Bộ lọc đầu ra nguồn cấp điện chuyển mạch: Thiết kế và Mô phỏng

Nguồn cấp điện chuyển đổi có nhiều hình thức, chẳng hạn như trong một nguồn cấp điện phòng thí nghiệm công suất cao trên bàn làm việc, hoặc được tích hợp trên một PCB với các IC chuyên dụng và linh kiện thụ động. Mục tiêu trong thiết kế các hệ thống này là đảm bảo cung cấp điện DC ổn định cho phần còn lại của hệ thống với tiếng ồn tối thiểu. Cũng lý tưởng khi làm giảm hiệu ứng của bất kỳ sóng dư nào từ việc chỉnh lưu hoặc loại bỏ bất kỳ tiếng ồn nào trên đầu vào. Giữ cho đầu ra không có tiếng ồn và ổn định có thể yêu cầu sử dụng một bộ lọc đầu ra, có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các linh kiện thụ động trong bố cục PCB của bạn.

Trong bài viết này, tôi sẽ chỉ cách một bộ lọc đầu ra nguồn cấp điện chuyển đổi có thể được sử dụng để làm giảm tiếng ồn đầu ra và làm thế nào bạn có thể sử dụng một số công cụ mô phỏng để tối ưu hóa thiết kế bộ lọc của mình cho tiếng ồn thấp. Như tôi đã thảo luận trong một bài viết trước đây trên blog này, và như chúng ta sẽ thấy từ một số kết quả mô phỏng, việc giảm tiếng ồn phụ thuộc vào giá trị của các linh kiện trong bộ lọc đầu ra và cuộn cảm trong mạch. Là một ví dụ, hãy xem xét một cấu trúc chuyển đổi buck-boost để xem cách thực hiện một bộ lọc đầu ra cho một nguồn cấp điện chuyển đổi.

Bắt đầu Thiết kế Bộ Lọc Đầu Ra cho Nguồn Cấp Điện Chuyển Đổi

Bộ lọc đầu ra trên bộ chuyển đổi DC/DC (dù là buck/boost hay các cấu trúc khác) là một bộ lọc thông thấp. Điều này có thể đơn giản chỉ là một tụ điện shunt, mặc dù phương pháp điển hình là đặt một bộ lọc pi để shunt nhiễu AC xuống mặt đất. Lý do cho điều này là chức năng của bộ chuyển đổi chuyển mạch là để đổi nhiễu dao động tần số thấp từ chuyển đổi điện AC-DC thành nhiễu chuyển mạch tần số cao từ một transistor chuyển mạch. Sau đó, bộ lọc đầu ra loại bỏ nhiễu chuyển mạch tần số cao trên đầu ra từ bộ lọc, cung cấp điện DC sạch cho tải.

Hình dưới đây cho thấy một sơ đồ mạch chuyển đổi buck-boost với một transistor PMOS công suất (bạn có thể sử dụng NMOS và thay đổi cực V1 và V2). Tôi đã làm nổi bật hai phần: phần chuyển đổi chuyển mạch (màu xanh) và phần bộ lọc đầu ra (màu đỏ). Trong mạch này, tụ điện đầu ra là một phần của bộ lọc đầu ra nguồn cung cấp điện chuyển mạch. Bộ lọc có cấu trúc bộ lọc pi tiêu chuẩn để cung cấp bộ lọc thông thấp.

Cuối cùng, chúng ta có các thông số sau đối với PWM: tần số chuyển mạch 100 kHz, thời gian tăng 10 ns, chu kỳ làm việc 30%. Thay vì tập trung vào phạm vi cho phép của PWM hoặc giá trị linh kiện bị động tạo ra công suất cụ thể, chúng ta muốn tập trung vào phạm vi giá trị của linh kiện lọc mang lại tiếng ồn thấp nhất. Đầu tiên, chúng ta sẽ xem phản ứng chuyển mạch thực tế với tính năng bảng điều khiển mô phỏng mới của Altium Designer, sau đó chúng ta sẽ xem xét phạm vi giá trị của linh kiện lọc mang lại tiếng ồn thấp nhất.

