Zasilanie PCB a MEMS — ripple/brownout vs. bias, noise i gain

Jak ripple 10–150 mVpp i krótkie brownouty (BOR) wpływają na bias, gain i szumy akcelerometrów MEMS w modułach AGD. Porównanie LDO vs. DC-DC, filtry LC/RC, layout GND i strategie FW.

Data: 2025-09-05 Stanowisko: L2-PSU/02 Czujniki: LIS3DH · QMA7981 PSU: LDO · DC-DC (PFM/PWM)

1. Cel

Określić wrażliwość toru MEMS (bias, gain, noise) na zakłócenia zasilania oraz sprawdzić odporność na krótkie spadki napięcia (BOR), aby dobrać topologię PSU i filtrację odpowiednią dla AGD.

2. Sprzęt i konfiguracje

Pozycja	Wariant	Parametry	Uwagi
Źródło VCC	LDO	Vout 3.3 V, PSRR 60–70 dB @100 Hz	niski ripple
Źródło VCC	DC-DC	PFM/PWM, fsw 400 kHz	efektywność, ripple wyższy
Filtry	LC/RC	L=2.2–10 µH, C=10–47 µF	RC: 10 Ω/10 µF (snub)
ADC ref	wew./zew.	Vref 2.5/3.0 V	stabilność odniesienia
Generator ripple	injection	10–150 mVpp @ 100 Hz–200 kHz	mieszanie z obciążeniem
BOR	glitcher	drop 3.3→2.6 V, 0.5–20 ms	czas/poziom progowy

3. Scenariusze

Ripple sweep: 10/30/60/100/150 mVpp @ 100 Hz, 1 kHz, 150 kHz.
PFM→PWM: przełączanie trybów DC-DC (obciążenie skokowe).
BOR: drop 3.3→2.6 V przez 0.5/2/10/20 ms w losowej fazie próbkowania.
Filtracja: brak → RC → LC (różne L/C) → LDO post-regulator.
Layout: GND wspólna vs. gwiazda; wpięcie MEMS przed/za filtrem.

4. Akwizycja

Kanał	Parametry	Uwagi
MEMS XYZ	ODR 1.6 kHz, LP 500 Hz	raw g
VCC	sonda 10×/20 MHz	ripple, glitch
Vref ADC	wew./zew. tap	stabilność
LOG	fault/BOR flags	czas zadziałania

Oblicz bias/scale z 6-pozycyjnego statyku @25°C jako punkt odniesienia; w testach ripple/BOR licz tylko zmiany względem tej referencji.

5. Metryki / KPI

Metryka	Definicja	Cel (AGD)
Δbias/V [mg/V]	d(bias)/dVCC (statyka)	\|Δbias/V\| ≤ 20
Δgain/V [%/V]	d(skala)/dVCC	\|Δgain/V\| ≤ 1.0
Δnoise/Δripple [mg/√Hz / mVpp]	zmiana PSD@10 Hz	≤ 0.01
PSRR_toru [dB]	20·log10(ΔVCC/Δout)	≥ 40 dB @1 kHz
BOR_resilience	reset vs. safe-mode	brak zawieszeń
Recovery_time [ms]	czas powrotu biasu	≤ 200 ms

Uwaga: PSRR toru licz dla konkretnej częstotliwości wtrysku; wyraź, czy mierzysz tor VCC→MEMS czy VCC→ADC/Vref.

6. Procedura

1) Ustal referencję: kalibracja 6DOF @25°C → b0, scale0.
2) Ripple sweep: wtrysk 10→150 mVpp dla 100 Hz / 1 kHz / 150 kHz (60 s/warunek).
3) Loguj Δbias, Δgain, Δnoise (PSD@10 Hz), PSRR_toru.
4) PFM→PWM: skok obciążenia DC-DC (np. 20→200 mA); loguj Δbias i czas stabilizacji.
5) BOR: zadaj drop 3.3→2.6 V (0.5/2/10/20 ms), w losowej fazie. Rejestruj flagi BOR/FAULT/WDG, czas odzysku.
6) Powtórz całość dla: brak filtra → RC → LC → LDO post-regulator oraz dla layoutu GND wspólna vs. gwiazda.
7) Zapisz KPI i ranking konfiguracji.

7. Mitigacje HW/SW

7.1 Sprzęt

LC pre-MEMS: 4.7 µH + 22 µF low-ESR; CRC opcjonalnie 2×10 Ω/10 µF.
LDO post-reg: DC-DC → LDO 3.6→3.3 V (PSRR @1 kHz).
Star-GND: oddziel MEMS/Vref od mocy; jeden punkt łączenia.
Vref zewn.: 2.5/3.0 V z filtrem RC 100 Ω/1 µF.

7.2 Firmware

Brownout handler: BOR→natychmiastowy safe-mode, minimalny log, restart kontrolowany.
Re-qualify sensor: po BOR 2–3 s sanity-check biasu i normy |g|.
Notch / ΣΔ uśrednianie: ogranicz wpływ 100 Hz/150 kHz na PSD@10 Hz (po pomiarze, nie w trakcie testu).

8. Struktura wyników

Ścieżka: /pomiary/psu-mems/ • Repo: //srv/lab/pomiary/psu/

raw/{src}/{f}/{ripple}/vcc_memsvref.bin
proc/{cfg}/kpi_{src}_{f}_{ripple}.csv
fig/{cfg}/psrr_vs_freq.png • delta_bias_vs_ripple.png
summary/ranking_kpi.csv

Definicje kolumn i jednostek w proc/README.md.

9. Szablon logu (do wklejenia)

PRÓBA #PSU-MEMS-LDO-LC
Źródło: LDO; Filtr: LC 4.7 µH/22 µF; Vref: 2.5 V zewn.; Layout: GND-gwiazda.
Ripple: 60 mVpp @ 1 kHz; PFM→PWM: n/d; BOR: 3.3→2.6 V/2 ms.

KPI:
Δbias/V = __ mg/V ; Δgain/V = __ %/V ; Δnoise/Δripple = __ mg/√Hz per mVpp
PSRR_toru(1 kHz) = __ dB
BOR_resilience = reset/safe-mode ; Recovery_time = __ ms ; FAULT/WDG = __

Uwagi:
- ...
- ...

10. Uwagi

Najlepsze wyniki zwykle: DC-DC → post-LDO + LC przy MEMS + GND-gwiazda.
PFM może generować modulację w paśmie MEMS – wymuś PWM przy czułych pomiarach.
Przy BOR krótszym niż 2 ms wiele MCU nie loguje — stosuj osobny rejestr BOR w PMIC lub szybki „sticky bit”.

11. BHP

Nie wstrzykuj ripple bezpośrednio na wyjście LDO/DC-DC ponad specyfikację — używaj sprzęgów i limiterów prądu.
Praca z glitcherem BOR: zabezpiecz masy, krótkie przewody, obserwuj temperaturę elementów mocy.