Conception et analyse de filtre d'entrée

La sur-ingénierie ne signifie pas toujours un effort inutile, surtout si l'objectif principal est de créer un dispositif de test cohérent, comme je prévois de le faire – un dispositif de test de régulateur de tension épique. J'ai besoin d'une entrée de tension super propre, ultra-faible bruit et d'un équipement de mesure haut de gamme avec une meilleure interface pour mon installation de test afin de rendre les résultats comparables. Dans mon contenu précédent, j'ai présenté les résultats recueillis à partir de la première version de ce concept de dispositif de test, mais il était évident que j'avais besoin de quelques améliorations dans certains domaines. Ainsi, j'ai décidé de séparer mon étage d'entrée CC prévu pour l'ensemble de l'instrument sur sa propre carte pour pouvoir évaluer sa performance et, en même temps, voir combien de composants je peux retirer, ce qui m'aidera à réduire le coût de la nomenclature tout en économisant beaucoup d'espace sur la carte. Dans cet article, je vais essayer d'expérimenter avec les effets des étages de filtrage et analyser combien de filtrage est nécessaire.
La première amélioration serait liée à l'instrument de test utilisé pour la mesure. Même si le Rigol MSO5000 est un oscilloscope décent, que j'ai utilisé pour mesurer la performance du régulateur avec mon ancien dispositif, il n'a pas le meilleur plancher de bruit ou le nombre effectif de bits de résolution. Cependant, mes oscilloscopes plus récents, tels que la série Keysight MXR, ont d'excellents fronts d'entrée et des planchers de bruit dans la gamme des microvolts plutôt que des millivolts.

La deuxième amélioration serait de répondre à "De combien de filtrage ai-je besoin ?" ou "Y a-t-il une chose comme trop de filtrage ?". La réponse à ces questions serait, bien sûr, "Ça dépend !". Considérant le niveau d'atténuation requis dans les bandes de fréquences intéressées par rapport à l'espace sur la carte et au coût total, c'est un compromis d'ingénierie. Dans mon dispositif de test, je dois m'assurer que le bruit de l'alimentation de laboratoire est suffisamment filtré tout en regardant le bruit de sortie du dispositif sous test pour m'assurer que ce n'est pas mon installation de test qui affecte l'ensemble du benchmark. C'est un fait bien connu que les régulateurs à découpage ont des ratios de rejet horribles pour le bruit d'entrée. Par conséquent, j'ai conçu cette carte avec différents étages de filtre en mode commun et différentiel pour m'assurer qu'il y a le moins de bruit d'entrée possible atteignant le régulateur. C'est le premier contenu se concentrant sur cette carte, et restez à l'écoute pour le reste, tel que la détection de courant intégrée et repousser les limites des composants. Comme d'habitude, ce projet est une conception de matériel open-source, et tous les fichiers de projet sont dans mes dépôts GitHub.

Commençons à explorer le schéma de cette carte :

Les massifs connecteurs d'entrée sont de la série REDCUBE de Wurth Elektronik, qui me permettent de fournir 1,5 kilowatts depuis mon alimentation de laboratoire Kikusui à la carte sans m'inquiéter de la haute densité de courant autour du connecteur compromettant la plus grande zone de la carte. Bien que j'ai de nombreuses mesures préventives contre l'ESD lors des tests en laboratoire, j'ai eu des MOSFETs qui ont échoué dans l'itération précédente de mon dispositif à cause de l'ESD. Par conséquent, l'entrée de la carte comporte une énorme diode ESD, qui devrait gérer tout événement qui pourrait survenir lors de la manipulation des connecteurs d'entrée.

Le premier étage de filtrage après le connecteur d'entrée est une self de mode commun (L1). L'alimentation de laboratoire aura du bruit en mode commun et en mode différentiel, où le bruit en mode commun est symétrique entre les câbles. Dans des conditions normales, tordre les câbles d'alimentation et de retour ou utiliser un récepteur différentiel selon l'application, par nature, aide à réduire le bruit en mode commun ; cependant, tordre les câbles d'entrée d'alimentation n'est pas possible en raison de l'agencement de mon rack d'équipement. Étant donné que mes alimentations PWX sont en haut de mon rack d'équipement, j'ai environ 1,5m de câbles de gros calibre, que je ne peux pas tordre pour une meilleure immunité au bruit et qui agissent comme une antenne EMI connectée directement à la carte.

La self de mode commun (CMC) est un composant qui aide à atténuer le bruit en mode commun. Elle est constituée de deux bobines enroulées autour d'un noyau magnétique partagé. Les courants des deux lignes s'écoulent dans la même direction, ce qui atténue le bruit en mode commun. 

D'autre part, le courant normal s'écoule dans des directions différentes, et les champs magnétiques s'annulent mutuellement dans le noyau. Cela résulte en une impédance minimale à l'alimentation DC.

Cependant, tordre les câbles ou utiliser un CMC est inefficace pour atténuer le bruit en mode différentiel. Il est important de noter que l'inductance parasite du CMC pourrait former un petit filtre LC avec les condensateurs dans le circuit. Cependant, cela aurait des effets négligeables et serait possiblement inadéquat. Par conséquent, une autre topologie de filtre est nécessaire, et le filtre Pi est une bonne option. Il ressemble au symbole Pi, avec une inductance formant le haut et des condensateurs formant les jambes.

Le filtre Pi a une faible résistance en série DC mais est très efficace pour éliminer les composants du signal AC. Il y parvient en fournissant un chemin d'impédance très basse pour le bruit à la fréquence ajustée aux deux extrémités de l'inductance. Le point de coupure pour le bruit dépend des composants choisis.

