Scoateți zgomotul din sursa de alimentare cu ajutorul unei abordări cu mai multe brațe. Filtrele, ocolirea și post-reglementarea pot contribui la atingerea acestui obiectiv.

Zgomotul este o problemă constantă în proiectarea sursei de alimentare. În timp ce există limite FCC privind interferența electromagnetică (EMI) care radiază în aer, precum și zgomotul condus pe care proiectul dvs. îl injectează înapoi în intrarea sa, prima dvs. problemă de zgomot este de a reduce zgomotul suficient de scăzut în ieșirile dvs.

Ripple și zgomot

Unii ingineri fac o distincție între ondularea de ieșire și zgomotul de ieșire. Ambele fenomene sunt un semnal nedorit suprapus pe ieșirea de curent continuu pură dorită (Fig. 1). Sursa de ondulare este frecvența periodică de intrare, precum și frecvența de comutare a cipului de control. O sursă de curent alternativ va avea o frecvență de intrare de 50, 60 sau poate de 400 Hz. Indiferent cât de bun este cipul de comutare pe care îl utilizați, o mică parte din această frecvență va sângera în circuitul de comutare.

reduce

1. În sensul cel mai general, zgomotul alimentării cu energie electrică este combinația de undă periodică nedorită și vârfuri combinate cu zgomot aleatoriu de la dispozitive sau surse externe. (Amabilitatea Element14/Newark)

Cantitatea de undă indicată de intrare va fi guvernată de regulamentul liniei de proiectare. Acesta este un concept similar cu raportul de respingere a sursei de alimentare (PSRR) - cât de mult din semnalul de intrare pe care un regulator liniar îl lasă să treacă la ieșire. Nu este doar o funcție a cipului de control la fel de mult ca funcționarea întregului circuit.

Un PSRR de 60 dB înseamnă că orice abatere la intrare va fi atenuată cu 1000 la ieșire. O modalitate principală de a îmbunătăți reglarea liniei este de a crește câștigul circuitului de control. Cu cât câștigul buclei de control este mai mare, cu atât este mai mică eroarea la ieșire; ripple-ul de intrare este doar o altă eroare care trebuie tratată de buclă. Puteți utiliza, de asemenea, condensatori de intrare mai mari, care vor reduce ondularea pe magistrala de intrare DC, astfel încât PSRR al buclei de control se va aplica la o abatere mai mică.

Deasupra oricărei ondulații inerente în ieșire va fi zgomot aleatoriu generat de referința tensiunii cipului de control și de toate celelalte surse de zgomot termic, de împușcare și pâlpâire. Există trei moduri comune de a face față acestui zgomot, care de multe ori ajută și la ondulare:

Filtrare

Puteți utiliza un filtru pentru a elimina zgomotul de la o sursă de alimentare la fel cum utilizați filtre pentru a elimina zgomotul de la un semnal. Într-adevăr, puteți lua în considerare condensatorii de ieșire ca parte a unui filtru care reacționează împotriva impedanței de ieșire a circuitului de alimentare. Creșterea valorii capacității de ieșire va reduce zgomotul.

Rețineți că condensatoarele au atât o rezistență de serie echivalentă (ESR), cât și o inductanță de serie echivalentă (ESL) (Fig. 2). Selectarea condensatoarelor cu ESR și ESL mai mici va reduce zgomotul, dar aveți grijă, unele circuite de alimentare utilizează ESR pentru a furniza semnalul de eroare pentru feedback. Dacă îl reduceți radical, să zicem, prin înlocuirea condensatoarelor electrolitice cu cele din ceramică, este posibil să vă faceți alimentarea instabilă.

2. Condensatoarele au multe elemente rătăcite, așa cum se arată în acest circuit echivalent Spice. Lser și Rser din această schemă reprezintă inductanța în serie echivalentă (ESL) și rezistența în serie echivalentă (ESR). Elementele Cpar, Rpar și RLshunt sunt de obicei neglijabile în majoritatea aplicațiilor de circuite. (Amabilitatea LTWiki.org)

În plus față de capacitatea naturală de ieșire a sursei de alimentare, puteți adăuga un inductor de serie și un alt condensator de filtrare pentru a reduce și mai mult zgomotul de ieșire (Fig. 3). Inductorul trece curent continuu cu pierderi neglijabile, oferind în același timp o impedanță de înaltă frecvență pe care condensatorul o poate reacționa pentru a filtra zgomotul. În esență, creșteți impedanța de ieșire de înaltă frecvență a alimentării, astfel încât să o puteți filtra mai eficient cu condensatori mai mici.

3. Pentru a reduce zgomotul unei șine de alimentare la o sarcină (RL), puteți realiza un filtru low-pass L-C. (Amabilitatea Wikimedia)

Problema cu adăugarea circuitelor LC este că au o frecvență de rezonanță naturală. Astfel, poate face ca alimentarea dvs. să fie instabilă sau să producă sunete inacceptabile după modificări de încărcare tranzitorii. Dacă alimentarea furnizează curenți mici, este posibil să puteți utiliza un rezistor în locul unui inductor. Acest lucru va crea un termen de pierdere de curent continuu, dar rezistorul adaugă și amortizarea filtrului de ieșire.

Un filtru util pentru comutarea vârfurilor și a altor zgomote de ieșire de înaltă frecvență sunt bile de ferită. Cuplajul magnetic cu urma de ieșire sau sârmă și cordonul vor atenua zgomotul. O altă sursă de zgomot de ieșire ar putea fi cuplarea electromagnetică din lumea exterioară. Aici folosiți ecranare pentru a proteja circuitul de alimentare de la influențe externe.

