Filtro de Saída de Fonte de Alimentação Chaveada: Projeto e Simulação

Fontes de alimentação comutadas vêm em muitas formas, como em uma fonte de alimentação de laboratório de alta potência de bancada, ou embutidas em uma PCB com ICs especializados e componentes passivos. O objetivo ao projetar esses sistemas é garantir a entrega de energia DC estável para o resto do seu sistema com ruído mínimo. Também é ideal amortecer os efeitos de qualquer ondulação residual da retificação ou remover qualquer ruído na entrada. Manter a saída livre de ruídos e estável pode exigir o uso de um filtro de saída, que pode ser implementado usando componentes passivos no layout da sua PCB.

Neste artigo, vou mostrar como um filtro de saída de fonte de alimentação comutada pode ser usado para amortecer o ruído de saída e como você pode usar algumas ferramentas de simulação para otimizar o design do seu filtro para baixo ruído. Como discuti em um artigo anterior neste blog, e como veremos a partir de alguns resultados de simulação, reduzir o ruído depende dos valores dos componentes no filtro de saída e do indutor no circuito. Como exemplo, vamos olhar para uma topologia de conversor buck-boost para ver como implementar um filtro de saída para uma fonte de alimentação comutada.

Iniciando um Design de Filtro de Saída para Fonte de Alimentação Comutada

O filtro de saída em um conversor CC/CC (seja buck/boost ou outra topologia) é um filtro passa-baixa. Isso pode ser tão simples quanto um capacitor em derivação, embora o método típico seja colocar um filtro pi para desviar o ruído AC para a terra. A razão para isso é que a função de um conversor comutado é trocar o ripple de baixa frequência da conversão de energia AC-DC em ruído de comutação de alta frequência de um transistor de comutação. O filtro de saída então remove o ruído de comutação de alta frequência na saída do filtro, fornecendo energia DC limpa para a carga.

A imagem abaixo mostra um esquemático de conversor buck-boost comutado com um transistor PMOS de potência (você poderia usar NMOS e mudar as polaridades de V1 e V2). Destaquei duas seções: a seção do conversor comutado (em verde) e a seção do filtro de saída (em vermelho). Neste circuito, o capacitor de saída faz parte do filtro de saída da fonte de alimentação comutada. O filtro tem uma topologia de filtro pi padrão para fornecer filtragem passa-baixa.

Finalmente, temos os seguintes parâmetros no PWM: frequência de comutação de 100 kHz, tempo de subida de 10 ns, ciclo de trabalho de 30%. Em vez de focarmos na faixa permitida de valores de PWM ou passivos que fornecem uma saída de potência específica, queremos focar na faixa de valores de componentes de filtro que nos dão o menor ruído. Primeiro, vamos olhar para a resposta transiente real com a nova funcionalidade de painel de simulação do Altium Designer, depois vamos olhar para uma faixa de valores de componentes de filtro que dão o menor ruído.

Saída de Potência Inicial

A imagem abaixo mostra uma simulação transiente mostrando a tensão nos capacitores (gráfico superior) e a corrente entregue à carga (gráfico inferior). A partir deste resultado, podemos comparar a saída não filtrada (curva vermelha, gráfico superior) com a saída filtrada (curva azul, gráfico superior). O filtro faz um trabalho decente de limpar o ruído de comutação do conversor. No entanto, há uma clara resposta transiente de baixa frequência à medida que o conversor muda de DESLIGADO para LIGADO.

Esta resposta transitória é muito importante. De fato, o excesso transitório depende do tempo de subida do sinal PWM e dos parasitas no MOSFET, bem como dos polos presentes no circuito do filtro. Em certos casos, o excesso pode atingir até 50% da corrente de carga quando o conversor alterna entre dois estados de tensão, ou seja, ao alternar entre duas frequências PWM ou ciclos de trabalho. Isso poderia produzir um grande pico de corrente que poderia danificar sua carga.

O Que Contribui Para Esta Resposta Transitória?

Aqui, temos múltiplos contribuintes para as características transitórias observadas acima:

1. Ondulação de alta frequência, como visto na curva vermelha acima
2. Uma resposta transitória de frequência média dos polos do filtro LC
3. Uma resposta transitória de baixa frequência produzindo o grande excesso devido a transientes no MOSFET.

Como veremos, os filtros de saída são realmente bons para lidar com #1 e #2. Eles não são a melhor opção para lidar com #3, mas afetarão a resposta transitória devido aos elementos parasitas do MOSFET.

A Impedância da Carga

O valor do componente de carga também influencia o ripple na saída neste circuito. Na imagem abaixo, mostrei o que acontece quando a resistência de carga é aumentada para 1 MOhm, que é um valor útil para simular a impedância de entrada de um circuito integrado CMOS. A partir daqui, podemos ver o verdadeiro ripple na saída, que é refletido na corrente de carga.

