입력 필터 설계 및 분석

과잉 설계는 특히 일관된 테스트 장치를 만들려는 주요 목표가 있는 경우, 불필요한 노력을 의미하지 않습니다. 저는 바로 그런 목표를 가지고 있습니다 – 전설적인 전압 조정기 테스트 장치를 만들 계획입니다. 저는 매우 깨끗하고 초저잡음 전압 입력과 결과를 비교할 수 있게 해줄 더 나은 프론트 엔드를 갖춘 고급 측정 장비가 필요합니다. 이전 콘텐츠에서, 이 테스트 장치 개념의 첫 번째 버전에서 수집한 결과를 제시했지만, 몇 가지 영역에서 개선이 필요하다는 것이 분명했습니다. 그래서 저는 전체 기기의 계획된 DC 입력 단계를 자체 보드로 분리하기로 결정했습니다. 이를 통해 성능을 평가하고 동시에 얼마나 많은 구성 요소를 제거할 수 있는지 확인함으로써 BOM 비용을 줄이고 보드 공간을 많이 절약할 수 있습니다. 이 글에서는 필터 단계의 영향을 실험하고 얼마나 많은 필터링이 필요한지 분석해 보려고 합니다.
첫 번째 개선 사항은 측정에 사용된 테스트 기기와 관련이 있습니다. Rigol MSO5000은 제가 이전 장치로 조정기 성능을 측정하는 데 사용한 괜찮은 오실로스코프지만, 최고의 잡음 바닥이나 해상도의 유효 숫자를 가지고 있지 않습니다. 그러나 제가 새로 구입한 Keysight MXR 시리즈와 같은 새로운 스코프는 밀리볼트가 아닌 마이크로볼트 범위의 훌륭한 프론트 엔드와 잡음 바닥을 가지고 있습니다.

두 번째 개선 사항은 "얼마나 많은 필터링이 필요한가?" 또는 "너무 많은 필터링이라는 것이 있나?"에 대한 답변이 될 것입니다. 이러한 질문에 대한 답은 물론 "상황에 따라 다릅니다!"입니다. 관심 있는 주파수 대역에서 필요한 감쇠 수준을 보드 공간과 총 비용과 비교할 때, 이것은 공학적인 절충입니다. 제 테스트 장치에서는 실험실 전원 공급 장치의 잡음이 충분히 필터링되는지 확인하면서 동시에 테스트 대상 장치의 잡음 출력을 살펴봄으로써 제 테스트 설정이 전체 벤치마크에 영향을 주지 않도록 해야 합니다. 스위칭 조정기가 입력 잡음에 대해 끔찍한 거부 비율을 가지고 있다는 것은 잘 알려진 사실입니다. 따라서 저는 가능한 한 적은 입력 잡음이 조정기에 도달하도록 다양한 공통 모드 및 차동 모드 필터 단계로 이 보드를 설계했습니다. 이것은 이 보드에 초점을 맞춘 첫 번째 콘텐츠이며, 내장 전류 감지 및 구성 요소의 한계를 뛰어넘는 것과 같은 나머지에 대해서도 계속해서 소개할 예정입니다. 평소처럼 이 프로젝트는 오픈 소스 하드웨어 디자인이며, 모든 프로젝트 파일은 제 GitHub 저장소에 있습니다.

이 보드의 회로도를 살펴보는 것부터 시작해 봅시다:

대형 입력 커넥터는 Wurth Elektronik의 REDCUBE 시리즈로, 커넥터 주변의 높은 전류 밀도가 더 큰 보드 면적을 손상시킬 걱정 없이 Kikusui 실험실 공급 장치에서 보드로 1.5킬로와트를 공급할 수 있게 해줍니다. 실험실 테스트 중 많은 ESD 예방 조치를 취했음에도 불구하고, 이전 내 장치의 반복에서 ESD로 인해 MOSFET이 실패한 적이 있습니다. 따라서 보드의 입력에는 입력 커넥터를 다룰 때 발생할 수 있는 모든 사건을 처리할 수 있는 큰 ESD 다이오드가 특징입니다.