Rețineți, de asemenea, că urmele plăcilor de circuite au inductanță și ar putea fi necesar să le adaptați cu planuri de putere și lățimi de urmărire. Utilizarea cablurilor cu perechi răsucite este o modalitate bună de a reduce inductanța pentru a preveni sunetele și depășirea vârfurilor. Adăugarea oricărui filtru poate crește timpul de pornire și răspunsul tranzitoriu al sistemului dvs. Dacă folosiți puterea pentru a efectua o măsurare și apoi pentru a opri, trebuie să schimbați eficacitatea filtrării cu timpul necesar pentru pornire.

Ocolind

Poate mai puțin evident, puteți reduce, de asemenea, zgomotul prin ocolirea corectă a cipurilor de control din proiectarea sursei de alimentare. Ocolirea cipurilor alimentate de sursa de alimentare nu va reduce zgomotul la sursă, dar va fi redus la pinii de alimentare ai cipurilor. Când ocoliți cipurile din circuitul de alimentare, utilizați instrucțiunile normale de a pune condensatorul aproape de pinii de alimentare și folosiți condensatori ceramici, de preferință montați la suprafață, care au ESR și ESL scăzut. Rețineți că dimensiunea fizică a condensatorului va dicta eficacitatea acestuia la fel de mult ca și valoarea sa (Fig. 4).

4. La frecvențe joase, impedanța unui condensator de 270 µF este mai mică decât cea a unei versiuni de 10 µF, așa cum v-ați aștepta. La 1 MHz, capacul de 10 µF are o impedanță mai mică datorită auto-rezonanței de la inductanța rătăcită. Trebuie să vă uitați la curbele de impedanță ale diferitelor dimensiuni ale pachetului de condensatori pentru a vă asigura că obțineți cea mai mică impedanță la frecvențele pe care încercați să le filtrați. (Amabilitatea lui Johanson Dielectrics)

Post-reglementare

O modalitate bună, dar costisitoare, de a reduce zgomotul alimentării cu energie este de a pune un al doilea regulator de zgomot redus la ieșirea de alimentare. Aceasta implică adesea un regulator liniar cu scădere redusă (LDO). Acesta va reduce orice ieșire de ieșire cu un ordin de mărime sau mai mult. Mai bine, puteți adăuga un filtru RC sau LC după LDO pentru a reduce zgomotul și mai mult. Zgomotul unei reguli liniare este adesea exprimat ca o valoare RMS pe unul sau mai multe intervale de frecvență. Dacă aveți nevoie de o sursă de energie foarte precisă și cu derivare redusă, puteți utiliza un cip de referință în locul unui regulator LDO.

Un lucru de reținut este gamele de frecvență care experimentează zgomot. Amplificatoarele au, de asemenea, respingerea sursei de alimentare, iar această respingere scade semnificativ la frecvențe înalte. Din păcate, PSRR al regulatoarelor liniare se înrăutățește și la frecvențe înalte (Fig. 5).

5. Un regulator LDO are un raport de respingere (PSRR) mult mai bun la frecvențe joase. PSRR de referință domină la frecvențe joase, în timp ce câștigul buclei interne asigură PSRR la frecvențe medii. La frecvențe înalte, condensatorii de ieșire domină PSRR, iar curba este similară cu cea prezentată în Figura 4. (Amabilitatea dispozitivelor analogice)

Cu toate acestea, un astfel de zgomot de înaltă frecvență este mult mai ușor de îndepărtat cu filtrarea LC sau RC, deci nu se pierde totul. Abordarea holistică este de a elimina zgomotul la intrarea în comutator, apoi ocoli și asigurați-vă că cipul IC de comutare are un zgomot redus. După aceea, alegeți un regulator liniar LDO cu zgomot redus, astfel încât să puteți adăuga apoi un filtru de ieșire. Ar trebui să examinați PSRR-ul cipurilor pe care le alimentați și să le intersectați cu PSRR-ul regulatorului liniar pentru a elimina cât mai mult zgomot posibil pe lățimea de bandă de frecvență a circuitului. Apoi proiectați filtrul pentru a elimina suficient zgomot de înaltă frecvență pentru a vă atinge obiectivele de zgomot pe calea semnalului.

Primă

Filtrarea, ocolirea și post-reglarea sunt cele trei modalități principale de reducere a zgomotului alimentat cu energie electrică, dar există câteva tehnici mai puțin utilizate. Una este să folosiți o baterie pentru a vă alimenta circuitele. Bateriile sunt o sursă de energie cu zgomot foarte redus în comparație cu comutatoarele sau chiar convertoarele liniare.

Un alt truc este disponibil dacă aveți nevoie doar de măsurători rare. Puteți dezactiva momentan regulatorul de comutare și puteți utiliza condensatori mari de susținere pentru a vă alimenta circuitul în timp ce efectuați măsurarea. Un truc final este sincronizarea regulatorului de comutare cu achiziționarea măsurătorii, astfel încât acesta să aibă loc în același punct al ondulației și al altor zgomote periodice ale alimentării. Acest lucru este similar cu sincronizarea mai multor surse de alimentare cu comutare. În acest caz, încercați să eliminați orice frecvență de bătăi creată de diferite frecvențe de comutare.

Indiferent dacă sunteți afectat de frecvențe de zgomot, zgomot sau bătăi, aceste tehnici vă vor permite să reduceți zgomotul sistemului dvs. de alimentare la niveluri suficient de scăzute pentru nevoile dvs. Când ajungeți la măsurători pe 18 și 24 de biți și conversii digital-analog (DAC), obținerea șinelor de alimentare cât mai curată posibil este esențială pentru a obține performanța disponibilă din circuitele integrate pe care le utilizați.