B0505S — шуметь запрещается!

Не так давно придумал себе работу на ровном месте. Bluetooth-модуль моего заводского «ВЭФ-214» с самого начала шумел — фонил, пищал и хрюкал на малой громкости. Собранный по такой же схеме модуль для «216-го» вёл себя тихо, и ещё один «современный» занимал промежуточное место по шуму. Я наконец нашёл время для исследований, и открылись мне удивительные вещи!


Слева — прототип из «216-го», справа — его «современный» вариант. Первый опыт заказа плат на JLCPCB, о котором ещё когда-нибудь расскажу.


Схема особо не менялась, и функционально делится на три части:

1) триггер на HEF4013 — шуметь не может, он просто делает свою работу;
2) DC-DC преобразователь B0505S — шуметь может, он импульсный, но без него тут никак;
3) Bluetooth-модуль XS-3868 — шуметь может и будет, ведь он импульсный, гигагерцовый, на микропроцессоре. Причём помехи он даёт даже по шинам питания — если не подключать выход ко входу УНЧ, то в динамике всё равно слышны посторонние шорохи.


А ещё «земли» модуля разделены на цифровую и аналоговую, и соединять их вместе нельзя. Поэтому B0505S делает гальваноразвязку — «отрывает» Bluetooth от блока питания. Теперь аналоговую «землю» AGND можно подключать на общий провод схемы — кое-какой шум останется, но его можно вытерпеть.

Моя же «вредная» плата шумела много сильнее, и замена DC-DC преобразователя не помогла — новый пищал ещё больше.Поэтому стал я искать, как убрать помехи от B0505S. Очень удачно попалась статья про фильтрацию помех в изолированных DC-DC преобразователях (версия с переводом на русский).


Главная идея — самый надоедливый шум не убрать дросселем по питанию или большим «электролитом» (Cext на схеме). Это устранит лишь просадки и низкочастотные пульсации напряжения — дифференциальную помеху. DC-DC преобразователи умеют шуметь ещё и синфазной — это когда помеха появляется на двух выходах сразу. Её можно задушить синфазным дросселем, а можно пустить по короткому пути туда, где она самоликвидируется.

Физика такая: внутри DC-DC преобразователя есть махонький трансформатор, который и отвечает за гальваноразвязку цепей. Благодаря встроенному ключу, первичная обмотка то пропускает ток, то не пропускает, и во вторичной от этого наводится напряжение. Дальше оно выпрямляется и подаётся потребителям. Когда ключ открывается, первичная обмотка не сразу начинает пропускать ток, а когда закрывается — какое-то время поддерживает его за счёт самоиндукции. В итоге ток первичной обмотки обрастает высокочастотными помехами, которые через ёмкость связи перепрыгивают на вторичную обмотку. Если нагрузка больше никуда не подключается и вообще «висит в воздухе», то в теории помехи там и останутся. На практике же они могут наводиться в цепях, проходящих рядом.

У XS-3868 всё-таки есть неявное соединение цифровой и аналоговой «земель» (буферы, подтяжки, общие внутренние схемы), поэтому помеха из цифровой части появится и в аналоговой. А мы помним, что своим AGND она соединяется с общим проводом схемы, на котором же сидит входная «земля» B0505S. И получается, что помеха таким кружным путём вернётся к своему же началу — первичной обмотке преобразователя.

Чтобы укоротить этот путь, между гальванически развязанными цепями ставят конденсатор с ёмкостью больше межобмоточной (1…2 нФ). Теперь ни одна уважающая себя помеха не захочет продираться через реки, буреломы и килоомы. А зачем, если есть обход через конденсатор?

