9 ianuarie 2017, în Tom's Circuits

tempo

Proiectarea incorectă a filtrului de alimentare cu energie electrică duce la hardware necredibil. Acest lucru este îngrozitor de frecvent. Proiectarea corectă a filtrului de alimentare ajută la eliminarea unei clase întregi de probleme misterioase de circuit și îmbunătățește ocolirea sursei de alimentare. Pentru a crea un design mai bun, urmați acești pași:

  1. Înțelegeți cerințele de filtrare a sursei de alimentare.
  2. Folosiți reguli simple pentru a găsi valorile componentelor.
  3. Iterează designul folosind un simulator de circuit.

Ondulația de înaltă frecvență trece direct printr-un regulator liniar. Ripple-ul provine din surse de comutare, circuite digitale și interferențe radio. La frecvențe peste aproximativ 10 kHz, majoritatea regulatoarelor liniare încep să-și piardă eficacitatea. Micii condensatori de bypass distribuiți între circuite integrate devin eficiente la aproximativ 1 MHz. Un filtru simplu de decuplare a sursei de alimentare realizat dintr-un inductor și condensator acoperă decalajul dintre aproximativ 10 kHz și 1 MHz. Proiectarea corectă a filtrului de decuplare asigură faptul că nu va cauza mai multe probleme decât rezolvă.

Graficul de mai sus prezintă intervalele tipice de frecvență de filtrare a sursei de alimentare. Proiectarea atentă cu componente performante poate extinde aceste intervale de frecvență și nu toate proiectele au aceleași cerințe pentru respingerea ondulării.

Un filtru bun de alimentare poate fi construit dintr-un singur inductor și condensator amortizat. Aceasta se numește filtru LC. Sunt posibile și alte modele, cu mai multe sau mai puține componente. Procesul de proiectare este de a genera mai întâi cerințele pentru inductor LIVRE, alegeți un candidat pentru inductor și apoi proiectați filtrul din jurul acestuia. Dacă nu se poate proiecta un filtru acceptabil, dați seama ce a fost în neregulă cu inductorul, alegeți un inductor mai bun și încercați din nou.

În exemplul de proiectare, se presupune că regulatorul de alimentare este off-board și o tensiune reglată intră printr-un conector. Atunci când există un regulator local, designul este mai simplu și uneori filtrul de alimentare poate fi redus.

Filtrul de alimentare vine după regulator, deci trebuie să aibă o scădere de tensiune DC scăzută. Foaia tehnică a inductorului are o valoare pentru rezistența DC. Căderea de tensiune este cu aproximativ 20% mai mare decât această rezistență de curent. 20% în plus reprezintă creșterea rezistenței firului de cupru al inductorului la temperaturi mai ridicate.

Selecția inductorului

Valoarea inductanței necesare pentru filtru nu este prea greu de calculat. Ar trebui să fie de aproximativ zece ori mai mare decât toate celelalte inductanțe din serie cu sursa de alimentare. Dacă nu există alți inductori sau margele de ferită în alimentare, această inductanță se datorează cablurilor și urmelor de circuite imprimate. Aproximarea nu extrem de precisă pentru calcularea acestei inductanțe este de a lua lungimea maximă pentru puterea de deplasare și de a se înmulți cu 1 nH pe milimetru. Inductanța planurilor de putere este mult mai mică și, pentru acest calcul, lungimea căilor planului de putere poate fi ignorată.

În acest exemplu, vreau ca placa să funcționeze pe un cablu extender care are aproximativ 300 mm lungime, iar placa are aproximativ 100 mm X 100 mm. O lungime totală generoasă este de 500 mm, ceea ce înseamnă că inductanța mea de distribuție a puterii este ceva de genul 500nH. Pentru a face inductorul filtrului de alimentare de aproximativ 10 ori mai mare decât acesta, am ales un inductor de 10uH +/- 30%. Inductanța suplimentară reprezintă toleranța de -30%. În plus față de toleranța inițială, valoarea inductorului scade odată cu creșterea curentului. Pentru această parte, la 2,4 amperi, inductanța scade cu încă 35%.

