Filtr wyjściowy zasilacza impulsowego: Projektowanie i symulacja

Zasilacze impulsowe występują w wielu formach, takich jak wysokomocowy zasilacz laboratoryjny na ławce, czy też wbudowane na PCB z użyciem specjalistycznych układów scalonych i elementów pasywnych. Celem projektowania tych systemów jest zapewnienie stabilnego dostarczania energii DC do reszty systemu przy minimalnym poziomie zakłóceń. Idealne jest również tłumienie efektów wszelkich pozostałości tętnień po prostowaniu lub usuwanie wszelkich zakłóceń na wejściu. Utrzymanie wyjścia wolnego od zakłóceń i stabilnego może wymagać użycia filtra wyjściowego, który można zaimplementować, używając elementów pasywnych w układzie PCB.

W tym artykule pokażę, jak filtr wyjściowy zasilacza impulsowego może być użyty do tłumienia zakłóceń wyjściowych oraz jak można użyć niektórych narzędzi symulacyjnych do optymalizacji projektu filtra pod kątem niskiego poziomu zakłóceń. Jak omówiłem w poprzednim artykule na tym blogu, a jak zobaczymy na podstawie wyników symulacji, redukcja zakłóceń zależy od wartości komponentów w filtrze wyjściowym oraz cewki w obwodzie. Jako przykład przyjrzyjmy się topologii przetwornicy typu buck-boost, aby zobaczyć, jak zaimplementować filtr wyjściowy dla zasilacza impulsowego.

Rozpoczynanie projektowania filtra wyjściowego zasilacza impulsowego

Filtr wyjściowy w przetwornicy DC/DC (niezależnie od topologii, czy to buck/boost czy innej) jest filtrem dolnoprzepustowym. Może to być coś tak prostego jak kondensator szeregowy, chociaż typową metodą jest umieszczenie filtra pi, aby odprowadzać szumy AC do ziemi. Powodem tego jest fakt, że funkcją przetwornicy impulsowej jest zamiana niskoczęstotliwościowych tętnień z przetwarzania mocy AC-DC na wyższoczęstotliwościowy szum przełączania z tranzystora przełączającego. Filtr wyjściowy następnie usuwa wyższoczęstotliwościowy szum przełączania na wyjściu z filtra, dostarczając czystą moc DC do obciążenia.

Obraz poniżej pokazuje schemat przetwornicy buck-boost z tranzystorem PMOS (można użyć NMOS i zmienić polaryzacje V1 i V2). Podkreśliłem dwie sekcje: sekcję przetwornicy impulsowej (na zielono) i sekcję filtra wyjściowego (na czerwono). W tym układzie, kondensator wyjściowy jest częścią filtra wyjściowego zasilacza impulsowego. Filtr ma standardową topologię filtra pi, aby zapewnić filtrację dolnoprzepustową.

W końcu mamy następujące parametry dla PWM: częstotliwość przełączania 100 kHz, czas narastania 10 ns, współczynnik wypełnienia 30%. Zamiast skupiać się na dozwolonym zakresie wartości PWM lub elementów pasywnych, które dają określoną moc wyjściową, chcemy skupić się na zakresie wartości komponentów filtrów, które dają nam najniższy poziom szumów. Najpierw przyjrzymy się rzeczywistej odpowiedzi przejściowej za pomocą nowej funkcji deski rozdzielczej symulacji w Altium Designer, a następnie przyjrzymy się zakresowi wartości komponentów filtrów, które dają najniższy poziom szumów.

Początkowa moc wyjściowa

Obraz poniżej pokazuje symulację przejściową przedstawiającą napięcie na kondensatorach (wykres górny) oraz prąd dostarczany do obciążenia (wykres dolny). Na podstawie tego wyniku możemy porównać niefiltrowane wyjście (czerwona krzywa, wykres górny) z filtrowanym wyjściem (niebieska krzywa, wykres górny). Filtr dość dobrze radzi sobie z oczyszczaniem szumów przełączania z przetwornicy. Jednakże, jest wyraźna niska częstotliwość odpowiedzi przejściowej, gdy przetwornica przełącza się z OFF na ON.