입력 커넥터 다음의 첫 번째 필터링 단계는 공통 모드 초크(L1)입니다. 실험실 공급 장치는 공통 모드 및 차동 모드 노이즈를 가지고 있으며, 공통 모드 노이즈는 케이블 사이에 대칭적입니다. 정상적인 조건에서는 전원 및 반환 케이블을 꼬거나 응용 프로그램에 따라 차동 수신기를 사용하여 본질적으로 공통 모드 노이즈를 줄일 수 있지만, 장비 랙 배열로 인해 전원 입력 케이블을 꼬는 것이 불가능합니다. 내 PWX 전원 공급 장치가 장비 랙의 맨 위에 있기 때문에, 더 나은 노이즈 면역을 위해 꼬을 수 없는 약 1.5m의 두꺼운 게이지 케이블이 있으며, 이는 보드에 직접 연결된 EMI 안테나로 작용합니다.

공통 모드 초크(CMC)는 공통 모드 노이즈를 감쇠시키는 데 도움이 되는 구성 요소입니다. 이는 공유된 자기 코어 주위에 감긴 두 개의 코일로 구성됩니다. 두 라인의 전류는 같은 방향으로 흐르며, 이는 공통 모드 노이즈를 감쇠시킵니다.

반면에, 정상 전류는 다른 방향으로 흐르며, 코어에서 자기장이 서로 상쇄됩니다. 이로 인해 DC 공급에 대한 최소한의 임피던스가 발생합니다.

그러나 케이블을 꼬거나 CMC를 사용하는 것은 차동 모드 노이즈를 감쇠하는데 효과적이지 않습니다. CMC의 잔류 인덕턴스가 회로 내의 커패시터와 함께 작은 LC 필터를 형성할 수 있다는 점을 주목하는 것이 중요합니다. 그러나 이는 무시할 수 있는 효과를 가지며 아마도 불충분할 것입니다. 따라서 다른 필터 토폴로지가 필요하며, 파이 필터가 좋은 옵션입니다. 이는 파이 기호와 유사하며, 인덕터가 상단을 형성하고 커패시터가 다리를 형성합니다.

파이 필터는 낮은 DC 직렬 저항을 가지지만 AC 신호 성분을 제거하는데 매우 효과적입니다. 이는 인덕터 양쪽 끝에서 조정된 주파수에서 노이즈에 대해 매우 낮은 임피던스 경로를 제공함으로써 달성됩니다. 노이즈의 차단점은 선택된 구성 요소에 따라 달라집니다.

보드에는 두 가지 다른 인덕터 모델을 사용하는 세 개의 파이 필터 단계가 있으며, 그 중 하나는 다른 것들보다 훨씬 작습니다. 이 모든 단계가 필요한지는 알 수 없지만, 일부 단계를 제거하면 보드 공간과 구성 요소 비용을 상당히 절약할 수 있습니다.
 
솔직히 처음부터 모든 것을 놓치지 않고 완벽한 결과를 내는 것은 항상 가능한 것은 아닙니다. 보드 설계에 추가했어야 할 것 중 하나가 테스트 장비에 연결할 수 있는 테스트 포인트인데, 이를 놓쳤습니다. 

그래서 납 마스크를 일부 긁어내고 보드와 테스트 장비 사이에 동축 케이블을 직접 연결할 수 있도록 u.Fl 및 SMA 커넥터를 보드에 추가했습니다.

이 테스트 포인트를 통해 보드를 통해 신호의 감쇠를 점진적으로 확인하고 각 단계의 성능을 비교할 수 있습니다.
 
필터의 성능을 평가하기 위해 주파수 응답과 임피던스를 정확하게 측정해야 하므로 벡터 네트워크 분석기가 좋은 선택입니다. DC까지의 응답에 관심이 있기 때문에, 일반적인 RF VNA는 낮은 주파수 제한으로 인해 부적합합니다; 예를 들어, 제 Rohde & Schwarz ZNB8은 100kHz 이하를 측정할 수 없습니다. 반면, Omicron Lab Bode 100은 1Hz까지 내려갑니다.

필터의 주요 목표는 노이즈의 감쇠를 증가시키는 것이지만, 손실을 방지하기 위해 낮은 직류 저항을 허용해야 합니다. 제 Keysight 34465A 6.5자리 멀티미터는 약 40밀리옴을 조금 넘게 측정합니다.