Công Suất Ban Đầu

Hình dưới đây cho thấy một mô phỏng chuyển mạch hiển thị điện áp qua các tụ điện (đồ thị trên) và dòng điện cung cấp cho tải (đồ thị dưới). Từ kết quả này, chúng ta có thể so sánh đầu ra không lọc (đường cong màu đỏ, đồ thị trên) với đầu ra đã lọc (đường cong màu xanh, đồ thị trên). Bộ lọc làm khá tốt việc làm sạch tiếng ồn chuyển mạch từ bộ chuyển đổi. Tuy nhiên, có một phản ứng chuyển mạch tần số thấp rõ ràng khi bộ chuyển đổi chuyển từ TẮT sang BẬT.

Phản ứng tạm thời này rất quan trọng. Thực tế, sự vượt quá tạm thời phụ thuộc vào thời gian tăng của tín hiệu PWM và các yếu tố nhiễu trong MOSFET, cũng như các cực có mặt trong mạch lọc. Trong một số trường hợp, sự vượt quá có thể đạt tới 50% dòng tải khi bộ chuyển đổi chuyển đổi giữa hai trạng thái điện áp, tức là, khi chuyển đổi giữa hai tần số PWM hoặc chu kỳ làm việc. Điều này có thể tạo ra một đỉnh dòng lớn có thể làm hỏng tải của bạn.

Những yếu tố nào góp phần vào Phản ứng Tạm thời này?

Ở đây, chúng ta có nhiều yếu tố góp phần vào đặc tính tạm thời được quan sát ở trên:

1. Dao động tần số cao như thấy trong đường cong màu đỏ ở trên
2. Phản ứng tạm thời tần số trung bình từ các cực của bộ lọc LC
3. Phản ứng tạm thời tần số thấp tạo ra sự vượt quá lớn do các tạm thời trong MOSFET.

Như chúng ta sẽ thấy, bộ lọc đầu ra thực sự tốt cho việc xử lý #1 và #2. Chúng không phải là lựa chọn tốt nhất để xử lý #3, nhưng chúng sẽ ảnh hưởng đến phản ứng tạm thời do các yếu tố nhiễu của MOSFET.

Trở Kháng Tải

Giá trị của thành phần tải cũng ảnh hưởng đến sự biến động trên đầu ra trong mạch này. Trong hình dưới đây, tôi đã chỉ ra điều gì xảy ra khi điện trở tải được tăng lên 1 MOhm, đây là một giá trị hữu ích để mô phỏng trở kháng đầu vào cho một mạch tích hợp CMOS. Từ đây, chúng ta có thể thấy sự biến động thực sự trên đầu ra, được phản ánh trong dòng tải.

Vì lý do này, chúng ta muốn làm giảm phản ứng từ mạch chuyển đổi, hoặc thiết kế lại phần lọc sao cho chúng ta không gặp vấn đề với sự vọt quá mức trên đầu ra. Một lựa chọn là thêm một số điện trở trực tiếp để giảm độ rung.

Thêm Điện Trở để Giảm Rung

Một cách để giải quyết vấn đề với phản ứng quá trình chuyển đổi không đủ giảm xóc là thêm một số giảm xóc vào tụ điện C1 và C2. Để làm điều này, tôi đã thêm điện trở 1 Ohm vào tụ điện C1 và C2 để cung cấp một số giảm xóc, và tôi đang điều khiển tải 10 Ohm. Điều này sẽ đưa phản ứng quá trình chuyển đổi rất gần với chế độ giảm xóc tới hạn, tạo ra sự chuyển tiếp mượt mà giữa trạng thái TẮT và BẬT khi mô phỏng bắt đầu. Sự chuyển tiếp mượt mà tương tự sẽ xảy ra giữa hai trạng thái đầu ra công suất nếu các tham số PWM được thay đổi. Tuy nhiên, nếu các điện trở lớn hơn, chúng ta sẽ có một phản ứng quá trình chuyển đổi chậm hơn.

Một vấn đề nhỏ ở đây là chúng ta đã mất một lượng nhỏ công suất: dòng điện đến tải ít hơn và điện áp đầu ra cũng thấp hơn một chút. Một phần công suất bị giảm trên các điện trở trong phần RC, dẫn đến một số tổn thất bổ sung. Cũng có một ít nhiễu còn sót lại trên dòng điện đầu ra, mặc dù điều này rất nhỏ.

