Проектирование и анализ входных фильтров

Чрезмерная инженерия не всегда означает трату лишних усилий, особенно если основная цель - создание стабильного тестового стенда, как я планирую сделать – эпическое устройство для тестирования регуляторов напряжения. Мне нужен очень чистый, ультранизкошумный вход напряжения и высококлассное измерительное оборудование с лучшим входным каскадом для моей тестовой установки, чтобы результаты были сопоставимы. В моем предыдущем контенте я представил результаты, собранные с первой версии этой концепции тестового стенда, но было очевидно, что мне нужно внести улучшения в нескольких областях. Таким образом, я решил выделить планируемую схему входного постоянного тока для всего прибора на отдельную плату, чтобы иметь возможность оценить ее производительность и, в то же время, посмотреть, сколько компонентов я могу убрать, что поможет мне снизить стоимость BOM, экономя при этом много места на плате. В этой статье я попробую поэкспериментировать с эффектами ступеней фильтрации и проанализировать, сколько фильтрации требуется.
Первое улучшение будет связано с измерительным прибором, используемым для измерений. Хотя Rigol MSO5000 является достойным осциллографом, который я использовал для измерения производительности регулятора с моим предыдущим стендом, у него не лучший уровень шума или эффективное количество бит разрешения. Однако мои более новые осциллографы, такие как серия Keysight MXR, имеют отличные входные каскады и уровни шума в диапазоне микровольт, а не милливольт.

Второе улучшение будет связано с ответом на вопросы "Сколько фильтрации мне нужно?" или "Бывает ли слишком много?". Ответ на эти вопросы, конечно, будет "Это зависит!". Учитывая требуемый уровень ослабления на интересующих частотных диапазонах по сравнению с площадью платы и общей стоимостью, это инженерный компромисс. В моем тестовом стенде мне нужно убедиться, что шум от лабораторного источника питания достаточно фильтруется, в то время как я анализирую шум на выходе тестируемого устройства, чтобы убедиться, что это не моя тестовая установка влияет на весь бенчмарк. Хорошо известно, что импульсные регуляторы имеют ужасные коэффициенты подавления входного шума. Поэтому я спроектировал эту плату с различными ступенями фильтрации общего и дифференциального режимов, чтобы убедиться, что на регулятор поступает как можно меньше входного шума. Это первый контент, сосредоточенный на этой плате, так что следите за продолжением, таким как встроенное измерение тока и расширение пределов компонентов. Как обычно, этот проект является проектом с открытым исходным кодом, и все файлы проекта находятся в моих репозиториях на GitHub.

Давайте начнем разбираться в схеме этой платы:

Массивные входные разъемы серии REDCUBE от Wurth Elektronik позволяют мне подавать 1,5 киловатта от моего лабораторного источника питания Kikusui на плату, не беспокоясь о высокой плотности тока вокруг разъема, которая могла бы повредить большую площадь платы. Хотя у меня есть множество мер предотвращения электростатического разряда (ESD) во время лабораторных испытаний, в предыдущей версии моего устройства из-за ESD вышли из строя MOSFET. Поэтому на входе платы установлен огромный диод ESD, который должен справиться с любыми событиями, которые могут произойти при работе с входными разъемами.

Первый этап фильтрации после входного разъема - это дроссель общего режима (L1). Лабораторный источник питания будет иметь шумы общего и дифференциального режимов, где шумы общего режима симметричны между кабелями. В обычных условиях скручивание кабелей питания и возврата или использование дифференциального приемника в зависимости от приложения по своей природе помогает уменьшить шумы общего режима; однако скрутить кабели питания невозможно из-за расположения моего стойки с оборудованием. Учитывая, что мои источники питания PWX находятся в верхней части моей стойки, у меня есть примерно 1,5 м толстых кабелей, которые я не могу скрутить для лучшей иммунитетности к шумам и которые действуют как антенна ЭМИ, напрямую подключенная к плате.

Дроссель общего режима (CMC) - это компонент, который помогает ослабить шумы общего режима. Он состоит из двух катушек, намотанных на общее магнитное ядро. Токи обеих линий текут в одном направлении, что ослабляет шумы общего режима. 

С другой стороны, нормальный ток течет в разных направлениях, и магнитные поля в ядре взаимно уничтожают друг друга. Это приводит к минимальному импедансу для постоянного тока.

Однако скручивание кабелей или использование CMC неэффективно для ослабления дифференциального режима помех. Важно отметить, что паразитная индуктивность CMC может образовать небольшой LC фильтр с конденсаторами в цепи. Однако это будет иметь незначительные эффекты и, возможно, будет недостаточным. Поэтому необходима другая топология фильтра, и фильтр Пи является хорошим вариантом. Он напоминает символ Пи, с индуктором, формирующим верхнюю часть, и конденсаторами, формирующими ножки.

Фильтр Пи имеет низкое последовательное сопротивление постоянному току, но очень эффективен в удалении компонентов переменного тока сигнала. Он достигает этого, обеспечивая очень низкий путь импеданса для шума на настроенной частоте на обоих концах индуктора. Точка отсечения для шума зависит от выбранных компонентов.