Дополнительно почитать:
http://bsvi.ru/setevye-filtry-i-pomexopodavlyayushhie-kondensatory/
https://e2e.ti.com/support/power-management/f/196/p/529895/1927727#1927727

Разработчику на заметку: в этом случае гальваноразвязка зависит и от конденсатора. Самый обычный B0505S выдерживает 1 кВ между первичной и вторичной сторонами. Этим напряжением можно поводить по входу преобразователя — сам он сгорит, но вторичная цепь останется целой. Если же обходной конденсатор на такое напряжение не рассчитан, то через него прошьёт всю вторичную сторону. Надо киловольт изоляции — ставь киловольтовый конденсатор.

Вдохновившись статьями и вырезкой из книги RECOM — DC/DC Book of Knowledge, я стал ставить эксперименты на трёх своих платах.

Эксперимент 1. Я художник, я так слышу

Конденсатор 1 нФ между «плюсами» B0505S чуть уменьшил шум на слух, 10 нФ — ещё уменьшил, два по 100 нФ между «плюсами» и «минусами» — ещё сильнее. Низкий уровень шума мне прямо понравился. И всё можно было бы оставить так, просто поделившись наблюдениями, но хотелось большего. Хотелось понимания.

Вывод: обходной конденсатор магически работает.

Эксперимент 2. Макетирование


Для начала собрал вот такую установку — B0505S с «Алиэкспресса» (GDJCDZ), конденсаторы по даташиту и нагрузка около 240 мА. Для второго замера добавил обходной конденсатор 100 нФ.


Размах: 73,2 мВ/24 мВ. Конденсатор 100 нФ
И высокочастотный «звон» выходного напряжения сразу исчезает! Да, остаются пульсации с частотой работы ключа (250 кГц), но результат виден.


Тихоходы TENSTAR, что мне подбросили для сравнения, работают на частоте 150 кГц, и тоже «звенят» без конденсатора.


Размах: 74,8 мВ/56,8 мВ. Входной дроссель 1 мГн
Но я вернулся к своим GDJCDZ. Дроссель чуть уменьшил амплитуду выбросов да понизил частоту пульсаций.


Размах: 18,4 мВ/18,4 мВ. Входной дроссель 1 мГн + конденсатор 100 нФ
В связке с обходным конденсатором напряжение стало ещё глаже.


Размах: 55,6 мВ/14,4 мВ. Входной дроссель 2,2 мГн + конденсатор 100 нФ
Дроссель побольше в одиночку тоже мало что даёт. Зато вместе с конденсатором они убирают почти все пульсации и коммутационные «иголки».


Интересно увидеть напряжение между «землями» DC-DC преобразователя — что творится за гальваническим барьером?


Размах: 524 мВ/40 мВ. Конденсатор 100 нФ
Какая прелесть! Меандры да «иголки». А вот конденсатор это сразу устраняет, да ещё и как! Размах шума уменьшился в 13 раз.


Размах: 524 мВ/264 мВ. Входной дроссель 2,2 мГн
Один только дроссель работает не так эффективно: всего в два раза снижает высоту «иголок».


Размах: 524 мВ/32 мВ. Входной дроссель 2,2 мГн + конденсатор 100 нФ
Зато если подружить его с конденсатором — можно отобрать ещё 8 мВ от размаха шумового сигнала. Итого остаётся 32 мВ против изначальных 524 мВ. Впечатляет.


На более короткой развёртке видно, что дроссель оставляет только низкочастотные колебания.

Вывод: обходной конденсатор уменьшает коммутационные помехи в выходном напряжении DC-DC преобразователя. Входной дроссель не помешает, но без конденсатора от него мало толку.

Эксперимент 3. А как там Bluetooth?


Макет — это хорошо, но реальное устройство ещё лучше. Если предельно упростить мою плату Bluetooth, то останется только это: гальваноразвязка и сам модуль. Для теста я взял самый шумный преобразователь от GDJCDZ — из трёх штук, что у меня были, в составе изделия он пищал громче остальных. И раз уж на него лучше всего подействовали два обходных конденсатора по 100 нФ, то с ними и продолжим.