Ta odpowiedź przejściowa jest bardzo ważna. W rzeczywistości, przekroczenie przejściowe zależy od czasu narastania sygnału PWM oraz od pasożytniczych elementów w MOSFET, jak również od biegunów obecnych w obwodzie filtru. W niektórych przypadkach, przekroczenie może osiągnąć wartość nawet 50% prądu obciążenia, gdy przetwornica przełącza się między dwoma stanami napięcia, tj. podczas przełączania między dwoma częstotliwościami PWM lub cyklami pracy. Może to spowodować duży szczyt prądu, który może uszkodzić Twoje obciążenie.

Co przyczynia się do tej odpowiedzi przejściowej?

Oto kilka czynników przyczyniających się do obserwowanych wyżej charakterystyk przejściowych:

1. Wysokoczęstotliwościowe tętnienia widoczne na czerwonej krzywej powyżej
2. Średnioczęstotliwościowa odpowiedź przejściowa od biegunów filtru LC
3. Niskoczęstotliwościowa odpowiedź przejściowa powodująca duże przekroczenie z powodu przejściowych stanów w MOSFET.

Jak zobaczymy, filtry wyjściowe są naprawdę dobre do radzenia sobie z #1 i #2. Nie są najlepszą opcją do radzenia sobie z #3, ale wpłyną na odpowiedź przejściową ze względu na pasożytnicze elementy MOSFET.

Impedancja obciążenia

Wartość składowej obciążenia również wpływa na tętnienia na wyjściu w tym obwodzie. Na poniższym obrazie pokazałem, co się dzieje, gdy oporność obciążenia zostaje zwiększona do 1 MOhma, co jest użyteczną wartością do symulacji impedancji wejściowej dla zintegrowanego układu CMOS. Stąd możemy zobaczyć prawdziwe tętnienia na wyjściu, które są odzwierciedlone w prądzie obciążenia.

Z tego powodu chcielibyśmy stłumić odpowiedź z obwodu przetwornika, lub przeprojektować sekcję filtrów, aby nie mieliśmy takiego problemu z przeregulowaniem na wyjściu. Jedną z opcji jest dodanie pewnego tłumienia bezpośrednio poprzez dodanie pewnej oporności.

Dodawanie rezystorów do tłumienia

Jednym ze sposobów rozwiązania problemu z niedotłumioną odpowiedzią przejściową jest dodanie pewnego tłumienia na kondensatorach C1 i C2. Aby to zrobić, dodałem rezystory 1 Ohm do kondensatorów C1 i C2, aby zapewnić pewne tłumienie, i steruję obciążeniem 10 Ohm. Spowoduje to, że odpowiedź przejściowa będzie bardzo bliska reżimowi krytycznie tłumionemu, dając płynne przejście między stanami OFF i ON, gdy rozpocznie się symulacja. To samo płynne przejście wystąpiłoby między dwoma stanami wyjściowymi mocy, gdyby parametry PWM zostały zmienione. Jednakże, jeśli rezystory są większe, mielibyśmy wolniejszą odpowiedź przejściową.

Jednym z niewielkich problemów jest to, że straciliśmy niewielką ilość mocy: prąd docierający do obciążenia jest mniejszy, a napięcie wyjściowe nieco niższe. Część mocy jest tracona na rezystorach w sekcji RC, co prowadzi do dodatkowych strat. Na wyjściowym prądzie pozostaje również nieco szumu, chociaż jest to bardzo małe.

Otrzymujemy ten sam rodzaj odpowiedzi, jeśli użyjemy obciążenia 1 MOhm, ale widzimy pewne początkowe oscylacje w spadku napięcia na C1 + (rezystor szeregowy) sieć. Jest to przyzwoita odpowiedź, ponieważ oscylacje nie są odbijane do wyjścia, ale nadal występuje ten sam wolny wzrost prądu wyjściowego. Jest to akceptowalne, jeśli nie potrzebujesz bardzo szybkiej regulacji z pętlą sprzężenia zwrotnego i chcesz zapewnić płynne przejście między stanami.

Zanim przejdziemy dalej, uważam, że ważne jest, aby zauważyć, iż chociaż odpowiedź jest znacznie wolniejsza, osiągamy ~95% oczekiwanego końcowego prądu w ~3 ms, co nadal jest dość szybkim czasem załączenia. Dla porównania, niektóre zasilacze sieciowe są oceniane na 10x całkowity czas załączenia. Ten czas załączenia może być zdominowany przez inne komponenty, takie jak sterownik PWM, szczególnie jeśli istnieje pętla sprzężenia zwrotnego zapewniająca precyzyjną kontrolę. Dlatego nadal działamy wystarczająco szybko, nawet jeśli czas załączenia wydaje się bardzo wolny.

