Diseño y Análisis de Filtros de Entrada

La sobreingeniería no siempre significa gastar esfuerzo innecesario, especialmente si el objetivo principal es crear un dispositivo de prueba consistente, como planeo hacer – un dispositivo épico para probar reguladores de voltaje. Necesito una entrada de voltaje súper limpia, con ultra-bajo ruido y equipos de medición de alta gama con un mejor frente para mi configuración de prueba para hacer los resultados comparables. En mi contenido anterior, presenté los resultados recopilados de la primera versión de este concepto de dispositivo de prueba, sin embargo, era obvio que necesitaba algunas mejoras en algunas áreas. Por lo tanto, he decidido separar mi etapa de entrada de CC planeada para todo el instrumento en su propia placa para poder evaluar su rendimiento y, al mismo tiempo, ver cuántos componentes puedo eliminar, lo que me ayudará a reducir el costo del BOM mientras ahorro mucho espacio en la placa. En este artículo, intentaré experimentar con los efectos de las etapas de filtro y analizar cuánto filtrado es necesario.
La primera mejora estaría relacionada con el instrumento de prueba utilizado para la medición. Aunque Rigol MSO5000 es un osciloscopio decente, que he usado para medir el rendimiento del regulador con mi dispositivo anterior, no tiene el mejor piso de ruido o número efectivo de bits de resolución. Sin embargo, mis osciloscopios más nuevos, como la serie Keysight MXR, tienen excelentes frentes y pisos de ruido en el rango de microvoltios en lugar de milivoltios.

La segunda mejora sería responder a "¿Cuánto filtrado necesito?" o "¿Existe tal cosa como demasiado?". La respuesta a esas preguntas sería, por supuesto, "¡Depende!". Considerando el nivel de atenuación requerido en las bandas de frecuencia de interés contra el espacio en la placa y el costo total, es un compromiso de ingeniería. En mi dispositivo de prueba, necesito asegurarme de que el ruido de la fuente de alimentación de laboratorio esté suficientemente filtrado mientras observo la salida de ruido del dispositivo bajo prueba para asegurarme de que no sea mi configuración de prueba la que afecte todo el punto de referencia. Es un hecho bien conocido que los reguladores conmutados tienen terribles relaciones de rechazo para el ruido de entrada. Por lo tanto, he diseñado esta placa con diferentes etapas de filtro de modo común y modo diferencial para asegurar que haya la menor cantidad de ruido de entrada posible alcanzando el regulador. Este es el primer contenido que se enfoca en esta placa, y manténganse atentos para el resto, como la detección de corriente integrada y llevando los límites de los componentes al máximo. Como de costumbre, este proyecto es un diseño de hardware de código abierto, y todos los archivos del proyecto están en mis repositorios de GitHub.

Comencemos a profundizar en el esquemático de esta placa:

Los masivos conectores de entrada son de la serie REDCUBE de Wurth Elektronik, que me permiten suministrar 1.5 kilovatios desde mi fuente de laboratorio Kikusui a la placa sin preocuparme por la alta densidad de corriente alrededor del conector comprometiendo el área más grande de la placa. Aunque tengo muchas medidas preventivas contra ESD durante las pruebas de laboratorio, tuve fallos en los MOSFETs en la iteración anterior de mi dispositivo debido a ESD. Por lo tanto, la entrada de la placa cuenta con un enorme diodo ESD, que debería manejar cualquier evento que pueda ocurrir mientras se manejan los conectores de entrada.

La primera etapa de filtrado después del conector de entrada es un inductor de modo común (L1). La fuente de laboratorio tendrá ruido de modo común y diferencial, donde el ruido de modo común es simétrico entre los cables. En condiciones normales, torcer los cables de alimentación y retorno o usar un receptor diferencial dependiendo de la aplicación, por naturaleza, ayuda a reducir el ruido de modo común; sin embargo, torcer los cables de entrada de alimentación no es posible debido a la disposición de mi rack de equipos. Dado que mis fuentes de alimentación PWX están en la parte superior de mi rack de equipos, tengo aproximadamente 1.5m de cables de gran calibre, que no puedo torcer para una mejor inmunidad al ruido y actúan como una antena EMI conectada directamente a la placa.

El inductor de modo común (CMC) es un componente que ayuda a atenuar el ruido de modo común. Consiste en dos bobinas enrolladas alrededor de un núcleo magnético compartido. Las corrientes de ambas líneas fluyen en la misma dirección, lo que atenúa el ruido de modo común. 

Por otro lado, la corriente normal fluye en direcciones diferentes, y los campos magnéticos se cancelan entre sí en el núcleo. Esto resulta en una impedancia mínima para la fuente de CC.

Sin embargo, torcer los cables o usar un CMC es ineficaz para atenuar el ruido en modo diferencial. Es importante notar que la inductancia parásita del CMC podría formar un pequeño filtro LC con los capacitores en el circuito. Sin embargo, esto tendría efectos insignificantes y posiblemente sería inadecuado. Por lo tanto, se necesita otra topología de filtro, y el filtro Pi es una buena opción. Se asemeja al símbolo Pi, con un inductor formando la parte superior y los capacitores formando las patas.

El filtro Pi tiene una baja resistencia en serie de CC pero es altamente efectivo para eliminar componentes de señal de CA. Esto se logra proporcionando un camino de muy baja impedancia para el ruido en la frecuencia ajustada en ambos extremos del inductor. El punto de corte para el ruido depende de los componentes elegidos.