Размах: 316 мВ/302 мВ. Выходной дроссель 2,2 мГн + конденсаторы 100 нФ x2
На осциллограммах очень хорошо видно «икание» — просадки напряжения раз в полторы секунды, которые слышны как хрюканье и щелчки в динамике. Это особенность модуля XS-3868. Ещё заметно, что первая картинка более «пушистая» — это всё высокочастотный шум, который наводится от преобразователя.


Размах: 48,4 мВ/7 мВ. Выходной дроссель 2,2 мГн + конденсаторы 100 нФ x2
Накрутив развёртку, можно убедиться, насколько менее насыщенным становится спектр выходного напряжения, стоит лишь добавить два конденсатора. И это слышно — «ВЭФ» жужжит и пищит тише обычного, постоянный лёгкий фон почти уходит.


Размах: 335 мВ/23,2 мВ. Выходной дроссель 2,2 мГн + конденсаторы 100 нФ x2
Между «землями» картинка тоже очень показательная — «иголки» уменьшаются в 10 раз, амплитуда меандров падает. Вот поэтому писк и становится тише.

Самый шумный GDJCDZ  выдавал до 350 мВ «иголками» по «земле», в то время как другие — всего 100-200 мВ. Конденсаторами их помехи так же заглушились намного лучше. Поэтому я заменил преобразователь, и «ВЭФ 214» наконец-то перестал постоянно пищать.

Вывод: обходной конденсатор очищает выходное напряжение DC-DC преобразователя и уменьшает помеху между «землями». Но для XS-3868 с её импульсным потреблением надо предусмотреть ещё один фильтр — от медленных просадок напряжения. Кроме того, неудачный (дешёвый/китайский/поддельный) преобразователь может давать помехи, которые полностью не устранить.

Эксперимент 4. В поисках выходного фильтра

Теперь по уровню шума самой раздражающей стала «современная» плата. От «216-й» она отличается выходным фильтром — у меня при сборке не было трёх конденсаторов по 1000 мкФ, и пришлось ставить 470 мкФ. Обходные конденсаторы уже доказали свою эффективность, поэтому я их припаял сразу же.


Размах: 288 мВ/142 мВ/6,4 мВ. Конденсаторы 940 мкФ + выходной дроссель 2,2 мГн + 470 мкФ
В целом картина уже знакомая — модуль «икает», но хотя бы не пищит.


Размах: 210 мВ/100 мВ/9,2 мВ. Конденсаторы 2000 мкФ + выходной дроссель 2,2 мГн + 1000 мкФ
Конденсаторы побольше ожидаемо уменьшили просадки, но это идёт вразрез с даташитом преобразователя: там указан максимум 220…470 мкФ. В противном случает производители не гарантируют, что он запустится и не сгорит. Однако «ВЭФ 216» с фильтром на 3000 мкФ работает уже два года — и ничего. Курьёз.

Дополнительно почитать:
Сравнение преобразователей серий R1…R3 от MORNSUN (R3 более экономичный)
Даташит MORNSUN B0505S-1WR2
Даташит MORNSUN B0505S-1WR3

Самое интересное началось, когда я замкнул выводы дросселя между собой. Ну, чтобы увидеть, насколько возрастут пульсации по питанию Bluetooth. Это же дроссель, он сглаживает…


Размах: 116 мВ/103 мВ/8,4 мВ. Без дросселя + 3000 мкФ суммарной ёмкости
Балалайку, как оказалось. Выходной дроссель только добавляет хрюканья, и это очень заметно на слух.


Размах: 122 мВ/179 мВ/89 мВ
Чисто контрольный эксперимент — убрать обходные конденсаторы из удачной конфигурации. На просадки питания это не повлияло, зато очень испортило «межземляные» помехи. Как и ожидалось.

