Progettazione e Analisi del Filtro di Ingresso

Il sovra-dimensionamento non significa sempre impiegare uno sforzo inutile, specialmente se l'obiettivo principale è creare un dispositivo di test consistente, come ho intenzione di fare – un dispositivo epico per testare regolatori di tensione. Ho bisogno di un ingresso di tensione super pulito, ultra-basso rumore e di strumenti di misura di alta gamma con un miglior front end per il mio setup di test per rendere i risultati comparabili. Nei miei contenuti precedenti, ho presentato i risultati raccolti dalla prima versione di questo concetto di dispositivo di test, tuttavia era ovvio che avevo bisogno di alcuni miglioramenti in alcune aree. Pertanto, ho deciso di separare la mia pianificata fase di ingresso DC per l'intero strumento sulla sua propria scheda per poter valutare le sue prestazioni e, allo stesso tempo, per vedere quanti componenti posso rimuovere, il che mi aiuterà a ridurre i costi del BOM pur risparmiando molto spazio sulla scheda. In questo articolo, cercherò di sperimentare gli effetti delle fasi di filtro e analizzare quanto filtraggio è necessario.
Il primo miglioramento sarebbe relativo allo strumento di misura utilizzato per la misurazione. Anche se Rigol MSO5000 è un oscilloscopio decente, che ho usato per misurare le prestazioni del regolatore con il mio vecchio dispositivo, non ha il miglior piano di rumore o numero effettivo di bit di risoluzione. Tuttavia, i miei oscilloscopi più recenti, come la serie Keysight MXR, hanno ottimi front-end e piani di rumore nell'ordine dei microvolt piuttosto che dei millivolt.

Il secondo miglioramento sarebbe rispondere a "Quanto filtraggio mi serve?" o "Esiste una cosa come troppo?". La risposta a queste domande sarebbe, ovviamente, "Dipende!". Considerando il livello di attenuazione richiesto nelle bande di frequenza di interesse rispetto allo spazio sulla scheda e al costo totale, si tratta di un compromesso ingegneristico. Nel mio dispositivo di test, devo assicurarmi che il rumore dell'alimentatore da laboratorio sia sufficientemente filtrato mentre osservo l'uscita di rumore del dispositivo in prova per assicurarmi che non sia il mio setup di test a influenzare l'intero benchmark. È un fatto noto che i regolatori a commutazione hanno pessimi rapporti di reiezione per il rumore in ingresso. Pertanto, ho progettato questa scheda con diverse fasi di filtro in modo comune e differenziale per assicurare che il minimo rumore possibile raggiunga il regolatore. Questo è il primo contenuto focalizzato su questa scheda, e rimanete sintonizzati per il resto, come il sensing di corrente integrato e spingere al limite i componenti. Come al solito, questo progetto è un design hardware open-source, e tutti i file del progetto sono nei miei repository GitHub.

Iniziamo ad approfondire lo schema di questa scheda:

I massicci connettori di ingresso sono della serie REDCUBE di Wurth Elektronik, che mi permettono di fornire 1,5 kilowatt dalla mia alimentazione da laboratorio Kikusui alla scheda senza preoccuparmi della densità di corrente elevata intorno al connettore che compromette l'ampia area della scheda. Sebbene abbia molte misure preventive contro l'ESD durante i test in laboratorio, ho avuto dei MOSFET che hanno fallito nella precedente iterazione del mio dispositivo a causa dell'ESD. Pertanto, l'ingresso della scheda presenta un'enorme diodo ESD, che dovrebbe gestire qualsiasi evento che potrebbe verificarsi durante la manipolazione dei connettori di ingresso.

La prima fase di filtraggio dopo il connettore di ingresso è un induttore di modo comune (L1). L'alimentazione da laboratorio avrà rumore di modo comune e differenziale, dove il rumore di modo comune è simmetrico tra i cavi. In condizioni normali, torcere i cavi di alimentazione e di ritorno o utilizzare un ricevitore differenziale a seconda dell'applicazione, per natura, aiuta a ridurre il rumore di modo comune; tuttavia, torcere i cavi di alimentazione non è possibile a causa della disposizione del mio rack di attrezzature. Dato che le mie alimentazioni PWX sono in cima al mio rack di attrezzature, ho circa 1,5m di cavi di grosso calibro, che non posso torcere per una migliore immunità al rumore e che agiscono come un'antenna EMI collegata direttamente alla scheda.

L'induttore di modo comune (CMC) è un componente che aiuta ad attenuare il rumore di modo comune. Consiste in due bobine avvolte attorno a un nucleo magnetico condiviso. Le correnti di entrambe le linee scorrono nella stessa direzione, il che attenua il rumore di modo comune. 

D'altra parte, la corrente normale scorre in direzioni diverse, e i campi magnetici si annullano a vicenda nel nucleo. Questo risulta in una minima impedenza all'alimentazione DC.

Tuttavia, torcere i cavi o utilizzare un CMC è inefficace nell'attenuare il rumore in modo differenziale. È importante notare che l'induttanza parassita del CMC potrebbe formare un piccolo filtro LC con i condensatori nel circuito. Tuttavia, questo avrebbe effetti trascurabili e sarebbe probabilmente inadeguato. Pertanto, è necessaria un'altra topologia di filtro, e il filtro Pi è una buona opzione. Assomiglia al simbolo Pi, con un induttore che forma la parte superiore e i condensatori che formano le gambe.

Il filtro Pi ha una bassa resistenza in serie DC ma è molto efficace nell'eliminare le componenti del segnale AC. Ciò è ottenuto fornendo un percorso di impedenza molto basso per il rumore alla frequenza regolata su entrambe le estremità dell'induttore. Il punto di taglio per il rumore dipende dai componenti scelti.