La carte a trois étages de filtre Pi utilisant deux modèles d'inductance différents, dont l'un est bien plus petit que les autres. On ne sait pas si tous ces étages sont nécessaires, mais en supprimer certains pourrait permettre d'économiser considérablement de l'espace sur la carte et de réduire les coûts des composants.
 
Honnêtement, il n'est pas toujours possible de produire des résultats parfaits du premier coup sans rien oublier. Une chose que j'aurais dû ajouter à la conception de la carte mais qui m'a échappé, ce sont des points de test auxquels je peux connecter des équipements de test. 

Par conséquent, j'ai gratté un peu de masque de soudure et ajouté des connecteurs u.Fl et SMA attachés à la carte pour connecter directement le câble coaxial entre la carte et les instruments de test.

Avec ces points de test, je peux progressivement vérifier l'atténuation des signaux au fur et à mesure qu'ils traversent la carte et comparer la performance de chaque étage.
 
Nous devons mesurer avec précision la réponse en fréquence et l'impédance pour évaluer la performance des filtres, ce qui fait de l'analyseur de réseau vectoriel un bon choix. Comme nous sommes intéressés par la réponse jusqu'au DC, un VNA RF typique sera insuffisant en raison de limitations de fréquence inférieure ; mon Rohde & Schwarz ZNB8, par exemple, ne peut pas mesurer en dessous de 100kHz. D'autre part, l'Omicron Lab Bode 100 descend jusqu'à 1Hz.

Bien que l'augmentation de l'atténuation du bruit soit l'objectif principal du filtre, il doit permettre une faible résistance en continu pour éviter les pertes. Mon multimètre 6,5 chiffres Keysight 34465A mesure un peu plus de 40 milliohms.

En comparaison, en additionnant les résistances en continu revendiquées par le fabricant pour la bobine d'arrêt et les inducteurs, nous obtenons 62 milliohms, donc nous devrions voir très peu de chauffage dû aux pertes de résistance à travers le filtre.
 
La résistance de la série du filtre semble prometteuse, donc je vais passer à la mesure des fréquences plus élevées. Tout d'abord, je vais mesurer la réponse globale du filtre puis mesurer les étapes individuelles pour évaluer leurs contributions à la réponse complète. Pour une meilleure compréhension, je vais passer à l'admittance plutôt qu'à l'impédance, car c'est plus évident dans le contexte d'un filtre. L'admittance montre combien l'atténuation du signal le Bode 100 mesure de sa sortie au Canal 2. La mesure commence à devenir désordonnée à son point le plus bas, mais je suis certain que c'est parce que le signal est si faible, et la force du signal sur le récepteur est presque inexistante, donc il n'y a pas grand-chose à détecter. Cependant, c'est exactement ce que je veux du filtre. Le filtre a été conçu pour bloquer le bruit de 140kHz provenant de l'alimentation du laboratoire électrique.

Pour déterminer si une étape doit être supprimée, nous devrions mesurer les entrées et sorties des blocs individuels. En mesurant VIN à VCMC, nous pouvons commencer par l'effet du filtre en mode commun, qui comprend un CMC et le premier condensateur électrolytique de 330 microfarads. Il fournit un bon niveau d'atténuation et est un excellent début pour notre filtre.

Le premier filtre Pi est un composant significatif de notre performance de filtre totale. Ce filtre a une inductance physiquement plus petite et de valeur inférieure à celle de l'étape suivante, et mesurer à travers VIN à VF_1 nous permettra de voir sa performance. Les résultats montrent que cette partie du filtre a un effet significatif sur la réponse globale.

La mesure de VIN à VF_2 inclut le premier gros inducteur et la réponse du filtre de deuxième étape, illustrée ci-dessous. Une fois les tracés vert et gris comparés, nous pouvons clairement dire que le troisième étage de filtrage ne contribue pas beaucoup et pourrait être supprimé sans risque.

Si nous mesurons à partir de VCMC au lieu de VIN, nous pouvons contourner le CMC pour voir la performance des filtres Pi seuls, ce qui confirme à nouveau que le dernier étage de filtrage ne contribue pas trop.

Il y a une différence significative entre l'inducteur de la première étape de filtrage et le reste en termes de disponibilité et de coût. La question est, est-ce que les gros inducteurs valent cette dépense ? La mesure verte de VCMC à VF_1 représente le premier filtre. Nous pouvons comparer cela à la mesure de VF_2 à VF_3, qui considère uniquement le filtre de la dernière étape. Dans un monde idéal, la fréquence de coupure pour la trace violette devrait être environ la moitié de celle de la première étape de filtrage. Cependant, les deux fréquences de coupure ne sont que de quelques kilohertz. Malheureusement, les parasitiques combinés de la carte et des composants rendent difficile la détermination dans le monde réel. Nous avons de bons polygones de taille importante sur plusieurs couches qui forment des condensateurs plans, et les gros condensateurs électrolytiques ont également une composante de résistance série significative, qui affecte toutes ces réponses.

Sur la base de mon analyse, je peux conclure que le filtre fonctionne très bien comme prévu, et je pense que le troisième étage pourrait être supprimé pour économiser une quantité massive d'espace sur la carte. Bien que je ne sois pas entièrement sûr, je suggère de retirer le deuxième filtre ou de le changer pour qu'il soit identique au premier, puisqu'il n'est même pas mesurable une fois que nous dépassons 100 dB de perte.