Выходной фильтр импульсного источника питания: проектирование и моделирование

Импульсные источники питания бывают разных форм, например, в виде мощного настольного лабораторного блока питания или встроенные в печатную плату с использованием специализированных интегральных схем и пассивных элементов. Цель проектирования этих систем - обеспечить стабильное постоянное напряжение для остальной части вашей системы с минимальными помехами. Также идеально снизить эффекты любого остаточного пульсирования от выпрямления или устранить любые помехи на входе. Для поддержания выходного сигнала без помех и стабильности может потребоваться использование выходного фильтра, который можно реализовать с помощью пассивных элементов на вашей печатной плате.

В этой статье я покажу, как можно использовать выходной фильтр импульсного источника питания для снижения уровня шума на выходе и как можно использовать некоторые инструменты моделирования для оптимизации конструкции вашего фильтра для снижения шума. Как я обсуждал в предыдущей статье на этом блоге, и как мы увидим из некоторых результатов моделирования, снижение уровня шума зависит от значений компонентов в выходном фильтре и индуктора в цепи. В качестве примера давайте рассмотрим топологию преобразователя повышающе-понижающего типа, чтобы увидеть, как реализовать выходной фильтр для импульсного источника питания.

Начало проектирования выходного фильтра для импульсного источника питания

Выходной фильтр на DC/DC преобразователе (будь то понижающий/повышающий или другая топология) является фильтром нижних частот. Это может быть так же просто, как шунтирующий конденсатор, хотя типичный метод заключается в размещении пи-фильтра для шунтирования переменного тока на землю. Причина этого в том, что функция коммутируемого преобразователя заключается в преобразовании низкочастотных пульсаций от преобразования мощности AC-DC в высокочастотный коммутационный шум от коммутирующего транзистора. Затем выходной фильтр удаляет высокочастотный коммутационный шум на выходе из фильтра, обеспечивая чистое постоянное напряжение на нагрузку.

На изображении ниже показана схема коммутируемого понижающе-повышающего преобразователя с транзистором PMOS (можно использовать NMOS и изменить полярности V1 и V2). Я выделил два раздела: раздел коммутируемого преобразователя (зеленым) и раздел выходного фильтра (красным). В этой схеме выходной конденсатор является частью выходного фильтра коммутируемого источника питания. Фильтр имеет стандартную топологию пи-фильтра для обеспечения фильтрации нижних частот.

Наконец, у нас есть следующие параметры для ШИМ: частота переключения 100 кГц, время нарастания 10 нс, скважность 30%. Вместо того чтобы сосредотачиваться на допустимом диапазоне значений ШИМ или пассивных компонентов, которые обеспечивают определенную выходную мощность, мы хотим сосредоточиться на диапазоне значений компонентов фильтра, которые обеспечивают наименьший уровень шума. Сначала мы рассмотрим фактический переходный процесс с использованием новой функции панели симуляции в Altium Designer, затем мы рассмотрим ряд значений компонентов фильтра, которые обеспечивают наименьший уровень шума.

Начальная выходная мощность

На изображении ниже показана переходная симуляция, показывающая напряжение на конденсаторах (верхний график) и ток, подаваемый на нагрузку (нижний график). Исходя из этого результата, мы можем сравнить нефильтрованный выход (красная кривая, верхний график) с фильтрованным выходом (синяя кривая, верхний график). Фильтр неплохо справляется с очисткой шума от переключения преобразователя. Однако есть явный низкочастотный переходный процесс, когда преобразователь переключается с ВЫКЛ на ВКЛ.

Этот переходной процесс очень важен. Фактически, перерегулирование зависит от времени нарастания сигнала ШИМ и паразитных элементов в МОП-транзисторе, а также от полюсов, присутствующих в фильтрующей цепи. В некоторых случаях перерегулирование может достигать до 50% от тока нагрузки, когда преобразователь переключается между двумя состояниями напряжения, то есть при переключении между двумя частотами или коэффициентами заполнения ШИМ. Это может вызвать большой всплеск тока, который может повредить вашу нагрузку.

Что способствует этому переходному процессу?

Здесь у нас есть несколько факторов, влияющих на наблюдаемые выше переходные характеристики:

1. Высокочастотные пульсации, как видно на красной кривой выше
2. Переходной процесс средней частоты от полюсов LC-фильтра
3. Переходной процесс низкой частоты, вызывающий большое перерегулирование из-за переходных процессов в МОП-транзисторе.

Как мы увидим, выходные фильтры действительно хороши для решения задач #1 и #2. Они не лучший вариант для решения задачи #3, но они будут влиять на переходной процесс из-за паразитных элементов МОП-транзистора.

