入力フィルタの設計と解析

過剰設計は、特に一貫したテストフィクスチャを作成することが主な目標である場合、必ずしも不必要な努力を意味するわけではありません。私が計画しているように、壮大な電圧レギュレータテスト装置を作成します。超クリーンで超低ノイズの電圧入力と、結果を比較可能にするためのより優れたフロントエンドを備えた高性能測定機器が私のテストセットアップには必要です。以前のコンテンツでは、このテストフィクスチャコンセプトの最初のバージョンから収集した結果を紹介しましたが、いくつかの領域で改善が必要であることは明らかでした。したがって、全体の楽器の計画されたDC入力ステージを独自のボードに分割して、その性能を評価し、同時にいくつのコンポーネントを削除できるかを確認することにしました。これにより、BOMコストを削減しながら、多くのボードスペースを節約するのに役立ちます。この記事では、フィルターステージの効果を実験し、どれだけのフィルタリングが必要かを分析しようと思います。
最初の改善点は、測定に使用されるテスト機器に関連します。Rigol MSO5000はまともなオシロスコープであり、以前のフィクスチャでレギュレータの性能を測定するために使用しましたが、最高のノイズフロアや有効ビット数の解像度を持っていません。しかし、私の新しいスコープ、たとえばKeysight MXRシリーズは、ミリボルトではなくマイクロボルトの範囲の素晴らしいフロントエンドとノイズフロアを持っています。

2番目の改善点は、「どれだけのフィルタリングが必要か？」または「フィルタリングのし過ぎということはあるのか？」という質問に答えることです。これらの質問への答えはもちろん「それによります！」です。興味のある周波数帯域で必要な減衰レベルに対して、ボードスペースと総コストを考慮すると、それはエンジニアリングのトレードオフです。私のテストフィクスチャでは、ラボ電源のノイズが十分にフィルタリングされていることを確認し、テストセットアップがベンチマーク全体に影響を与えていないことを確認するために、テスト対象デバイスのノイズ出力を見る必要があります。スイッチングレギュレータは入力ノイズに対してひどい拒絶比を持っていることはよく知られています。したがって、レギュレータに到達する入力ノイズを可能な限り少なくするために、異なる共通モードおよび差動モードフィルターステージを備えたこのボードを設計しました。これは、このボードに焦点を当てた最初のコンテンツであり、組み込みの電流センシングやコンポーネントの限界を押し上げるなど、残りの部分にもご期待ください。いつものように、このプロジェクトはオープンソースのハードウェア設計であり、すべてのプロジェクトファイルは私のGitHubリポジトリにあります。

このボードの回路図を掘り下げてみましょう：

巨大な入力コネクタはWurth ElektronikのREDCUBEシリーズで、これにより私のKikusuiラボ電源から1.5キロワットをボードに供給でき、コネクタ周辺の高電流密度が広いボードエリアを損なうことを心配する必要がありません。ラボテスト中に多くのESD予防策を講じていますが、以前のフィクスチャの反復でESDによりMOSFETが故障したことがあります。したがって、ボードの入力には巨大なESDダイオードが特徴であり、入力コネクタを扱う際に発生する可能性のあるイベントを処理できるはずです。

入力コネクタの後の最初のフィルタリングステージは、共通モードチョーク（L1）です。ラボ電源には共通モードノイズと差動モードノイズがあり、共通モードノイズはケーブル間で対称です。通常、電源とリターンケーブルをねじるか、アプリケーションに応じて差動受信機を使用することで、自然に共通モードノイズを減らすことができますが、機器ラックの配置のために電源入力ケーブルをねじることはできません。私のPWX電源が機器ラックの上部にあるため、重いゲージのケーブルが約1.5mあり、これをねじってノイズ免疫を向上させることはできず、EMIアンテナとして直接ボードに接続されます。

共通モードチョーク（CMC）は、共通モードノイズを減衰させるのに役立つコンポーネントです。これは、共有磁気コアの周りに巻かれた2つのコイルで構成されています。両方の線の電流は同じ方向に流れ、共通モードノイズを減衰させます。

一方、通常の電流は異なる方向に流れ、コア内で磁場が相互に打ち消されます。これにより、DC供給へのインピーダンスが最小限になります。

しかし、ケーブルをねじるかCMCを使用することは、差動モードノイズを減衰させるのに効果がありません。CMCの漂遊インダクタンスが回路内のキャパシタと小さなLCフィルタを形成する可能性があることに注意することが重要です。しかし、これは無視できる効果であり、おそらく不十分でしょう。したがって、別のフィルタトポロジーが必要であり、パイフィルタは良い選択肢です。これはパイ記号に似ており、インダクタが上部を、キャパシタが脚部を形成しています。

