Projektowanie i analiza filtrów wejściowych

Nadmierna inżynieria nie zawsze oznacza niepotrzebny wysiłek, szczególnie jeśli głównym celem jest stworzenie spójnego urządzenia do testów, jak planuję – epickie urządzenie do testowania regulatorów napięcia. Potrzebuję bardzo czystego, ultra-niskoszumowego wejścia napięciowego i zaawansowanego sprzętu pomiarowego z lepszym front-endem dla mojej konfiguracji testowej, aby wyniki były porównywalne. W moich poprzednich treściach przedstawiłem wyniki zebrane z pierwszej wersji tego konceptu urządzenia do testów, jednak było oczywiste, że potrzebuję kilku ulepszeń w niektórych obszarach. Dlatego zdecydowałem się wydzielić planowaną sekcję wejściową DC dla całego instrumentu na własną płytę, aby móc ocenić jej wydajność i jednocześnie zobaczyć, ile komponentów mogę usunąć, co pomoże mi zmniejszyć koszt BOM, oszczędzając przy tym dużo miejsca na płycie. W tym artykule spróbuję eksperymentować z efektami etapów filtracji i analizować, ile filtracji jest wymagane.
Pierwszą poprawką byłoby związane z instrumentem pomiarowym używanym do pomiarów. Mimo że Rigol MSO5000 to przyzwoity oscyloskop, którego używałem do mierzenia wydajności regulatora z moim poprzednim urządzeniem, nie ma najlepszego poziomu szumów ani efektywnej liczby bitów rozdzielczości. Jednak moje nowsze oscyloskopy, takie jak seria Keysight MXR, mają świetne front-endy i poziomy szumów w zakresie mikrowoltów, a nie milivoltów.

Drugą poprawką byłoby odpowiedzenie na pytanie "Ile filtracji potrzebuję?" lub "Czy można mieć za dużo filtracji?". Odpowiedź na te pytania brzmiałaby oczywiście "To zależy!". Biorąc pod uwagę wymagany poziom tłumienia w interesujących pasmach częstotliwości w stosunku do przestrzeni na płycie i całkowitego kosztu, jest to kompromis inżynierski. W moim urządzeniu do testów muszę upewnić się, że szumy zasilacza laboratoryjnego są wystarczająco filtrowane, jednocześnie obserwując szum wyjściowy testowanego urządzenia, aby upewnić się, że to nie moja konfiguracja testowa wpływa na cały benchmark. Jest dobrze znanym faktem, że regulatory impulsowe mają okropne stosunki odrzucenia szumów wejściowych. Dlatego zaprojektowałem tę płytę z różnymi etapami filtracji wspólnego i różnicowego trybu, aby upewnić się, że do regulatora dociera jak najmniej szumów wejściowych. To pierwsza treść skupiająca się na tej płycie, więc bądźcie czujni na resztę, taką jak wbudowane czujniki prądu i przesuwanie granic komponentów. Jak zwykle, ten projekt to otwarte oprogramowanie sprzętowe, a wszystkie pliki projektowe znajdują się w moich repozytoriach na GitHubie.

Zacznijmy od analizy schematu tej płyty:

Masywne złącza wejściowe to seria REDCUBE firmy Wurth Elektronik, która pozwala mi dostarczać 1,5 kilowata z mojego laboratorium Kikusui do płyty bez obaw o wysoką gęstość prądu wokół złącza kompromitującą większą powierzchnię płyty. Mimo że stosuję wiele środków zapobiegających ESD podczas testów laboratoryjnych, w poprzedniej iteracji mojego oprzyrządowania miałem awarie MOSFETów z powodu ESD. Dlatego wejście płyty zawiera ogromną diodę ESD, która powinna poradzić sobie z wszelkimi zdarzeniami, które mogą wystąpić podczas obsługi złączy wejściowych.