Por essa razão, gostaríamos de amortecer a resposta do circuito conversor, ou redesenhar a seção do filtro de modo que não tenhamos um problema tão grande com overshoot na saída. Uma opção é adicionar algum amortecimento diretamente, adicionando alguma resistência.

Adicionando Resistores para Amortecimento

Uma maneira de resolver um problema com uma resposta transiente subamortecida é adicionar algum amortecimento nos capacitores C1 e C2. Para fazer isso, adicionei resistores de 1 Ohm aos capacitores C1 e C2 para fornecer algum amortecimento, e estou conduzindo a carga de 10 Ohm. Isso trará a resposta transiente muito próxima do regime criticamente amortecido, proporcionando uma transição suave entre os estados LIGADO e DESLIGADO quando a simulação começa. A mesma transição suave ocorreria entre dois estados de saída de energia se os parâmetros PWM fossem alterados. No entanto, se os resistores forem maiores, teríamos uma resposta transiente mais lenta.

Um pequeno problema com isso é que perdemos uma pequena quantidade de energia: temos menos corrente alcançando a carga e a tensão de saída está um pouco mais baixa. Parte da energia é dissipada nos resistores na seção RC, levando a algumas perdas adicionais. Há também um leve ruído residual na corrente de saída, embora isso seja muito pequeno.

Obtemos o mesmo tipo de resposta se usarmos a carga de 1 MOhm, mas vemos algum ripple inicial na queda de tensão através de C1 + (resistor em série) net. Esta é uma resposta decente, pois o ripple não é refletido na saída, mas ainda há o mesmo aumento lento da corrente de saída. Isso é aceitável se você não precisa de uma regulação muito rápida com um loop de feedback e quer garantir uma transição suave entre os estados.

Antes de prosseguir, acho importante notar que, embora a resposta seja muito mais lenta, estamos resignados a ~95% da corrente final esperada em ~3 ms, o que ainda é um tempo de ativação razoavelmente rápido. Apenas para comparação, algumas fontes de alimentação comerciais têm um tempo total de ativação 10 vezes maior. Esse tempo de ativação pode ser dominado por outros componentes, como o driver PWM, especialmente se houver um loop de feedback para fornecer controle de precisão. Portanto, ainda estamos operando de forma suficientemente rápida, mesmo que o tempo de ativação pareça muito lento.

Uma opção aqui é reprojetar nosso circuito de filtro de saída da fonte de alimentação chaveada sem resistência adicionada para produzir um resultado semelhante.

Alterando C1, C2 e/ou L2

Outra opção aqui é remover os resistores e alterar C1/C2 e L2. O problema em modificar C1 e C2 é que o ripple final no lado de saída será afetado pelo valor desses capacitores, pois você está modificando as condições para amortecimento crítico. A condição em que o amortecimento crítico surge é uma expressão quadrática bastante complicada, mas a intuição deve ser clara aqui:

• Se os valores dos capacitores forem muito baixos, teríamos uma resposta severamente subamortecida com oscilação de alta frequência.
• Se o valor do capacitor for muito alto, teremos uma resposta muito lenta, pois os capacitores levam muito tempo para carregar até o nível de DC necessário.

Você pode estar se perguntando; como temos uma resposta transitória subamortecida com sobressalto em um filtro pi? Na realidade, temos 2 filtros LC com múltiplos polos na função de transferência combinada devido à presença de múltiplos elementos reativos (2 indutores e 2 capacitores). Se olharmos de perto os resultados acima, podemos ver duas respostas transientes sobrepostas uma à outra. Estas são a resposta LC comutada de L1 e C1 (a resposta padrão do conversor buck-boost), e a resposta RLC típica de L2, C2 e o resistor de carga.

Ajustar o L2 e os capacitores de saída juntos é outra maneira de alcançar um baixo ripple na saída. Na imagem abaixo, criei uma varredura de frequência no meu Painel de Simulação para percorrer uma gama de valores de indutores. Aqui, quero me limitar a indutâncias práticas que encontraria em componentes menores enquanto alimento a carga de 10 Ohms. Para garantir que estou chegando o mais próximo possível do amortecimento crítico, vou varrer diferentes valores de C1 = C2 e L2. Estou começando com uma capacitância menor (1 uF) e varrendo através de valores de L2 até 0.2 mH. Para a carga de 1 MOhm, basta seguir o mesmo procedimento usando as condições para amortecimento crítico em um circuito RLC.

Como se verifica, o melhor valor de indutância para L2 é de cerca de 150-200 uH. Há muitos indutores de fio enrolado com classificações de corrente contínua superiores a ~1.5 A. Um exemplo é o IHV30EB150 da Vishay.