Вывод: при питании XS-3868 от B0505S важна ёмкость фильтра, индуктивность же только увеличит пульсации. При этом подходящая ёмкость (2000 — 3000 мкФ) совсем не вписывается в даташит преобразователя и занимает много места на плате. Есть предположение, что надо использовать двухваттный B0505S-2W — у него больше запас по току.

Эксперимент 5. Сколько надо обходных конденсаторов?

Ещё один вопрос — почему вдохновившая меня статья рекомендует обходные конденсаторы 1…2 нФ, в то время как меня устроили только два по 100 нФ? Почему в рекомендациях есть три вида подключения: между «плюсами», между «минусами», от выходного «плюса» ко входному «минусу»?


Размах: 116 мВ/52 мВ/12,6 мВ. 1 нФ между «плюсами»
Конденсатор 1 нФ намного лучше, чем ничего — «межземляная» помеха уменьшается в семь раз (относительно 89 мВ).


Размах: 118 мВ/53 мВ/9,8 мВ. 1 нФ между «плюсами» и «минусами»
Два конденсатора ещё эффективнее, но меандр всё так же виден.


Размах: 122 мВ/61 мВ/12 мВ. 2,2 нФ между «плюсами»
Конденсатор 2,2 нФ смазывает фронты меандра, и в «межземляной» помехе начинает проявляться хрюканье. Оно было и раньше, только скрывалось за жужжанием и писком.


Размах: 122 мВ/53 мВ/8,6 мВ. 2,2 нФ между «плюсами» и «минусами»
Два конденсатора по 2,2 нФ работают ещё лучше.


Размах: 116 мВ/103 мВ/8,4 мВ. 100 нФ между «плюсами» и «минусами»
Два конденсатора по 100 нФ делают писк едва различимым, выпячивая при этом хрюканье. На самом деле, это меньшее из зол: если писк стоит постоянно, подмешиваясь в музыку, то «икание» происходит раз в полторы секунды, и то — когда Bluetooth не подключён к телефону.

Вывод: в данном применении лучше всего два конденсатора по 100 нФ между «плюсами» и «минусами» преобразователя. Соединение «выходной плюс — входной минус» и «выходной минус — входной плюс» никакой разницы не дало — помехи исчезают с той же эффективностью.

Эксперимент 6. Входной фильтр

Поскольку B0505S и сам Bluetooth работают в импульсном режиме, их пульсации могут проявляться в самых разных частях схемы, в том числе и отражаться на вход. Эксперимент 2 показал, что входной дроссель имеет кое-какой эффект, но требовал детального изучения на изделии. На плате совсем не было места для входных конденсаторов большой ёмкости, поэтому пришлось постепенно наращивать индуктивность.


Размах: 5,8 мВ/123 мВ/116 мВ. Нет входного дросселя
На первой картинке хорошо видны просадки питания на входе в B0505S —  если их не убирать, то они могут создавать помеху по всему питанию приёмника. Но это уже тема следующего эксперимента.


Размах: 102 мВ/173 мВ/73 мВ. Дроссель 1 мГн
По сравнению со схемой без фильтрации:
пульсации после дросселя: увеличились;
пульсации питания Bluetooth: увеличились;
пульсации между «землями»: снизились.


Размах: 76 мВ/157 мВ/81 мВ. Дроссель 2,2 мГн
По сравнению со схемой без фильтрации:
пульсации после дросселя: увеличились;
пульсации питания Bluetooth: увеличились;
пульсации между «землями»: снизились.

По сравнению с дросселем 1 мГн:
Пульсации после дросселя: снизились;
Пульсации питания Bluetooth: снизились;
Пульсации между «землями»: увеличились.

Может быть ошибка измерений, потому что дальше наблюдается прямая зависимость пульсаций от индуктивности. Все дальнейшие сравнения — относительно схемы без дросселя.


Размах: 120 мВ/173 мВ/60 мВ. Дроссель 3,2 мГн
Пульсации после дросселя: увеличились;
Пульсации питания Bluetooth: увеличились;
Пульсации между «землями»: снизились.