Am ales inductorul Bourns SRU1028. Are înălțime redusă, este auto-ecranat și este ușor disponibil. Am găsit-o căutând pe Digi-Key un inductor de 10uH cu un cost redus, cu un rating curent de cel puțin 2 Amperi. De asemenea, îmi place fișa tehnică Bourns, deoarece are specificațiile necesare pentru a face un model de simulare bun al inductorului.

Acest model cu inductor utilizează patru componente. Inductanța L este la fel ca fișa tehnică L. Rezistența seriei RESR este la fel ca RDC din foaia de date. Valorile RQ și CSRF sunt calculate din valorile foii de date pentru frecvența de test fSRF, Q și Q.

Aceste componente suplimentare determină inductorul să aibă comportamentul în graficul de impedanță de mai sus. Curba solidă este magnitudinea dB a impedanței, iar curba punctată este unghiul de fază al impedanței. Sub aproximativ 1 kHz, inductorul acționează ca un rezistor mic RDC. Peste 1 kHz acționează ca un inductor, până aproape de Frecvența de auto-rezonanță (SRF). Pentru o gamă îngustă de frecvențe în apropierea SRF, inductorul acționează ca o rezistență de valoare mare cu valoarea RQ. Deasupra SRF, inductorul acționează ca un condensator CSRF.

Sursa de tensiune V1 este o sursă de 1 Volt AC. Impedanța poate fi reprezentată grafic cu expresia -1/(i (V1)). Pentru a afla LTspice, consultați tutorialele mele din seria de simulare pe YouTube. Analiza LTspice AC este în partea unu și partea a doua, iar analiza tranzitorie este în partea a treia. Durata totală a videoclipului este de aproximativ 12 minute.

Selectarea condensatorului

Este ușor să transformați schema modelului inductor într-un filtru trece-jos prin adăugarea unui condensator la schemă. Am ales condensatorul Kemet T491A106010A, care este un condensator de tantal polarizat de 10 uF cu un ESR maxim de 3,8 Ω și o tensiune nominală de 10 V.

Răspunsul în frecvență al acestui filtru este V (VOUT)/V (VIN), dar din moment ce V (VIN) = 1 în simularea mea, obțin același răspuns dintr-un grafic al lui V (VOUT).

Condensatoarele ceramice High-Q, low ESR au înlocuit condensatoarele de tantal în multe aplicații. Apoi am încercat o simulare cu un condensator ceramic scăzut ESR în loc de tantal:

Vârful la 15,9 kHz este rezonanța LB și CB

Modelează Rețeaua de încărcare

Aceste inductanțe tipice ale urmelor demonstrează rezonanțe suplimentare în rețeaua de distribuție a energiei electrice.

Curent de încărcare

Impedanța la VLOAD este v (VLOAD)/i (I1). Deoarece curentul alternativ din I1 este setat la 1, impedanța este doar v (VLOAD):

Rezonanța neamortizată încercuită mai sus este la 1,87 MHz. Aceasta este o frecvență în care o sarcină pulsată va cauza o problemă.

Am simulat sarcina pulsată cu o sursă de curent pulsat prezentată în schema de mai sus. Acest exemplu arată impulsuri cu o amplitudine de 20mA și o perioadă de 535ns. Cele mai mari oscilații de tensiune apar atunci când perioada sursei de curent pulsat este reciprocă a frecvenței rezonanței.

Forma undei sinusoidale a tensiunii de ondulare din acest exemplu este tipică pentru rezonanțele neamortizate, cu Q ridicate în distribuția de energie. Rezonanța neamortizată acționează ca un filtru care transformă impulsurile de curent într-o formă de undă de tensiune sinusoidală:

Acest lucru schimbă forma și scade forma de undă de tensiune cauzată de curentul de încărcare pulsat.