Nếu chúng ta sử dụng tải 1 MOhm, chúng ta nhận được phản ứng tương tự, nhưng chúng ta thấy một số sóng gợn ban đầu trong sự sụt giảm điện áp qua mạch C1 + (điện trở nối tiếp). Đây là một phản ứng tốt vì sóng gợn không được phản ánh lại đầu ra, nhưng vẫn có sự tăng dòng điện đầu ra chậm. Điều này ổn nếu bạn không cần điều chỉnh nhanh với vòng phản hồi và bạn muốn đảm bảo chuyển đổi mượt mà giữa các trạng thái.

Trước khi đi xa hơn, tôi nghĩ rằng quan trọng là phải lưu ý rằng, mặc dù phản ứng chậm hơn nhiều, chúng tôi đã chấp nhận được ~95% dòng điện cuối cùng mong đợi trong khoảng ~3 ms, đây vẫn là thời gian bật nhanh hợp lý. Chỉ để so sánh, một số nguồn cung cấp điện thương mại có thời gian bật tổng cộng lên đến 10 lần. Thời gian bật này có thể bị chi phối bởi các thành phần khác như trình điều khiển PWM, đặc biệt nếu có một vòng phản hồi để cung cấp kiểm soát chính xác. Do đó, chúng tôi vẫn hoạt động đủ nhanh, mặc dù thời gian bật trông rất chậm.

Một lựa chọn ở đây là tái thiết kế mạch lọc đầu ra của nguồn cung cấp điện chuyển đổi của chúng tôi mà không cần thêm điện trở để tạo ra kết quả tương tự.

Thay đổi C1, C2 và/hoặc L2

Lựa chọn khác ở đây là loại bỏ các điện trở và thay đổi C1/C2 và L2. Vấn đề khi chỉnh sửa C1 và C2 là rằng dao động cuối cùng ở phía đầu ra sẽ bị ảnh hưởng bởi giá trị của các tụ điện này khi bạn đang thay đổi điều kiện cho sự giảm xóc tới hạn. Điều kiện nơi mà sự giảm xóc tới hạn xuất hiện là một biểu thức bậc hai khá phức tạp, nhưng trực giác ở đây nên rõ ràng:

• Nếu giá trị của các tụ điện quá thấp, chúng ta sẽ có một phản ứng quá giảm xóc với dao động tần số cao.Nếu giá trị tụ điện quá cao, chúng ta sẽ có phản hồi rất chậm vì tụ điện mất nhiều thời gian để sạc đến mức DC yêu cầu.

Bạn có thể tự hỏi; làm thế nào chúng ta có phản hồi quá độ không ổn định với sự vượt quá trong một bộ lọc pi? Trên thực tế, chúng ta có 2 bộ lọc LC với nhiều cực trong hàm truyền kết hợp do sự hiện diện của nhiều yếu tố phản ứng (2 cuộn cảm và 2 tụ điện). Nếu bạn quan sát kỹ kết quả trên, chúng ta có thể thấy hai phản hồi quá độ chồng lên nhau. Đó là phản hồi LC chuyển mạch từ L1 và C1 (phản hồi tiêu chuẩn của bộ chuyển đổi buck-boost), và phản hồi RLC điển hình từ L2, C2 và điện trở tải.

Điều chỉnh L2 và các tụ điện đầu ra cùng nhau là một cách khác để đạt được độ nhấp nhô thấp trên đầu ra. Trong hình dưới đây, tôi đã tạo một quét tần số trong Bảng điều khiển Mô phỏng của mình để di chuyển qua một loạt các giá trị cuộn cảm. Tại đây, tôi muốn giới hạn bản thân trong phạm vi các độ tự cảm thực tế mà tôi có thể tìm thấy trong các thành phần nhỏ hơn khi điều khiển tải 10 Ohm. Để đảm bảo tôi đạt được độ giảm xóc gần như tới hạn nhất có thể, tôi sẽ quét qua các giá trị khác nhau của C1 = C2 và L2. Tôi bắt đầu với một tụ điện nhỏ hơn (1 uF) và quét qua các giá trị của L2 lên đến 0.2 mH. Đối với tải 1 MOhm, chỉ cần làm theo cùng một quy trình sử dụng các điều kiện cho sự giảm xóc tới hạn trong mạch RLC.

