Entwurf und Analyse von Eingangsfiltern

Über-Engineering bedeutet nicht immer unnötigen Aufwand, besonders wenn das Hauptziel darin besteht, eine konsistente Testvorrichtung zu erstellen, wie ich es vorhabe – ein episches Spannungsregler-Testgerät. Ich benötige eine super saubere, ultra-geräuscharme Spannungseingabe und hochwertige Messgeräte mit einem besseren Frontend für mein Testsetup, um die Ergebnisse vergleichbar zu machen. In meinem vorherigen Inhalt habe ich die Ergebnisse vorgestellt, die ich mit der ersten Version dieses Testvorrichtungskonzepts gesammelt habe, doch es war offensichtlich, dass ich einige Verbesserungen in einigen Bereichen benötigte. Daher habe ich beschlossen, meine geplante Gleichstrom-Eingangsstufe für das gesamte Instrument auf seine eigene Platine auszulagern, um deren Leistung bewerten zu können und gleichzeitig zu sehen, wie viele Komponenten ich entfernen kann, was mir helfen wird, die BOM-Kosten zu reduzieren und gleichzeitig viel Platz auf der Platine zu sparen. In diesem Artikel werde ich versuchen, mit den Effekten der Filterstufen zu experimentieren und zu analysieren, wie viel Filterung erforderlich ist.
Die erste Verbesserung wäre im Zusammenhang mit dem Messinstrument für die Messung. Obwohl Rigol MSO5000 ein anständiges Oszilloskop ist, das ich verwendet habe, um die Leistung des Reglers mit meiner früheren Vorrichtung zu messen, hat es nicht den besten Rauschboden oder die effektivste Anzahl von Bits der Auflösung. Meine neueren Oszilloskope, wie die Keysight MXR-Serie, haben jedoch großartige Frontends und Rauschböden im Mikrovoltbereich anstatt im Millivoltbereich.

Die zweite Verbesserung wäre die Beantwortung der Fragen "Wie viel Filterung benötige ich?" oder "Gibt es so etwas wie zu viel?". Die Antwort auf diese Fragen wäre natürlich "Es kommt darauf an!". Unter Berücksichtigung des erforderlichen Dämpfungsniveaus bei interessierten Frequenzbändern gegenüber dem Platzbedarf auf der Platine und den Gesamtkosten handelt es sich um einen Ingenieurkompromiss. In meiner Testvorrichtung muss ich sicherstellen, dass das Rauschen des Labornetzteils ausreichend gefiltert ist, während ich das Rauschen des zu testenden Geräts betrachte, um sicherzustellen, dass nicht mein Testaufbau den gesamten Benchmark beeinflusst. Es ist eine bekannte Tatsache, dass Schaltregler schreckliche Ablehnungsverhältnisse für Eingangsrauschen haben. Daher habe ich diese Platine mit verschiedenen gemeinsamen und differentiellen Filterstufen entworfen, um sicherzustellen, dass so wenig Eingangsrauschen wie möglich den Regler erreicht. Dies ist der erste Inhalt, der sich auf diese Platine konzentriert, und bleiben Sie dran für den Rest, wie eingebaute Strommessung und das Ausreizen der Komponenten. Wie üblich ist dieses Projekt ein Open-Source-Hardware-Design, und alle Projektdateien befinden sich in meinen GitHub-Repositories.

Lassen Sie uns mit dem Schaltplan dieser Platine beginnen:

Die massiven Eingangsstecker sind aus der REDCUBE-Serie von Wurth Elektronik, die es mir ermöglichen, 1,5 Kilowatt von meinem Kikusui-Labornetzteil auf die Platine zu übertragen, ohne mir Sorgen über die hohe Stromdichte um den Stecker machen zu müssen, die das größere Platinenareal beeinträchtigen könnte. Obwohl ich viele ESD-Schutzmaßnahmen während der Labortests habe, fielen in der vorherigen Iteration meines Aufbaus MOSFETs aufgrund von ESD aus. Daher verfügt der Eingang der Platine über eine riesige ESD-Diode, die alle Ereignisse bewältigen sollte, die beim Hantieren mit den Eingangssteckern auftreten könnten.