Размах: 108 мВ/169 мВ/64 мВ. Дроссель 4,4 мГн
Пульсации после дросселя: увеличились;
Пульсации питания Bluetooth: увеличились;
Пульсации между «землями»: снизились почти в 2 раза относительно 116 мВ.


Размах: 157 мВ/185 мВ/33 мВ. Дроссель 9,4 мГн
Пульсации после дросселя: увеличились;
Пульсации питания Bluetooth: увеличились;
Пульсации между «землями»: снизились в 3,5 раза относительно 116 мВ.

Мне пришлось спаять все дроссели, что были в доме, в одну батарею, и оно того стоило — помех по «земле» почти не видно и не слышно.

Вывод: входной дроссель увеличивает пульсации по питанию B0505S и Bluetooth-модуля, но уменьшает их между «землями». Индуктивность должна исчисляться единицами миллигенри, а такой дроссель занимает место на плате. Одновременно он должен выдерживать ток 200 и выше миллиампер (XS-3868 вместе с гальваноразвязкой потребляет до 120 мА). Ещё один минус — на дросселе падает напряжение из-за сопротивления обмотки. Так, три последовательных индуктивности 2,2 мГн набрали 22 Ома. Из пяти обещанных вольт плате Bluetooth досталось только 2,9 В!

Эксперимент 7. Когда «стреляет» в карбюратор

В хороших сетевых блоках питания обязательно есть синфазный фильтр, который работает «наоборот» — защищает сеть от помех, которые производит сам блок питания. А раз так — не может ли по аналогии вся моя плата портить питание «ВЭФу»? Я собрал схему: два литиевых аккумулятора последовательно, стабилизатор на L7805, моя плата. Входной дроссель 4,4 мГн подключается и отключается по требованию. Синфазных в доме не завалялось, поэтому пришлось проверять эффект от обычного.


Размах: 5,8 мВ/7,3 мВ/121 мВ/115 мВ. Нет входного дросселя
Просадка питания от «икоты» отражается и на входном напряжении. Соответственно, эта же помеха лезет в блоки УКВ и ДЧМ, которые у меня всегда включены. Она же может просачиваться в УНЧ по линиям питания. Про «земли» уже был разговор — даже при полной гальваноразвязке шум любыми путями постарается вернуться в первичную обмотку преобразователя. И чем этот шум тише — тем сложнее ему путешествовать электроностопом по плате.


Размах: 5,6 мВ/106 мВ/173 мВ/71 мВ. Входной дроссель 4,4 мГн
Из-за дросселя «икота» усиливается по питанию Bluetooth и перед преобразователем, но уменьшается между «землями» и становится совсем незаметной во входном напряжении.

Вывод: входной дроссель помогает «заполировать» помехи от XS-3868 — хрюканье почти уходит, писк становится едва различимым.

Эксперимент 8. Финальный аргумент

Справедливости ради, все эти «икания», похрюкивания и попискивания слышны, когда Bluetooth-модуль ждёт подключения к телефону. Как только начинается музыка — остаётся лишь лёгкий фон, который можно услышать, если установить громкость плеера на минимум. Поэтому рекомендация для всех, кому хватило солярки дочитать досюда: проверяйте шум своего XS-3868 на двух режимах. Первый — это когда он ждёт подключения («икание»/писк), второй — когда музыка играет в режиме Mute (постоянный фон). Именно этот фон определяет, насколько комфортно будет слушать усилитель с Bluetooth.


GDJCDZ, несмотря на входной дроссель 6,6 мГн и прочие ухищрения, всё равно оставлял немного шума во втором режиме. Его слышно, только если сидеть вплотную к «ВЭФу», но ведь слышно!


Зато на TENSTAR входной дроссель влияет просто замечательно — посторонний шум при воспроизведении уходит полностью.

