的那句:  ”地信号从电容端切割,让每个电流有一个完整的最小回路,会降低地信号噪声“
     这的确是很经典的教条。

     可是,我们功率密度做大时,布局就存在困难。尤其是做产品。受空间限制,面积限制。
     我这款板的布局,大概是地平面没有设计好。他们说屏蔽层不能多点接地,我那种做法画成了天线。
ruohan
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  • 2021-9-16 08:11:40
  • 倒数4
 
你这个是交错PFC的线路吧,现在调试好了吗
陈加勇
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高级工程师
  • 2021-9-19 18:27:12
  • 倒数3
 
      您好,这个的确是交错PFC电路。前段时间在准备毕业找工作的事情。还在调试中....      
      过段时间我把调试结果放上来哈。

       主要是我也不确定问题在哪里,不是很清楚什么原因造成的。
       您觉得是什么原因呀。
陈加勇
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高级工程师
最新回复
  • 2021-9-21 20:07:45
  • 倒数1
 
       您好!测量结果后续我放42楼哈,我懒,麻烦您自己看下哈。
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