Resumo das Estratégias de Filtragem

O que aprendemos aqui? Há alguns insights que ganhamos e alguns pontos que podemos inferir dessas simulações:

• O design do seu filtro depende fortemente dos valores dos capacitores de saída do conversor. Se os capacitores de saída forem muito pequenos, então você precisará colocar um capacitor adicional em paralelo para obter a frequência de corte pequena o suficiente para fornecer filtragem de ruído.
• Apenas olhamos para um filtro de saída, mas colocar filtragem na entrada é muitas vezes muito mais eficaz para reduzir o ruído total. Isso é basicamente o que você está fazendo com o capacitor de saída em um retificador de onda completa: você está tentando alimentar energia DC estável na seção de conversão de energia da fonte de alimentação.
• Há um overshoot na resposta transiente do filtro pi que pode ser bastante grande. Isso pode ser amortecido da maneira usual colocando um resistor em série com os capacitores C1 e C2 ou ajustando o valor de L2.
• Ao adicionar amortecimento, certifique-se de comparar a resistência de que você precisa com o valor ESR dos capacitores que você usa. Também note que você desacelera a resposta do circuito e sacrifica um pouco de potência.
• Como o pico de corrente na carga durante a resposta transiente depende dos parâmetros do PWM, podemos também adotar a abordagem de determinar uma faixa permitida de frequências/tempos de subida do PWM que proporcionem ruído suficientemente baixo.

Melhorias Adicionais

Uma opção final para continuar melhorando a resposta do filtro após o redesenho é usar um snubber RC antes e depois do filtro. Na verdade, o capacitor usado na saída terá algum ESR, então ele agirá como um mini circuito snubber RC. Uma opção seria usar capacitores com ESR controlado nesses pontos para fornecer exatamente a quantidade certa de amortecimento conforme necessário.

O local mais comum para colocar um snubber está em um conversor com elementos de comutação de alta e baixa potência. Isso seria colocado em paralelo com o MOSFET de baixa potência para amortecer a resposta transiente do MOSFET e produzir uma saída mais suave. Um exemplo para um conversor buck é mostrado no diagrama abaixo, mas a mesma ideia se aplica a qualquer outra topologia onde o ringing devido à comutação do MOSFET precisa ser reduzido. Outro exemplo primordial está em conversores de comutação maiores que usam vários MOSFETs em paralelo, que podem ter os mesmos problemas com comutação e overshoot.

Finalizando Seu Esquemático SMPS

No exemplo acima, mostramos apenas a seção conversora de uma SMPS, e existem outros blocos de circuito importantes necessários para fazer uma SMPS funcionar. As outras seções necessárias em uma SMPS dependem da aplicação final e do nível de controle ou precisão necessários no sistema. No exemplo acima, não incluímos algumas outras características necessárias:

• Geração de PWM: Para definir a tensão de saída em um nível específico para uma dada frequência de PWM, um gerador de PWM pode ser usado para garantir a tensão de saída em um nível desejado. Isso pode ser tão simples quanto um circuito VCO, ou podem ser usados ICs geradores de PWM especializados.
• Laço de controle: Algumas topologias de fonte de alimentação, como conversores ressonantes LLC, precisarão de um laço de controle de alta corrente, onde a saída do conversor é medida e o ciclo de trabalho ou frequência do PWM é ajustado para manter a tensão no nível desejado. Um op-amp com uma tensão de referência é a maneira mais simples de fazer esse ajuste, ou isso pode ser feito digitalmente com um MCU. Também existem chips controladores especializados que você pode usar.
• Interface do usuário: O sistema pode precisar de alguma forma de receber a entrada do usuário e aplicar o ciclo de trabalho/frequência PWM necessário para alcançar a tensão de saída desejada. A maneira mais fácil de fazer isso é com um controlador integrado, ou se você quiser projetar sua própria estratégia de controle, pode implementar uma aplicação em um MCU.

Existem alguns componentes controladores de fonte de alimentação que ficarão no loop de controle, medirão a tensão de saída e ajustarão o sinal PWM com base nas configurações aplicadas por uma interface digital (geralmente I2C) e implementadas com um MCU.

Uma vez que você tenha terminado seu esquemático SMPS e seu filtro de saída de fonte de alimentação chaveada, você pode substituir quaisquer componentes genéricos por componentes reais usando o Painel de Pesquisa de Partes do Fabricante no Altium Designer®. Você pode então compartilhar seus projetos com seus colaboradores e seu fabricante usando a plataforma Altium 365™.

Apenas arranhamos a superfície do que é possível fazer com o Altium Designer no Altium 365. Você pode verificar a página do produto para uma descrição mais aprofundada das funcionalidades ou um dos Webinars Sob Demanda.