Jedną z opcji tutaj jest przeprojektowanie naszego obwodu filtrującego wyjście zasilacza impulsowego bez dodawania rezystancji, aby uzyskać podobny wynik.

Zmiana C1, C2 i/lub L2

Inną opcją jest usunięcie rezystorów i zmiana C1/C2 oraz L2. Problem ze zmianą C1 i C2 polega na tym, że końcowe napięcie tętnień po stronie wyjściowej będzie zależało od wartości tych kondensatorów, ponieważ zmieniasz warunki dla krytycznego tłumienia. Warunek, w którym pojawia się krytyczne tłumienie, to dość skomplikowane wyrażenie kwadratowe, ale intuicja powinna być tutaj jasna:

• Jeśli wartości kondensatorów są zbyt niskie, mielibyśmy do czynienia z silnie niedotłumioną odpowiedzią z wysokoczęstotliwościowymi oscylacjami.
• Jeśli wartość kondensatora jest zbyt wysoka, mamy do czynienia z bardzo wolną reakcją, ponieważ kondensatory potrzebują dużo czasu, aby naładować się do wymaganego poziomu DC.

Możesz się zastanawiać; jak możemy mieć niedotłumioną odpowiedź przejściową z przeregulowaniem w filtrze pi? W rzeczywistości mamy do czynienia z 2 filtrami LC z wieloma biegunami w połączonej funkcji przejścia ze względu na obecność wielu elementów reaktywnych (2 cewki i 2 kondensatory). Jeśli przyjrzysz się bliżej powyższym wynikom, możemy zobaczyć dwie odpowiedzi przejściowe nałożone na siebie. Są to przełączane odpowiedzi LC od L1 i C1 (standardowa odpowiedź przetwornicy buck-boost) oraz typowa odpowiedź RLC od L2, C2 i rezystora obciążenia.

Dostosowanie L2 oraz kondensatorów wyjściowych to kolejny sposób, aby uzyskać niskie tętnienia na wyjściu. Na poniższym obrazie stworzyłem przesunięcie częstotliwości w moim pulpicie nawigacyjnym symulacji, aby przejść przez zakres wartości indukcyjności. Tutaj chcę ograniczyć się do praktycznych indukcyjności, które znajdę w mniejszych komponentach, podczas obciążania rezystancją 10 Ohm. Aby upewnić się, że jestem jak najbliżej krytycznego tłumienia, będę przesuwał różne wartości C1 = C2 i L2. Zaczynam od mniejszej pojemności (1 uF) i przesuwam przez wartości L2 do 0.2 mH. Dla obciążenia 1 MOhm, wystarczy postępować zgodnie z tą samą procedurą, używając warunków dla krytycznego tłumienia w obwodzie RLC.

Okazuje się, że najlepsza wartość indukcyjności dla L2 to około 150-200 uH. Jest wiele induktorów drutowych z ocenami prądu stałego przekraczającymi ~1.5 A. Przykładem jest IHV30EB150 od Vishay.

Podsumowanie strategii filtrowania

Co się tutaj nauczyliśmy? Mamy kilka wniosków, które uzyskaliśmy i kilka punktów, które możemy wywnioskować z tych symulacji:

• Projektowanie filtra w dużym stopniu zależy od wartości kondensatorów wyjściowych przetwornicy. Jeśli kondensatory wyjściowe są zbyt małe, konieczne może być dodanie dodatkowego kondensatora równolegle, aby uzyskać wystarczająco małą częstotliwość odcięcia, która zapewni filtrację szumów.
• Przyjrzeliśmy się tylko filtrowi wyjściowemu, ale umieszczenie filtracji na wejściu jest często znacznie bardziej skuteczne w redukcji całkowitego szumu. To właśnie robisz z kondensatorem wyjściowym na pełnoondulatorze: próbujesz dostarczyć stabilne zasilanie DC do sekcji konwersji mocy zasilacza.
• W odpowiedzi przejściowej od filtru PI może wystąpić przeregulowanie, które może być dość duże. Można to tłumić w zwykły sposób, umieszczając rezystor szeregowo z kondensatorami C1 i C2 lub dostosowując wartość L2.
• Dodając tłumienie, upewnij się, że porównujesz potrzebną rezystancję z wartością ESR używanych kondensatorów. Zauważ także, że spowalniasz odpowiedź obwodu i poświęcasz trochę mocy.
• Ponieważ szczyt prądu przy obciążeniu podczas odpowiedzi przejściowej zależy od parametrów PWM, możemy również podejść do określenia dozwolonego zakresu częstotliwości/narastania PWM, które zapewniają wystarczająco niski poziom szumów.