Pierwszy etap filtrowania po złączu wejściowym to dławik trybu wspólnego (L1). Zasilanie laboratoryjne będzie miało szumy trybu wspólnego i różnicowego, gdzie szumy trybu wspólnego są symetryczne między kablami. W normalnych warunkach skręcanie kabli zasilających i powrotnych lub używanie odbiornika różnicowego w zależności od aplikacji, z natury, pomaga redukować szumy trybu wspólnego; jednak skręcanie kabli zasilających nie jest możliwe ze względu na układ mojego stojaka na sprzęt. Biorąc pod uwagę, że moje zasilacze PWX znajdują się na górze mojego stojaka na sprzęt, mam około 1,5m grubych kabli, których nie mogę skręcić dla lepszej odporności na zakłócenia i działają one jak antena EMI bezpośrednio podłączona do płyty.

Dławik trybu wspólnego (CMC) to komponent, który pomaga tłumić szumy trybu wspólnego. Składa się z dwóch cewek nawiniętych na wspólnym rdzeniu magnetycznym. Prądy obu linii płyną w tym samym kierunku, co tłumi szumy trybu wspólnego. 

Z drugiej strony, normalny prąd płynie w różnych kierunkach, a pola magnetyczne znoszą się nawzajem w rdzeniu. To skutkuje minimalną impedancją dla zasilania stałoprądowego.

Jednakże skręcanie kabli lub użycie CMC jest nieskuteczne w tłumieniu szumów różnicowych. Ważne jest, aby zauważyć, że rozproszona indukcyjność CMC może tworzyć mały filtr LC z kondensatorami w obwodzie. Jednakże miałoby to znikome efekty i mogłoby być niewystarczające. Dlatego potrzebna jest inna topologia filtra, a dobrym wyborem jest filtr Pi. Przypomina symbol Pi, z cewką tworzącą górę i kondensatorami tworzącymi nogi.

Filtr Pi ma niską szeregową rezystancję DC, ale jest bardzo skuteczny w usuwaniu składowych sygnału AC. Osiąga to, zapewniając bardzo niską ścieżkę impedancji dla szumu przy dostosowanej częstotliwości na obu końcach cewki. Punkt odcięcia dla szumu zależy od wybranych komponentów.

Płytka ma trzy etapy filtra Pi z użyciem dwóch różnych modeli cewek, z których jedna jest znacznie mniejsza od pozostałych. Nie wiadomo, czy wszystkie te etapy są potrzebne, ale usunięcie niektórych etapów może pozwolić na znaczne oszczędności miejsca na płytce i kosztów komponentów.
 
Szczerze mówiąc, nie zawsze jest możliwe uzyskanie idealnych wyników za pierwszym razem bez pominięcia czegokolwiek. Jedną z rzeczy, którą powinienem był dodać do projektu płytki, ale zapomniałem, są punkty testowe, do których mogę podłączyć sprzęt testowy. 

Dlatego zeskrobałem nieco maski lutowniczej i dodałem złącza u.Fl oraz SMA są przymocowane do płytki, aby bezpośrednio połączyć kabel koncentryczny między płytą a przyrządami testowymi.

Z tymi punktami testowymi mogę stopniowo sprawdzać tłumienie sygnałów, gdy przemieszczają się one przez płytę i porównywać wydajność każdego etapu.
 
Musimy dokładnie zmierzyć odpowiedź częstotliwościową i impedancję, aby ocenić wydajność filtrów, co czyni analizator sieci wektorowych dobrym wyborem. Ponieważ interesuje nas odpowiedź aż do DC, typowy RF VNA będzie niewystarczający ze względu na ograniczenia niższych częstotliwości; na przykład mój Rohde & Schwarz ZNB8 nie może mierzyć poniżej 100kHz. Z drugiej strony, Omicron Lab Bode 100 schodzi do 1Hz.

Mimo że głównym celem filtra jest zwiększenie tłumienia szumów, powinien on również umożliwiać niską rezystancję stałoprądową, aby zapobiegać stratom. Mój multimetr 6,5-cyfrowy Keysight 34465A mierzy nieco ponad 40 miliohmów.