La placa tiene tres etapas de filtro Pi usando dos modelos diferentes de inductores, uno de los cuales es mucho más pequeño que los otros. No se sabe si todas estas etapas son necesarias, pero eliminar algunas etapas podría permitir un ahorro significativo en espacio en la placa y costo de componentes.
 
Honestamente, no siempre es posible producir resultados perfectos en el primer intento sin olvidar nada. Una cosa que debería haber agregado al diseño de la placa pero se me pasó por alto son puntos de prueba a los que puedo conectar equipos de prueba. 

Por lo tanto, he raspado algo de máscara de soldadura y agregado conectores u.Fl y SMA se adjuntan a la placa para conectar el cable coaxial directamente entre la placa y los instrumentos de prueba.

Con estos puntos de prueba, puedo verificar progresivamente la atenuación de las señales a medida que avanzan a través de la placa y comparar el rendimiento de cada etapa.
 
Necesitamos medir con precisión la respuesta en frecuencia y la impedancia para evaluar el rendimiento de los filtros, lo que hace que el analizador de redes vectorial sea una buena selección. Dado que estamos interesados en la respuesta hasta CC, un VNA de RF típico será insuficiente debido a limitaciones de frecuencia más baja; mi Rohde & Schwarz ZNB8, por ejemplo, no puede medir por debajo de 100kHz. Por otro lado, el Omicron Lab Bode 100 baja hasta 1Hz.

Aunque aumentar la atenuación del ruido es el objetivo principal del filtro, este debería permitir una baja resistencia en DC para prevenir pérdidas. Mi multímetro de 6.5 dígitos Keysight 34465A mide un poco más de 40 miliohmios.

En comparación, sumando las resistencias en DC afirmadas por el fabricante para el inductor y los inductores, obtenemos 62 miliohmios, por lo que deberíamos ver muy poco calentamiento debido a pérdidas por resistencia a través del filtro.
 
La resistencia de la serie del filtro parece prometedora, así que continuaré con las mediciones de frecuencias más altas. Primero, mediré la respuesta general del filtro y luego mediré etapas individuales para evaluar sus contribuciones a la respuesta completa. Para una mejor comprensión, cambiaré a admitancia en lugar de impedancia, ya que es más evidente en el contexto de un filtro. La admitancia muestra cuánta atenuación de señal mide el Bode 100 desde su salida hasta el Canal 2. La medición comienza a complicarse en su punto más bajo, pero estoy seguro de que esto se debe a que la señal es muy débil, y la fuerza de la señal en el receptor es casi inexistente, por lo que no hay mucho que detectar. Sin embargo, esto es exactamente lo que quiero del filtro. El filtro fue diseñado para bloquear el ruido de 140kHz de la fuente de alimentación del laboratorio de potencia.

Para determinar si alguna etapa necesita ser eliminada, deberíamos medir las entradas y salidas de los bloques individuales. Midiendo VIN a VCMC, podemos comenzar con el efecto del filtro de modo común, que incluye un CMC y el primer capacitor electrolítico de 330 microfaradios. Proporciona un buen nivel de atenuación y es un excelente comienzo para nuestro filtro.

El primer filtro Pi es un componente significativo de nuestro rendimiento total del filtro. Este filtro tiene un inductor físicamente más pequeño y de menor valor que la siguiente etapa, y medir a través de VIN a VF_1 nos permitirá ver su rendimiento. Los resultados muestran que esta parte del filtro afecta significativamente a la respuesta general.

Medir desde VIN hasta VF_2 incluye el primer gran inductor y la respuesta del filtro de segunda etapa, mostrado a continuación. Una vez que se comparan las gráficas verde y gris, podemos decir claramente que la tercera etapa del filtro no está contribuyendo mucho y podría ser eliminada sin problemas.

Si medimos desde VCMC en lugar de VIN, podemos pasar por alto el CMC para ver el rendimiento de los filtros Pi solos, lo que confirma nuevamente que la etapa final del filtro no está contribuyendo demasiado.

Hay una diferencia significativa entre el inductor de la primera etapa del filtro y el resto en términos de disponibilidad y costo. La pregunta es, ¿valen la pena los grandes inductores? La medición de verde VCMC a VF_1 representa el primer filtro. Podemos comparar esto con la medición de VF_2 a VF_3, que considera solo el filtro de la etapa final. En un mundo ideal, la frecuencia de corte para la traza morada debería ser aproximadamente la mitad de la de la primera etapa del filtro. Sin embargo, ambas frecuencias de corte son solo de unos pocos kilohertz. Desafortunadamente, los parásitos combinados de la placa y los componentes hacen que sea difícil determinar en el mundo real. Tenemos algunos polígonos de buen tamaño en múltiples capas que forman capacitores planos, y los grandes capacitores electrolíticos también tienen un componente de resistencia en serie significativo, lo que afecta todas esas respuestas.

Basado en mi análisis, puedo concluir que el filtro funciona genial como se pretendía, y siento que la tercera etapa podría ser eliminada para ahorrar una cantidad masiva de espacio en la placa. Aunque no estoy completamente seguro, sugiero eliminar el segundo filtro o cambiarlo para que sea igual al primero ya que no es ni siquiera medible una vez que superamos los 100 dB de pérdida.