La scheda ha tre stadi di filtro Pi utilizzando due diversi modelli di induttore, uno dei quali è molto più piccolo degli altri. Non è noto se tutti questi stadi siano necessari, ma rimuovere alcuni stadi potrebbe consentire un significativo risparmio di spazio sulla scheda e di costo dei componenti.
 
Onestamente, non è sempre possibile ottenere risultati perfetti al primo tentativo senza tralasciare nulla. Una cosa che avrei dovuto aggiungere alla progettazione della scheda ma che mi è sfuggita sono i punti di test ai quali posso collegare le apparecchiature di test. 

Pertanto, ho rimosso un po' di maschera di saldatura e aggiunto connettori u.Fl e SMA alla scheda per collegare direttamente il cavo coassiale tra la scheda e gli strumenti di test.

Con questi punti di test, posso verificare progressivamente l'attenuazione dei segnali man mano che attraversano la scheda e confrontare le prestazioni di ogni stadio.
 
Dobbiamo misurare con precisione la risposta in frequenza e l'impedenza per valutare le prestazioni dei filtri, rendendo l'analizzatore di rete vettoriale una buona selezione. Poiché siamo interessati alla risposta fino al DC, un tipico VNA RF sarebbe insufficiente a causa delle limitazioni di frequenza inferiore; il mio Rohde & Schwarz ZNB8, ad esempio, non può misurare al di sotto di 100kHz. D'altra parte, l'Omicron Lab Bode 100 scende fino a 1Hz.

Anche se l'obiettivo principale del filtro è aumentare l'attenuazione del rumore, dovrebbe consentire una bassa resistenza in DC per prevenire perdite. Il mio multimetro digitale a 6,5 cifre Keysight 34465A misura poco più di 40 milliohm.

Per confronto, sommando le resistenze in DC dichiarate dal produttore per il choke e gli induttori, otteniamo 62 milliohm, quindi dovremmo vedere molto poco riscaldamento dovuto a perdite di resistenza attraverso il filtro.
 
La resistenza della serie del filtro sembra promettente, quindi passerò alla misurazione delle misure ad alta frequenza. In primo luogo, misurerò la risposta complessiva del filtro e poi misurerò le singole fasi per valutare i loro contributi alla risposta completa. Per una migliore comprensione, passerò all'ammettenza piuttosto che all'impedenza, poiché è più evidente nel contesto di un filtro. L'ammettenza mostra quanto l'attenuazione del segnale viene misurata dal Bode 100 dalla sua uscita al Canale 2. La misurazione inizia a diventare confusa nel suo punto più basso, ma sono certo che ciò sia dovuto al fatto che il segnale è molto debole, e la forza del segnale sul ricevitore è quasi inesistente, quindi non c'è molto da percepire. Tuttavia, questo è esattamente ciò che voglio dal filtro. Il filtro è stato progettato per bloccare il rumore a 140kHz proveniente dall'alimentatore del laboratorio di potenza.

Per determinare se è necessario rimuovere una qualsiasi fase, dovremmo misurare gli ingressi e le uscite dei singoli blocchi. Misurando VIN a VCMC, possiamo iniziare con l'effetto del filtro in modo comune, che include un CMC e il primo condensatore elettrolitico da 330 microfarad. Fornisce un buon livello di attenuazione ed è un ottimo inizio per il nostro filtro.

Il primo filtro a Pi è un componente significativo della nostra prestazione totale del filtro. Questo filtro ha un induttore fisicamente più piccolo e di valore inferiore rispetto alla fase successiva, e misurando attraverso VIN a VF_1 ci permetterà di vedere la sua prestazione. I risultati mostrano che questa parte del filtro influisce significativamente sulla risposta complessiva.

Misurare da VIN a VF_2 include il primo grande induttore e la risposta del filtro di seconda fase, mostrati di seguito. Una volta confrontati i grafici verde e grigio, possiamo dire chiaramente che la terza fase del filtro non sta contribuendo molto e potrebbe essere rimossa senza problemi.

Se misuriamo da VCMC invece che da VIN, possiamo bypassare il CMC per vedere le prestazioni dei soli filtri Pi, il che conferma nuovamente che l'ultima fase del filtro non sta contribuendo molto.

C'è una differenza significativa tra l'induttore della prima fase del filtro e il resto in termini sia di disponibilità che di costo. La domanda è, valgono la pena le spese per i grandi induttori? La misurazione verde da VCMC a VF_1 rappresenta il primo filtro. Possiamo confrontarla con la misurazione da VF_2 a VF_3, che considera solo il filtro dell'ultima fase. In un mondo ideale, la frequenza di taglio per la traccia viola dovrebbe essere circa la metà di quella della prima fase del filtro. Tuttavia, entrambe le frequenze di taglio sono solo di pochi kilohertz. Sfortunatamente, i parassiti combinati della scheda e dei componenti rendono difficile determinarlo nel mondo reale. Abbiamo alcuni poligoni di buone dimensioni su più strati che formano condensatori planari, e i grandi condensatori elettrolitici hanno anche una significativa componente di resistenza in serie, che influisce su tutte quelle risposte.

Basandomi sulla mia analisi, posso concludere che il filtro funziona benissimo come previsto, e ritengo che la terza fase possa essere rimossa per risparmiare una notevole quantità di spazio sulla scheda. Anche se non sono completamente sicuro, suggerisco di rimuovere il secondo filtro o di cambiarlo affinché sia uguale al primo, visto che non è nemmeno misurabile una volta superati i 100 dB di perdita.