Porównując, po zsumowaniu deklarowanych przez producenta rezystancji stałoprądowych dla dławika i cewek, otrzymujemy 62 miliohmy, więc powinniśmy zobaczyć bardzo małe ogrzewanie spowodowane stratami rezystancyjnymi przez filtr.
 
Rezystancja szeregowa filtra wygląda obiecująco, więc przejdę do pomiarów w wyższych częstotliwościach. Najpierw zmierzę ogólną odpowiedź filtra, a następnie zmierzę poszczególne etapy, aby ocenić ich wkład w pełną odpowiedź. Dla lepszego zrozumienia przełączę się na admitancję zamiast impedancji, ponieważ jest to bardziej oczywiste w kontekście filtra. Admitancja pokazuje, ile tłumienia sygnału mierzy Bode 100 od jego wyjścia do kanału 2. Pomiar zaczyna być problematyczny w swoim najniższym punkcie, ale jestem pewien, że jest to spowodowane tym, że sygnał jest bardzo słaby, a siła sygnału na odbiorniku jest prawie nieistniejąca, więc nie ma zbyt wiele do wykrycia. Jednakże, to jest dokładnie to, czego oczekuję od filtra. Filtr został zaprojektowany, aby blokować szumy 140kHz z zasilacza laboratoryjnego.

Aby określić, czy którykolwiek etap musi zostać usunięty, powinniśmy zmierzyć wejścia i wyjścia poszczególnych bloków. Zaczynając od wpływu filtra wspólnego trybu, który obejmuje CMC i pierwszy elektrolityczny kondensator 330 mikrofarad, mierząc VIN do VCMC, możemy zacząć. Zapewnia on dobry poziom tłumienia i jest doskonałym początkiem naszego filtra.

Pierwszy filtr Pi jest znaczącym składnikiem naszej całkowitej wydajności filtra. Ten filtr ma fizycznie mniejszą i o niższej wartości cewkę niż następny etap, a mierzenie przez VIN do VF_1 pozwoli nam zobaczyć jego wydajność. Wyniki pokazują, że ta część filtra znacząco wpływa na ogólną odpowiedź.

Pomiar od VIN do VF_2 obejmuje pierwszy duży dławik oraz odpowiedź filtra drugiego stopnia, pokazane poniżej. Po porównaniu wykresów zielonego i szarego możemy jasno stwierdzić, że trzeci stopień filtra nie wnosi zbyt wiele i można go bezpiecznie usunąć.

Jeśli zmierzymy od VCMC zamiast VIN, możemy ominąć CMC, aby zobaczyć wydajność samych filtrów Pi, co ponownie potwierdza, że ostatni stopień filtra nie wnosi zbyt wiele.

Istnieje znacząca różnica między dławikiem pierwszego stopnia filtra a pozostałymi pod względem dostępności i kosztów. Pytanie brzmi, czy duże dławiki są warte swojej ceny? Pomiar zielonego VCMC do VF_1 reprezentuje pierwszy filtr. Możemy to porównać z pomiarem VF_2 do VF_3, który uwzględnia tylko filtr ostatniego stopnia. W idealnym świecie częstotliwość odcięcia dla śladu fioletowego powinna być około połowy tej z pierwszego stopnia filtra. Jednak obie częstotliwości odcięcia są tylko kilka kiloherców. Niestety, połączone pasożyty płytki i komponentów utrudniają określenie w rzeczywistym świecie. Mamy kilka dużych poligonów na wielu warstwach, które tworzą kondensatory płaszczyznowe, a duże kondensatory elektrolityczne mają również znaczący składnik oporu szeregowego, który wpływa na wszystkie te odpowiedzi.

Na podstawie mojej analizy mogę stwierdzić, że filtr działa świetnie, jak było zamierzone, i uważam, że trzeci stopień można usunąć, aby zaoszczędzić ogromną ilość miejsca na płytce. Chociaż nie jestem całkowicie pewien, sugeruję usunięcie drugiego filtra lub zmianę go na taki sam jak pierwszy, ponieważ nie jest nawet mierzalny, gdy przekraczamy 100 dB strat.