Вывод: какие бы красивые картинки ни рисовал осциллограф, устройство всё-таки надо слушать. В звуке возможны два дефекта:
— хрюканье и писк, когда модуль ждёт подключения;
— постоянный «модемный» фон, когда музыка играет с плеера в режиме Mute.

Большие «электролиты» помогут справиться с хрюканьем, обходные конденсаторы — с постоянным фоном, а входной дроссель вычистит самый мелкий шум. Некоторые детали придётся подбирать «на вкус», в том числе и B0505S. Если преобразователь изначально шумный, то избавиться от помехи будет очень сложно.

Общий вывод

Свои платы на XS-3868 я привёл к такому виду:
— преобразователь — променял GDJCDZ  на менее шумный TENSTAR;
— обходные конденсаторы — два по 100 нФ;
— входной дроссель — 6,6 мГн;
— выходной фильтр — 3x 1000 мкФ, без дросселя.

При включении был слышен короткий «пик», затем едва слышный писк, а потом умеренное «икание» (которое всё равно давится включённым БШН «ВЭФа»). Когда Bluetooth играет музыку на минимуме громкости, надо прислоняться ухом прямо к решётке, чтобы услышать хоть какой-нибудь посторонний призвук.

Потом коллега по инженерству Олег подарил две штуки Traco Power TME0505S. На осциллографе проверять их было некогда, поэтому я доверился громкому имени и просто запаял. Ещё хохмы ради собрал выходной фильтр из трёх бочек по 2200 мкФ. Включение показало — шума нет! И даже если уменьшить входной дроссель до 1 мГн, чтобы на нём не так падало напряжение — шума всё равно нет! Вот уж правда — не на всех деталях надо экономить. Зато какие исследования!


Окончательная июньская схема приняла такой вид. Изменения:
— питание платы взял от блока УКВ, поэтому избавился от концевика под кнопкой УКВ, а заодно и разъёма XP2;
на место этого разъёма хорошо встал входной дроссель 1 мГн;
— перебросил R5 на 12-ю ножку триггера — пусть Bluetooth включается сразу вместе с «ВЭФом». А если захочется послушать УКВ-FM — я подержу кнопку SB1 и тем самым отключу XS-3868;
— преобразователь Traco Power TME0505S с обходными конденсаторами 100 нФ;
— выходной фильтр — монструозный 3x 2200 мкФ;
— выходной дроссель заменил перемычкой.

На плате это выглядит так:


13-ю ножку пришлось выкусить, а её контактную площадку спаять с 12-й.


Входной дроссель 6,6 мГн хорошо глушил помехи, но под нагрузкой питание платы проседало до 2,9 вольт. Триггер уже не мог срабатывать и отключать нагрузку — конденсаторы C3, C4 в цепи задержки не заряжались до нужного уровня.


Пришлось перерезать дорожку и отдельным МГТФом взять питание до дросселя — триггер сразу же перестал сбоить. Справедливости ради, когда нагрузка висела на 13-м выходе (нормально отключённом), таких проблем не было.


Обходные конденсаторы.


Наконец, просто плата после всех переделок.


А вот как она устанавливается в «216-й» (слева) и «214-й» (справа).


Если вам захочется собрать такой же Bluetooth для своего любимца — пишите на AIF00M@ya.ru. У меня есть куча пустых плат, которые готовы поехать по Украине. Возможен вариант сборки и программирования на заказ — помните ведь, что этот модуль можно назвать именем приёмника, куда он встроен?

Запись опубликована в рубрике Электроника с метками , . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

2 отзыва на “B0505S — шуметь запрещается!

  1. Vic:

    Спасибо, реально спасительная статья получилась!

    P.S что за «пасхалка» на гетинаксе в виде мобильного чипа Siemens ?))

    • И вам спасибо на добром слове!

      Я вроде этот чип и клеил когда-то для такого перформанса — авось кто заметит :D

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s