Dalsze ulepszenia

Ostatnią opcją, aby dalej poprawiać odpowiedź filtra po jego przeprojektowaniu, jest użycie układu RC snubber przed i po filtrze. W rzeczywistości użyty kondensator na wyjściu będzie miał pewną ESR, więc będzie działał jak mini obwód RC snubber. Jedną z opcji byłoby użycie kondensatorów z kontrolowaną ESR w tych miejscach, aby zapewnić właściwą ilość tłumienia, jak jest potrzebne.

Bardziej powszechnym miejscem umieszczania snubbera jest przetwornica z elementami przełączającymi po stronie wysokiej i niskiej. Umieszczano by go w poprzek tranzystora MOSFET po stronie niskiej, aby tłumić przejściową odpowiedź MOSFETu i uzyskać bardziej płynne wyjście. Przykład dla przetwornicy typu buck pokazano na poniższym schemacie, ale ta sama idea dotyczy każdej innej topologii, gdzie należy zmniejszyć dzwonienie spowodowane przełączaniem MOSFETu. Innym doskonałym przykładem są większe przetwornice przełączające, które używają wielu MOSFETów równolegle, co może prowadzić do tych samych problemów z przełączaniem i przekroczeniem.

Kończenie Schematu Twojego SMPS

W powyższym przykładzie pokazaliśmy tylko sekcję przetwornika w SMPS, a do działania SMPS potrzebne są inne ważne bloki obwodów. Pozostałe sekcje potrzebne w SMPS zależą od końcowego zastosowania i poziomu kontroli lub precyzji wymaganego w systemie. W powyższym przykładzie nie uwzględniliśmy niektórych innych niezbędnych funkcji:

• Generacja PWM: Aby ustawić napięcie wyjściowe na określony poziom dla danej częstotliwości PWM, można użyć generatora PWM, aby zapewnić napięcie wyjściowe na pożądanym poziomie. Może to być tak proste jak obwód VCO, lub można użyć specjalistycznych układów scalonych generatora PWM.
• Pętla sterowania: Niektóre topologie zasilaczy, takie jak przetworniki rezonansowe LLC, będą wymagały pętli sterowania dużym prądem, gdzie mierzony jest wyjście przetwornika, a wypełnienie lub częstotliwość PWM jest dostosowywana, aby utrzymać napięcie na pożądanym poziomie. Najprostszym sposobem na dokonanie tej regulacji jest użycie wzmacniacza operacyjnego z napięciem odniesienia, lub może to być wykonane cyfrowo z użyciem MCU. Można również użyć specjalizowanych układów sterujących.
• Interfejs użytkownika: System może potrzebować sposobu na przyjęcie danych wejściowych od użytkownika i zastosowanie wymaganego wypełnienia/w częstotliwości PWM, aby osiągnąć pożądane napięcie wyjściowe. Najłatwiejszym sposobem jest użycie zintegrowanego kontrolera, lub jeśli chcesz zaprojektować własną strategię sterowania, możesz zaimplementować aplikację na MCU.

Istnieją pewne komponenty kontrolera zasilania, które będą znajdować się w pętli sterowania, mierzyć napięcie wyjściowe i dostosowywać sygnał PWM na podstawie ustawień zastosowanych przez interfejs cyfrowy (zazwyczaj I2C) i zaimplementowanych z MCU.

Po zakończeniu schematu SMPS i filtru wyjściowego zasilacza impulsowego możesz zastąpić wszelkie ogólne komponenty rzeczywistymi komponentami za pomocą Panelu Wyszukiwania Części Producenta w Altium Designer®. Następnie możesz udostępnić swoje projekty współpracownikom i producentowi za pomocą platformy Altium 365™.

Przedstawiliśmy tylko niewielką część możliwości, jakie daje Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu po bardziej szczegółowy opis funkcji lub jeden z Webinarów na Żądanie.