Die erste Filterstufe nach dem Eingangsstecker ist eine Drossel für den Gleichtakt (L1). Das Labornetzteil wird sowohl Gleichtakt- als auch Differenzialmodus-Rauschen aufweisen, wobei das Gleichtaktrauschen symmetrisch zwischen den Kabeln ist. Unter normalen Bedingungen hilft das Verdrehen der Strom- und Rückleitungen oder die Verwendung eines Differenzialempfängers je nach Anwendung von Natur aus, das Gleichtaktrauschen zu reduzieren; jedoch ist das Verdrehen der Stromversorgungskabel aufgrund meiner Geräterack-Anordnung nicht möglich. Da meine PWX-Netzteile oben in meinem Geräterack stehen, habe ich etwa 1,5 m schwere Kabel, die ich nicht verdrehen kann, um eine bessere Störfestigkeit zu erzielen und die direkt mit der Platine verbunden als EMI-Antenne wirken.

Die Drossel für den Gleichtakt (CMC) ist eine Komponente, die hilft, das Gleichtaktrauschen zu dämpfen. Sie besteht aus zwei Spulen, die um einen gemeinsamen magnetischen Kern gewickelt sind. Die Ströme beider Leitungen fließen in die gleiche Richtung, was das Gleichtaktrauschen dämpft.

Andererseits fließen normale Ströme in unterschiedliche Richtungen, und die Magnetfelder heben sich im Kern gegenseitig auf. Dies führt zu einer minimalen Impedanz für die Gleichstromversorgung.

Das Verdrehen der Kabel oder die Verwendung eines CMC ist jedoch unwirksam bei der Dämpfung von differentiellem Modus-Rauschen. Es ist wichtig zu beachten, dass die Streuinduktivität des CMC möglicherweise einen kleinen LC-Filter mit den Kondensatoren im Schaltkreis bildet. Dies hätte jedoch vernachlässigbare Effekte und wäre möglicherweise unzureichend. Daher wird eine andere Filtertopologie benötigt, und der Pi-Filter ist eine gute Option. Er ähnelt dem Pi-Symbol, mit einer Induktivität, die den oberen Teil bildet und Kondensatoren, die die Beine formen.

Der Pi-Filter hat einen niedrigen Gleichstrom-Serienwiderstand, ist aber sehr effektiv bei der Entfernung von Wechselstromsignal-Komponenten. Dies erreicht er, indem er einen sehr niedrigen Impedanzpfad für das Rauschen bei der eingestellten Frequenz an beiden Enden der Induktivität bietet. Der Abschneidepunkt für das Rauschen hängt von den gewählten Komponenten ab.

Die Platine hat drei Pi-Filterstufen unter Verwendung von zwei verschiedenen Induktivitätsmodellen, von denen eines wesentlich kleiner ist als die anderen. Es ist unbekannt, ob all diese Stufen benötigt werden, aber das Entfernen einiger Stufen könnte erhebliche Einsparungen bei Platz auf der Platine und Komponentenkosten ermöglichen.
 
Ehrlich gesagt, ist es nicht immer möglich, beim ersten Versuch perfekte Ergebnisse zu erzielen, ohne etwas zu übersehen. Etwas, das ich dem Platinenentwurf hätte hinzufügen sollen, aber mir entgangen ist, sind Testpunkte, an die ich Testgeräte anschließen kann. 

Daher habe ich etwas Lötstopplack abgekratzt und u.Fl- und SMA-Steckverbinder an der Platine angebracht, um das Koaxialkabel direkt zwischen der Platine und den Testinstrumenten anzuschließen.

Mit diesen Testpunkten kann ich schrittweise die Dämpfung von Signalen überprüfen, während sie sich über die Platine bewegen, und die Leistung jeder Stufe vergleichen.
 
Wir müssen die Frequenzantwort und Impedanz genau messen, um die Leistung der Filter zu bewerten, was den Vektor-Netzwerkanalysator zu einer guten Auswahl macht. Da wir an der Antwort bis hinunter zu Gleichstrom interessiert sind, ist ein typischer RF-VNA aufgrund von Einschränkungen bei niedrigeren Frequenzen unzureichend; mein Rohde & Schwarz ZNB8 kann beispielsweise nicht unter 100kHz messen. Andererseits geht der Omicron Lab Bode 100 bis auf 1Hz herunter.

Auch wenn die Erhöhung der Dämpfung für das Rauschen das primäre Ziel des Filters ist, sollte es einen niedrigen Gleichstromwiderstand zulassen, um Verluste zu vermeiden. Mein Keysight 34465A 6,5-stelliges Multimeter misst etwas über 40 Milliohm.

