Projeto e Análise de Filtro de Entrada

Superdimensionar não significa necessariamente gastar esforço desnecessário, especialmente se o objetivo principal é criar um dispositivo de teste consistente, como planejo fazer – um dispositivo épico de teste de reguladores de tensão. Preciso de uma entrada de tensão super limpa, com ultra-baixo ruído e equipamento de medição de alta qualidade com uma melhor interface para o meu conjunto de testes para tornar os resultados comparáveis. No meu conteúdo anterior, apresentei os resultados coletados da primeira versão deste conceito de dispositivo de teste, mas era óbvio que eu precisava de algumas melhorias em algumas áreas. Assim, decidi separar o estágio de entrada de CC planejado para todo o instrumento em sua própria placa para poder avaliar seu desempenho e, ao mesmo tempo, ver quantos componentes posso remover, o que me ajudará a reduzir o custo da BOM enquanto economizo bastante espaço na placa. Neste artigo, tentarei experimentar os efeitos dos estágios de filtro e analisar quanto de filtragem é necessário.
A primeira melhoria estaria relacionada ao instrumento de teste usado para medição. Embora o Rigol MSO5000 seja um osciloscópio decente, que usei para medir o desempenho do regulador com meu dispositivo anterior, ele não tem o melhor piso de ruído ou número efetivo de bits de resolução. No entanto, meus osciloscópios mais novos, como a série Keysight MXR, têm ótimas interfaces e pisos de ruído na faixa de microvolts em vez de milivolts.

A segunda melhoria seria responder "Quanto de filtragem eu preciso?" ou "Existe algo como excesso?". A resposta para essas perguntas seria, claro, "Depende!". Considerando o nível de atenuação necessário nas bandas de frequência de interesse contra o espaço na placa e o custo total, é uma compensação de engenharia. No meu dispositivo de teste, preciso garantir que o ruído da fonte de alimentação de laboratório seja suficientemente filtrado enquanto observo a saída de ruído do dispositivo em teste para garantir que não seja o meu conjunto de teste afetando todo o benchmark. É um fato bem conhecido que os reguladores chaveados têm péssimas taxas de rejeição para ruído de entrada. Portanto, projetei esta placa com diferentes estágios de filtro de modo comum e diferencial para garantir que haja o mínimo de ruído de entrada possível alcançando o regulador. Este é o primeiro conteúdo focado nesta placa, e fique atento para o resto, como detecção de corrente integrada e explorando os limites dos componentes. Como de costume, este projeto é um design de hardware de código aberto, e todos os arquivos do projeto estão nos meus repositórios do GitHub.

Vamos começar a explorar o esquemático desta placa:

Os massivos conectores de entrada são da série REDCUBE da Wurth Elektronik, que me permitem fornecer 1,5 quilowatts da minha fonte de laboratório Kikusui para a placa sem me preocupar com a alta densidade de corrente ao redor do conector comprometendo a maior área da placa. Embora eu tenha muitas medidas preventivas contra ESD durante os testes de laboratório, eu tive falhas em MOSFETs na iteração anterior do meu dispositivo devido a ESD. Portanto, a entrada da placa possui um enorme diodo ESD, que deve lidar com quaisquer eventos que possam ocorrer ao manusear os conectores de entrada.

A primeira etapa de filtragem após o conector de entrada é um indutor de modo comum (L1). A fonte de laboratório terá ruídos de modo comum e diferencial, onde o ruído de modo comum é simétrico entre os cabos. Em condições normais, torcer os cabos de alimentação e retorno ou usar um receptor diferencial dependendo da aplicação, por natureza, ajuda a reduzir o ruído de modo comum; no entanto, torcer os cabos de entrada de alimentação não é possível devido ao arranjo do meu rack de equipamentos. Dado que minhas fontes de alimentação PWX estão no topo do meu rack de equipamentos, eu tenho aproximadamente 1,5m de cabos de bitola pesada, que não posso torcer para melhor imunidade ao ruído e agem como uma antena EMI conectada diretamente à placa.

O indutor de modo comum (CMC) é um componente que ajuda a atenuar o ruído de modo comum. Ele consiste em duas bobinas enroladas em torno de um núcleo magnético compartilhado. As correntes de ambas as linhas fluem na mesma direção, o que atenua o ruído de modo comum. 

Por outro lado, a corrente normal flui em direções diferentes, e os campos magnéticos se anulam no núcleo. Isso resulta em uma impedância mínima para a fonte de alimentação DC.

Entretanto, torcer os cabos ou usar um CMC é ineficaz para atenuar o ruído modo diferencial. É importante notar que a indutância parasita do CMC pode formar um pequeno filtro LC com os capacitores no circuito. No entanto, isso teria efeitos negligenciáveis e possivelmente seria inadequado. Portanto, outra topologia de filtro é necessária, e o Filtro Pi é uma boa opção. Ele se assemelha ao símbolo Pi, com um indutor formando o topo e capacitores formando as pernas.

O Filtro Pi tem baixa resistência em série DC, mas é altamente eficaz na remoção de componentes de sinal AC. Ele consegue isso fornecendo um caminho de impedância muito baixa para o ruído na frequência ajustada em ambas as extremidades do indutor. O ponto de corte para o ruído depende dos componentes escolhidos.