Импеданс нагрузки

Значение нагрузочного компонента также влияет на пульсации на выходе в этой схеме. На изображении ниже я показал, что происходит, когда сопротивление нагрузки увеличивается до 1 МОм, что является полезным значением для моделирования входного импеданса для интегральной схемы CMOS. Отсюда мы можем увидеть истинные пульсации на выходе, которые отражаются в токе нагрузки.

По этой причине мы хотели бы снизить отклик от схемы преобразователя или пересмотреть раздел фильтра, чтобы у нас не возникало такой проблемы с перерегулированием на выходе. Одним из вариантов является добавление некоторого демпфирования напрямую путем добавления некоторого сопротивления.

Добавление резисторов для демпфирования

Один из способов решить проблему с недостаточно демпфированным переходным процессом - добавить некоторое демпфирование на конденсаторы C1 и C2. Для этого я добавил резисторы на 1 Ом к конденсаторам C1 и C2, чтобы обеспечить некоторое демпфирование, и я использую нагрузку 10 Ом. Это приблизит переходный процесс очень близко к критически демпфированному режиму, обеспечивая плавный переход между состояниями ВЫКЛ и ВКЛ при начале симуляции. Такой же плавный переход произойдет между двумя состояниями выходной мощности, если были бы изменены параметры ШИМ. Однако, если резисторы будут больше, у нас будет более медленный переходный процесс.

Одна небольшая проблема заключается в том, что мы потеряли немного мощности: ток, достигающий нагрузки, стал меньше, а выходное напряжение немного снизилось. Часть мощности рассеивается на резисторах в RC-секции, что приводит к дополнительным потерям. Также на выходном токе остается некоторый небольшой шум, хотя он очень мал.

Мы получаем такой же тип ответа, если используем нагрузку 1 МОм, но видим некоторое начальное пульсирование в падении напряжения на C1 + (последовательный резистор) сеть. Это достойный ответ, так как пульсации не отражаются на выходе, но все же наблюдается тот же медленный рост выходного тока. Это приемлемо, если вам не нужна очень быстрая регулировка с обратной связью и вы хотите обеспечить плавный переход между состояниями.

Прежде чем продолжить, я считаю важным отметить, что, хотя реакция значительно медленнее, мы достигаем примерно 95% ожидаемого конечного тока примерно за 3 мс, что все еще является достаточно быстрым временем включения. Для сравнения, некоторые коммерческие источники питания имеют время включения в 10 раз больше. Это время включения может быть определено другими компонентами, такими как драйвер ШИМ, особенно если есть обратная связь для обеспечения точного управления. Таким образом, мы все еще работаем достаточно быстро, даже если время включения кажется очень медленным.

Одним из вариантов здесь может быть перепроектирование нашего выходного фильтра импульсного источника питания без добавления сопротивления для получения аналогичного результата.

Изменение C1, C2 и/или L2

Еще один вариант здесь - убрать резисторы и изменить C1/C2 и L2. Проблема с изменением C1 и C2 заключается в том, что конечные пульсации на выходе будут зависеть от значения этих конденсаторов, поскольку вы изменяете условия для критического демпфирования. Условие, при котором возникает критическое демпфирование, является довольно сложным квадратным выражением, но интуиция здесь должна быть ясной:

• Если значения конденсаторов слишком низкие, мы получим сильно недодемпфированную реакцию с высокочастотными колебаниями.
• Если значение конденсатора слишком велико, мы получаем очень медленный отклик, поскольку конденсаторам требуется много времени для зарядки до необходимого уровня постоянного тока.

Возможно, вы задаетесь вопросом; как мы получаем недемпфированный переходный процесс с перерегулированием в пи-фильтре? На самом деле, у нас есть 2 LC фильтра с несколькими полюсами в объединенной передаточной функции из-за наличия нескольких реактивных элементов (2 индуктора и 2 конденсатора). Если вы внимательно посмотрите на приведенные выше результаты, мы можем видеть два переходных процесса, наложенных друг на друга. Это переключаемый LC отклик от L1 и C1 (стандартный отклик преобразователя повышающе-понижающего типа) и типичный RLC отклик от L2, C2 и резистора нагрузки.

Регулировка L2 и выходных конденсаторов вместе - еще один способ добиться низкого уровня пульсаций на выходе. На изображении ниже я создал частотный разверт в моей Панели Симуляций, чтобы пройти через ряд значений индуктивности. Здесь я хочу ограничить себя практическими индуктивностями, которые я мог бы найти в меньших компонентах, управляя нагрузкой 10 Ом. Чтобы убедиться, что я максимально приближаюсь к критическому демпфированию, я собираюсь пройти через разные значения C1 = C2 и L2. Я начинаю с меньшей емкости (1 мкФ) и прохожу через значения L2 до 0.2 мГн. Для нагрузки 1 МОм, просто следуйте той же процедуре, используя условия для критического демпфирования в RLC-цепи.