パイフィルタは直流直列抵抗が低いですが、交流信号成分を除去するのに非常に効果的です。これは、インダクタの両端で調整された周波数のノイズに対して非常に低いインピーダンスの経路を提供することによって達成されます。ノイズのカットオフポイントは選択されたコンポーネントに依存します。

基板には、2つの異なるインダクタモデルを使用して3つのパイフィルタステージがあり、そのうちの1つは他のものよりもはるかに小さいです。これらのステージがすべて必要かどうかは不明ですが、いくつかのステージを取り除くことで、基板スペースとコンポーネントコストを大幅に節約できるかもしれません。
 
正直なところ、何も見逃さずに最初の試みで完璧な結果を出すことは常に可能ではありません。基板設計に追加すべきだったが忘れてしまったことが1つあります。それは、テスト機器に接続できるテストポイントです。

そのため、はんだマスクを削り取り、基板とテスト機器の間に同軸ケーブルを直接接続するためにu.FlおよびSMAコネクタを基板に取り付けました。

これらのテストポイントを使用することで、基板を通過する信号の減衰を徐々にチェックし、各ステージの性能を比較することができます。
 
フィルタの性能を評価するためには、周波数応答とインピーダンスを正確に測定する必要があり、ベクトルネットワークアナライザーが良い選択です。DCまでの応答に興味があるため、一般的なRF VNAは下限周波数の制限があるため不十分です。例えば、私のRohde & Schwarz ZNB8は100kHz以下を測定することができません。一方、Omicron Lab Bode 100は1Hzまで下がります。

フィルターの主な目的がノイズの減衰を増加させることであっても、損失を防ぐために低い直流抵抗を許容する必要があります。私のKeysight 34465A 6.5桁のマルチメーターは、40ミリオームを少し超える値を測定します。

比較すると、チョークとインダクターのメーカーが主張する直流抵抗を合計すると、62ミリオームになりますので、フィルターを通じた抵抗損失による加熱はほとんど見られないはずです。
 
フィルターの直列抵抗は有望に見えるので、高周波数の測定に移ります。まず、全体的なフィルター応答を測定し、次に個々のステージを測定して、完全な応答へのそれぞれの寄与を評価します。より良い理解のために、フィルターの文脈ではより明白であるため、インピーダンスではなくアドミッタンスに切り替えます。アドミッタンスは、Bode 100がその出力からチャンネル2までどれだけの信号減衰を測定するかを示します。測定は最低点で乱雑になり始めますが、これは信号が非常に弱く、受信機の信号強度がほとんどないため、感知するものがほとんどないからだと確信しています。しかし、これは私がフィルターから望むまさにそのものです。このフィルターは、電源ラボ供給からの140kHzのノイズをブロックするために設計されました。

どのステージを取り除く必要があるかを判断するために、個々のブロックの入力と出力を測定するべきです。共通モードフィルターの効果から始めるために、VINからVCMCまでを測定することができます。これにはCMCと最初の330マイクロファラッドの電解コンデンサーが含まれます。これは良好な減衰レベルを提供し、私たちのフィルターにとって優れたスタートです。

最初のPiフィルターは、私たちの全体的なフィルター性能の重要な部分です。このフィルターは、次のステージよりも物理的に小さく、値が低いインダクターを持っており、VINからVF_1を通して測定することで、その性能を確認できます。結果は、このフィルター部分が全体的な応答に大きな影響を与えていることを示しています。

VINからVF_2までの測定には、最初の大きなインダクタと2段目のフィルタ応答が含まれており、以下に示されています。緑と灰色のプロットを比較すると、第3フィルタ段階はあまり貢献しておらず、安全に取り除くことができるとはっきり言えます。

VINではなくVCMCから測定すると、CMCをバイパスしてPiフィルタのみの性能を確認でき、これは最終フィルタ段階があまり貢献していないことを再度確認します。

最初のフィルタ段階のインダクタと残りの部分との間には、可用性とコストの両方の観点から大きな違いがあります。大きなインダクタは費用に見合う価値があるのでしょうか？緑のVCMCからVF_1までの測定は最初のフィルタを表しています。これを最終段フィルタのみを考慮したVF_2からVF_3の測定と比較できます。理想的には、紫のトレースのカットオフ周波数は最初のフィルタ段階の約半分であるべきです。しかし、両方のカットオフ周波数は数キロヘルツしかありません。残念ながら、基板とコンポーネントの組み合わせた寄生効果により、実世界ではこれを判断することが難しいです。複数の層に形成された大きなポリゴンが平面キャパシタを形成し、大きな電解キャパシタもかなりの直列抵抗成分を持っており、これらがすべての応答に影響を与えます。

私の分析に基づき、フィルタは意図した通りに素晴らしく機能しており、第3段階は大量の基板スペースを節約するために取り除かれるかもしれないと感じています。完全には確信していませんが、100 dBの損失を超えると測定できなくなるため、第2フィルタを取り除くか、最初のものと同じに変更することを提案します。