На плате используется три стадии фильтра Пи с двумя разными моделями индукторов, одна из которых значительно меньше других. Неизвестно, нужны ли все эти стадии, но удаление некоторых стадий может позволить значительно сэкономить место на плате и снизить стоимость компонентов.
 
Честно говоря, не всегда возможно с первой попытки добиться идеальных результатов без пропусков. Одна вещь, которую я должен был добавить в дизайн платы, но забыл, это тестовые точки, к которым я могу подключить испытательное оборудование. 

Поэтому я соскреб немного защитного лака и добавил разъемы u.Fl и SMA на плату для прямого подключения коаксиального кабеля между платой и испытательными приборами.

С этими тестовыми точками я могу постепенно проверять ослабление сигналов по мере их прохождения через плату и сравнивать производительность каждой стадии.
 
Нам нужно точно измерить частотную характеристику и импеданс для оценки производительности фильтров, что делает векторный анализатор сетей хорошим выбором. Поскольку нас интересует ответ вплоть до постоянного тока, типичный РЧ ВАС будет недостаточен из-за ограничений по нижней частоте; например, мой Rohde & Schwarz ZNB8 не может измерять ниже 100 кГц. С другой стороны, Omicron Lab Bode 100 спускается до 1 Гц.

Несмотря на то что основной целью фильтра является увеличение подавления шума, он должен обеспечивать низкое сопротивление постоянному току, чтобы предотвратить потери. Мой мультиметр Keysight 34465A с точностью до 6,5 разряда показывает чуть более 40 миллиомов.

В сравнении, суммируя заявленные производителем сопротивления постоянному току для дросселя и индукторов, мы получаем 62 миллиома, так что мы должны видеть очень небольшой нагрев от потерь на сопротивлении через фильтр.
 
Сопротивление последовательности фильтра выглядит многообещающе, поэтому я перейду к измерениям на более высоких частотах. Во-первых, я измерю общий отклик фильтра, а затем измерю отдельные ступени, чтобы оценить их вклад в полный отклик. Для лучшего понимания я переключусь на адмиттанс вместо импеданса, так как это более очевидно в контексте фильтра. Адмиттанс показывает, насколько сигнал ослабляется Bode 100 от его выхода до канала 2. Измерение начинает становиться запутанным в его самой нижней точке, но я уверен, что это из-за того, что сигнал очень слаб, и сила сигнала на приемнике почти нулевая, так что нечего и чувствовать. Однако это именно то, что я хочу от фильтра. Фильтр был разработан для блокировки шума 140 кГц от лабораторного источника питания.

Чтобы определить, нужно ли удалять какой-либо этап, мы должны измерить входы и выходы отдельных блоков. Начиная с измерения VIN до VCMC, мы можем начать с эффекта общемодового фильтра, который включает в себя CMC и первый электролитический конденсатор на 330 микрофарад. Он обеспечивает хороший уровень ослабления и является отличным началом для нашего фильтра.

Первый фильтр Пи является значительным компонентом нашей общей производительности фильтра. Этот фильтр имеет физически более маленький и низкоомный индуктор по сравнению со следующей ступенью, и измерение через VIN до VF_1 позволит нам увидеть его производительность. Результаты показывают, что этот участок фильтра значительно влияет на общий отклик.

Измерение от VIN до VF_2 включает первый большой индуктор и отклик фильтра второй ступени, показанный ниже. Сравнив зеленую и серую кривые, мы можем ясно сказать, что третья ступень фильтра не вносит значительного вклада и может быть безопасно удалена.

Если мы измеряем от VCMC вместо VIN, мы можем обойти CMC, чтобы увидеть производительность фильтров Пи самостоятельно, что снова подтверждает, что последняя ступень фильтра не вносит слишком большого вклада.

Существует значительная разница между индуктором первой ступени фильтра и остальными с точки зрения как доступности, так и стоимости. Вопрос в том, стоят ли большие индукторы своих денег? Измерение зеленого VCMC до VF_1 представляет первый фильтр. Мы можем сравнить это с измерением VF_2 до VF_3, которое учитывает только финальную ступень фильтра. В идеальном мире частота среза для фиолетовой кривой должна быть примерно вдвое меньше, чем у первой ступени фильтра. Однако обе частоты среза составляют всего несколько килогерц. К сожалению, объединенные паразитические эффекты платы и компонентов затрудняют определение в реальном мире. У нас есть некоторые крупные полигоны на нескольких слоях, которые формируют плоские конденсаторы, и большие электролитические конденсаторы также имеют значительный компонент последовательного сопротивления, который влияет на все эти отклики.

На основе моего анализа я могу сделать вывод, что фильтр работает отлично, как и предполагалось, и я считаю, что третью ступень можно удалить, чтобы сэкономить огромное количество места на плате. Хотя я не совсем уверен, я предлагаю удалить второй фильтр или изменить его так, чтобы он был таким же, как первый, поскольку его даже невозможно измерить, как только мы преодолеваем потери в 100 дБ.