Как оказалось, лучшее значение индуктивности для L2 составляет около 150-200 мкГн. Есть множество проволочных индукторов с номинальным током постоянного тока, превышающим ~1.5 А. Один из примеров - IHV30EB150 от Vishay.

Сводка стратегий фильтрации

Что мы здесь узнали? Есть несколько выводов, которые мы сделали, и несколько моментов, которые мы можем вывести из этих симуляций:

• Дизайн вашего фильтра в значительной степени зависит от значений выходных конденсаторов преобразователя. Если выходные конденсаторы слишком малы, то вам нужно будет разместить дополнительный конденсатор параллельно, чтобы получить достаточно малую частоту среза для обеспечения фильтрации шума.
• Мы рассмотрели только выходной фильтр, но установка фильтрации на входе часто бывает гораздо более эффективной для снижения общего уровня шума. По сути, это то, что вы делаете с выходным конденсатором на полноволновом выпрямителе: вы пытаетесь подать стабильное постоянное напряжение на секцию преобразования мощности блока питания.
• В переходной характеристике от фильтра типа "пи" может быть довольно большой выброс. Его можно подавить обычным способом, разместив резистор последовательно с конденсаторами C1 и C2 или подобрав значение L2.
• Добавляя демпфирование, обязательно сравните необходимое сопротивление с значением ESR используемых вами конденсаторов. Также обратите внимание, что вы замедляете реакцию схемы и жертвуете некоторой мощностью.
• Поскольку пик тока на нагрузке во время переходного процесса зависит от параметров ШИМ, мы также можем подойти к определению допустимого диапазона частот/времени нарастания ШИМ, которые обеспечивают достаточно низкий уровень шума.

Дальнейшие улучшения

Один из последних вариантов улучшения характеристик фильтра после его переработки - использование RC-снаббера до и после фильтра. Фактически, конденсатор, используемый на выходе, будет иметь некоторое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), так что он будет действовать как миниатюрная RC-снабберная цепь. Одним из вариантов может быть использование конденсаторов с контролируемым ESR в этих точках для обеспечения необходимого демпфирования.

Более распространенным местом для установки снаббера является преобразователь с высоковольтным и низковольтным коммутирующими элементами. Его устанавливают параллельно низковольтному MOSFET для снижения переходных процессов MOSFET и получения более плавного выходного сигнала. Пример для понижающего преобразователя показан на диаграмме ниже, но та же идея применима к любой другой топологии, где необходимо уменьшить колебания из-за коммутации MOSFET. Еще один яркий пример - это большие коммутируемые преобразователи, использующие несколько MOSFET в параллель, которые могут столкнуться с теми же проблемами коммутации и перенапряжения.

Завершение вашей схемы импульсного источника питания

В приведенном выше примере мы показали только часть преобразователя SMPS, и для работы SMPS необходимы другие важные блоки схемы. Другие разделы, необходимые в SMPS, зависят от конечного применения и уровня контроля или точности, необходимых в системе. В приведенном выше примере мы не включили некоторые другие необходимые функции:

• Генерация ШИМ: Для установки выходного напряжения на определенный уровень для заданной частоты ШИМ, генератор ШИМ может быть использован для обеспечения выходного напряжения на желаемом уровне. Это может быть так же просто, как схема VCO, или могут быть использованы специализированные ИС генераторов ШИМ.
• Контур управления: Некоторые топологии источников питания, такие как резонансные преобразователи LLC, потребуют контур управления высоким током, где выход преобразователя измеряется, и скважность или частота ШИМ регулируются для поддержания напряжения на желаемом уровне. Простейший способ сделать эту регулировку - использовать операционный усилитель с опорным напряжением, или это может быть выполнено цифровым способом с помощью МК. Также можно использовать специализированные микросхемы контроллера.
• Интерфейс пользователя: Системе может потребоваться способ получения ввода от пользователя и применения ШИМ (широтно-импульсной модуляции) с необходимым коэффициентом заполнения/частотой для достижения желаемого выходного напряжения. Простейший способ сделать это - использовать интегрированный контроллер, или, если вы хотите разработать собственную стратегию управления, вы можете реализовать приложение на микроконтроллере (MCU).

Существуют компоненты контроллера источника питания, которые будут находиться в контуре управления, измерять выходное напряжение и корректировать сигнал ШИМ на основе настроек, применяемых через цифровой интерфейс (обычно I2C) и реализуемых с помощью MCU.

После того, как вы закончите схему вашего импульсного источника питания (SMPS) и фильтр выходного напряжения вашего коммутируемого источника питания, вы можете заменить любые универсальные компоненты на реальные компоненты с помощью Панели поиска производителя компонентов в Altium Designer®. Затем вы можете поделиться своими проектами с коллегами и производителем, используя платформу Altium 365™.

Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Вы можете посмотреть страницу продукта для более подробного описания функций или один из Вебинаров по запросу.