Im Vergleich dazu, wenn wir die vom Hersteller angegebenen Gleichstromwiderstände für die Drossel und Induktoren zusammenzählen, erhalten wir 62 Milliohm, daher sollten wir sehr wenig Erwärmung durch Widerstandsverluste durch den Filter sehen.
 
Der Widerstand der Filterreihe sieht vielversprechend aus, also werde ich mit der Messung der Messungen bei höheren Frequenzen fortfahren. Zuerst werde ich die Gesamtfilterantwort messen und dann einzelne Stufen messen, um ihre Beiträge zur vollständigen Antwort zu bewerten. Für ein besseres Verständnis werde ich zu Admittanz statt Impedanz wechseln, da dies im Kontext eines Filters offensichtlicher ist. Admittanz zeigt, wie viel Signalabschwächung der Bode 100 von seinem Ausgang zu Kanal 2 misst. Die Messung beginnt an ihrem niedrigsten Punkt unübersichtlich zu werden, aber ich bin sicher, dies liegt daran, dass das Signal so schwach ist und die Signalstärke am Empfänger fast nicht vorhanden ist, also gibt es nicht viel zu erfassen. Dies ist jedoch genau das, was ich vom Filter möchte. Der Filter wurde entworfen, um 140kHz Rauschen von der Stromversorgung des Labors zu blockieren.

Um zu bestimmen, ob eine Stufe entfernt werden muss, sollten wir die Eingänge und Ausgänge der einzelnen Blöcke messen. Indem wir VIN zu VCMC messen, können wir mit der Wirkung des Common-Mode-Filters beginnen, der einen CMC und den ersten 330 Mikrofarad Elektrolytkondensator umfasst. Er bietet ein gutes Dämpfungsniveau und ist ein ausgezeichneter Start für unseren Filter.

Das erste Pi-Filter ist eine bedeutende Komponente unserer gesamten Filterleistung. Dieses Filter hat eine physisch kleinere und niedrigerwertige Induktivität als die nächste Stufe, und die Messung durch VIN zu VF_1 wird uns seine Leistung zeigen. Die Ergebnisse zeigen, dass dieser Filterteil einen signifikanten Einfluss auf die Gesamtantwort hat.

Die Messung von VIN bis VF_2 umfasst die erste große Induktivität und die Antwort des zweiten Filterstadiums, wie unten gezeigt. Sobald die grünen und grauen Diagramme verglichen werden, können wir klar sagen, dass das dritte Filterstadium nicht viel beiträgt und möglicherweise sicher entfernt werden kann.

Wenn wir stattdessen von VCMC messen, können wir das CMC umgehen, um die Leistung der Pi-Filter allein zu sehen, was erneut bestätigt, dass das letzte Filterstadium nicht zu viel beiträgt.

Es gibt einen signifikanten Unterschied zwischen der Induktivität des ersten Filterstadiums und dem Rest in Bezug auf Verfügbarkeit und Kosten. Die Frage ist, ob die großen Induktivitäten die Ausgaben wert sind? Die grüne VCMC- bis VF_1-Messung repräsentiert das erste Filter. Wir können dies mit der VF_2- bis VF_3-Messung vergleichen, die nur das letzte Filterstadium berücksichtigt. In einer idealen Welt sollte die Grenzfrequenz für die violette Spur etwa die Hälfte der des ersten Filterstadiums betragen. Allerdings liegen beide Grenzfrequenzen nur wenige Kilohertz auseinander. Leider machen die kombinierten Parasiten der Platine und der Komponenten es in der realen Welt schwierig, dies zu bestimmen. Wir haben einige gut dimensionierte Polygone auf mehreren Schichten, die Plattenkondensatoren bilden, und die großen Elektrolytkondensatoren haben auch eine signifikante Serienwiderstandskomponente, die all diese Antworten beeinflusst.

Basierend auf meiner Analyse kann ich schlussfolgern, dass das Filter wie beabsichtigt hervorragend funktioniert, und ich denke, dass das dritte Stadium entfernt werden könnte, um eine enorme Menge an Platz auf der Platine zu sparen. Obwohl ich mir nicht ganz sicher bin, schlage ich vor, das zweite Filter zu entfernen oder es so zu ändern, dass es dem ersten gleicht, da es einmal, wenn wir über 100 dB Verlust hinausgehen, nicht einmal messbar ist.