비교해보면, 제조업체가 주장하는 초크와 인덕터의 직류 저항을 모두 더하면 62밀리옴이므로, 필터를 통한 저항 손실로 인한 발열은 거의 없어야 합니다.
 
필터 시리즈의 저항이 유망해 보이므로, 이제 더 높은 주파수 측정으로 넘어가겠습니다. 먼저 전체 필터 응답을 측정한 다음 개별 단계를 측정하여 전체 응답에 대한 기여도를 평가할 것입니다. 이해를 돕기 위해 임피던스보다 어드미턴스로 전환할 것입니다. 어드미턴스는 필터의 맥락에서 더 명확하기 때문입니다. 어드미턴스는 Bode 100이 출력에서 채널 2로 얼마나 많은 신호 감쇠를 측정하는지 보여줍니다. 측정은 가장 낮은 지점에서 지저분해지기 시작하지만, 이는 신호가 매우 약하고 수신기의 신호 강도가 거의 없기 때문에 감지할 것이 거의 없기 때문이라고 확신합니다. 그러나 이것이 바로 필터에서 원하는 바입니다. 필터는 전원 공급 장치에서 140kHz 노이즈를 차단하도록 설계되었습니다.

어떤 단계를 제거해야 할지 결정하기 위해, 개별 블록의 입력과 출력을 측정해야 합니다. 공통 모드 필터의 효과로 시작하여 CMC와 첫 번째 330 마이크로패럿 전해 콘덴서를 포함하는 VIN에서 VCMC까지 측정함으로써 시작할 수 있습니다. 이는 좋은 감쇠 수준을 제공하며 필터의 훌륭한 시작입니다.

첫 번째 파이 필터는 전체 필터 성능의 중요한 구성 요소입니다. 이 필터는 다음 단계보다 물리적으로 더 작고 값이 낮은 인덕터를 가지고 있으며, VIN에서 VF_1을 통해 측정하면 이 필터 부분의 성능을 볼 수 있습니다. 결과는 이 필터 부분이 전체 응답에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다.

VIN에서 VF_2까지 측정하면 첫 번째 큰 인덕터와 두 번째 단계 필터 응답이 아래에 표시됩니다. 그린색과 회색 플롯을 비교하면 세 번째 필터 단계가 크게 기여하지 않으며 안전하게 제거될 수 있다고 명확히 말할 수 있습니다.

VIN 대신 VCMC에서 측정하면 CMC를 우회하여 Pi 필터만의 성능을 볼 수 있으며, 이는 최종 필터 단계가 너무 많이 기여하지 않는다는 것을 다시 확인합니다.

첫 번째 필터 단계 인덕터와 나머지 부분 사이에는 가용성과 비용 측면에서 상당한 차이가 있습니다. 큰 인덕터가 비용을 지불할 가치가 있는지가 문제입니다. 녹색 VCMC에서 VF_1까지의 측정은 첫 번째 필터를 나타냅니다. 이를 최종 단계 필터만을 고려하는 VF_2에서 VF_3까지의 측정과 비교할 수 있습니다. 이상적인 세계에서는 보라색 추적의 절단 주파수가 첫 번째 필터 단계의 절반 정도여야 합니다. 그러나 두 절단 주파수는 몇 킬로헤르츠에 불과합니다. 불행히도, 보드와 구성 요소의 결합된 기생성으로 인해 실제 세계에서는 결정하기 어렵습니다. 우리는 여러 레이어에 좋은 크기의 폴리곤을 가지고 있어 평면 커패시터를 형성하고, 큰 전해 커패시터도 상당한 직렬 저항 구성 요소를 가지고 있어, 이 모든 반응에 영향을 미칩니다.

제 분석에 따르면, 필터는 의도한 대로 훌륭하게 작동하며, 세 번째 단계는 엄청난 양의 보드 공간을 절약하기 위해 제거될 수 있다고 느낍니다. 완전히 확신할 수는 없지만, 100 dB의 손실을 지나면 측정조차 할 수 없기 때문에 두 번째 필터를 제거하거나 첫 번째와 같게 변경하는 것이 좋습니다.