A placa tem três estágios de filtro Pi usando dois modelos diferentes de indutores, um dos quais é muito menor que os outros. Não se sabe se todos esses estágios são necessários, mas remover alguns estágios pode permitir economias significativas em espaço na placa e custo de componentes.
 
Honestamente, nem sempre é possível produzir resultados perfeitos na primeira tentativa sem esquecer de nada. Uma coisa que eu deveria ter adicionado ao projeto da placa, mas que me escapou, são pontos de teste aos quais eu possa conectar equipamentos de teste. 

Portanto, eu raspei um pouco da máscara de solda e adicionei conectores u.Fl e SMA à placa para conectar o cabo coaxial diretamente entre a placa e os instrumentos de teste.

Com esses pontos de teste, posso verificar progressivamente a atenuação dos sinais à medida que eles atravessam a placa e comparar o desempenho de cada estágio.
 
Precisamos medir com precisão a resposta de frequência e a impedância para avaliar o desempenho dos filtros, tornando o analisador de rede vetorial uma boa seleção. Como estamos interessados na resposta até DC, um VNA RF típico será insuficiente devido a limitações de frequência mais baixas; meu Rohde & Schwarz ZNB8, por exemplo, não pode medir abaixo de 100kHz. Por outro lado, o Omicron Lab Bode 100 desce até 1Hz.

Embora aumentar a atenuação para o ruído seja o objetivo principal do filtro, ele deve permitir baixa resistência DC para evitar perdas. Meu multímetro de 6,5 dígitos Keysight 34465A mede um pouco mais de 40 miliohms.

Por comparação, somando as resistências DC alegadas pelo fabricante para o indutor e os indutores, obtemos 62 miliohms, então devemos ver muito pouco aquecimento devido a perdas de resistência através do filtro.
 
A resistência da série do filtro parece promissora, então vou prosseguir para medir as medições de frequências mais altas. Primeiramente, vou medir a resposta geral do filtro e depois medir os estágios individuais para avaliar suas contribuições para a resposta completa. Para melhor entendimento, vou mudar para admitância em vez de impedância, pois é mais óbvio no contexto de um filtro. A admitância mostra quanto de atenuação de sinal o Bode 100 mede de sua saída para o Canal 2. A medição começa a ficar confusa em seu ponto mais baixo, mas estou certo de que isso é porque o sinal é muito fraco, e a força do sinal no receptor é quase inexistente, então não há muito o que sentir. No entanto, isso é exatamente o que quero do filtro. O filtro foi projetado para bloquear ruído de 140kHz da fonte de alimentação do laboratório de energia.

Para determinar se algum estágio precisa ser removido, devemos medir as entradas e saídas dos blocos individuais. Medindo VIN para VCMC, podemos começar com o efeito do filtro de modo comum, que inclui um CMC e o primeiro capacitor eletrolítico de 330 microfarads. Ele fornece um bom nível de atenuação e é um excelente começo para o nosso filtro.

O primeiro filtro Pi é um componente significativo do nosso desempenho total do filtro. Este filtro tem um indutor fisicamente menor e de menor valor do que o próximo estágio, e medir através de VIN para VF_1 nos permitirá ver seu desempenho. Os resultados mostram que esta parte do filtro afeta significativamente a resposta geral.

Medir de VIN a VF_2 inclui o primeiro grande indutor e a resposta do filtro de segunda etapa, mostrado abaixo. Uma vez comparados os gráficos verde e cinza, podemos claramente dizer que a terceira etapa do filtro não está contribuindo muito e pode ser seguramente removida.

Se medirmos a partir de VCMC em vez de VIN, podemos contornar o CMC para ver o desempenho dos filtros Pi sozinhos, o que confirma novamente que a etapa final do filtro não está contribuindo muito.

Há uma diferença significativa entre o indutor da primeira etapa do filtro e o restante em termos de disponibilidade e custo. A questão é, os grandes indutores valem o gasto? A medição de VCMC para VF_1 representa o primeiro filtro. Podemos comparar isso com a medição de VF_2 para VF_3, que considera apenas o filtro da etapa final. Em um mundo ideal, a frequência de corte para o traço roxo deveria ser cerca de metade daquela da primeira etapa do filtro. No entanto, ambas as frequências de corte são apenas de alguns quilohertz. Infelizmente, os parasitas combinados da placa e dos componentes tornam difícil determinar no mundo real. Temos alguns polígonos de bom tamanho em múltiplas camadas que formam capacitores planos, e os grandes capacitores eletrolíticos também têm um componente de resistência em série significativo, o que afeta todas essas respostas.

Com base na minha análise, posso concluir que o filtro funciona muito bem como pretendido, e sinto que a terceira etapa pode ser removida para economizar uma quantidade massiva de espaço na placa. Embora eu não esteja completamente certo, sugiro remover o segundo filtro ou alterá-lo para ser o mesmo que o primeiro, já que não é nem mensurável uma vez que passamos de 100 dB de perda.