Hóa ra, giá trị cuộn cảm tốt nhất cho L2 là khoảng 150-200 uH. Có rất nhiều cuộn cảm dây quấn với xếp hạng dòng DC vượt quá ~1.5 A. Một ví dụ là IHV30EB150 từ Vishay.

Tóm tắt các Chiến lược Lọc

Chúng ta đã học được gì ở đây? Có một số hiểu biết mà chúng ta đã đạt được và một số điểm chúng ta có thể suy luận từ các mô phỏng này:

• Thiết kế bộ lọc của bạn phụ thuộc nhiều vào giá trị tụ điện đầu ra của bộ chuyển đổi. Nếu các tụ điện đầu ra quá nhỏ, bạn cần phải đặt thêm một tụ điện song song để có được tần số cắt đủ nhỏ để cung cấp khả năng lọc nhiễu.
• Chúng ta chỉ mới xem xét bộ lọc đầu ra, nhưng việc đặt bộ lọc ở đầu vào thường hiệu quả hơn nhiều trong việc giảm tổng nhiễu. Đây cơ bản là những gì bạn đang làm với tụ điện đầu ra trên một bộ chỉnh lưu toàn sóng: bạn đang cố gắng cung cấp điện DC ổn định vào phần chuyển đổi điện của nguồn cung cấp.
• Có một sự vọt quá mức trong phản ứng chuyển tiếp từ bộ lọc pi có thể khá lớn. Điều này có thể được giảm bớt theo cách thông thường bằng cách đặt một điện trở nối tiếp với các tụ điện C1 và C2 hoặc bằng cách điều chỉnh giá trị của L2.
• Khi thêm giảm xóc, hãy chắc chắn so sánh điện trở bạn cần với giá trị ESR của các tụ điện bạn sử dụng. Cũng lưu ý rằng bạn làm chậm phản ứng của mạch và hy sinh một số công suất.
• Vì dòng điện đột biến tại tải trong phản ứng chuyển tiếp phụ thuộc vào các tham số PWM, chúng ta cũng có thể tiếp cận bằng cách xác định một phạm vi cho phép của tần số/tốc độ tăng PWM để có đủ nhiễu thấp.

Cải Tiến Thêm

Một lựa chọn cuối cùng để tiếp tục cải thiện đáp ứng của bộ lọc sau khi thiết kế lại là sử dụng một mạch giảm xóc RC trước và sau bộ lọc. Thực tế, tụ điện được sử dụng ở đầu ra sẽ có một số ESR, vì vậy nó sẽ hoạt động như một mạch giảm xóc RC mini. Một lựa chọn sẽ là sử dụng tụ điện có ESR được kiểm soát tại những điểm đó để cung cấp đúng lượng giảm xóc cần thiết.

Vị trí phổ biến hơn để đặt một mạch giảm xóc là trong một bộ chuyển đổi với các yếu tố chuyển mạch cực cao và cực thấp. Điều này sẽ được đặt qua MOSFET cực thấp để giảm phản ứng chuyển mạch của MOSFET và tạo ra một đầu ra mượt mà hơn. Một ví dụ cho một bộ giảm áp được hiển thị trong sơ đồ dưới đây, nhưng cùng một ý tưởng áp dụng cho bất kỳ cấu trúc nào khác nơi cần giảm tiếng ồn do chuyển mạch MOSFET gây ra. Một ví dụ khác là trong các bộ chuyển đổi chuyển mạch lớn hơn sử dụng nhiều MOSFET song song, có thể gặp phải cùng một vấn đề với chuyển mạch và quá điện áp.

Hoàn thiện Sơ đồ SMPS của Bạn

Trong ví dụ trên, chúng tôi chỉ trình bày phần bộ chuyển đổi của một SMPS, và còn có các khối mạch quan trọng khác cần thiết để một SMPS hoạt động. Các phần khác cần thiết trong một SMPS phụ thuộc vào ứng dụng cuối cùng và mức độ kiểm soát hoặc độ chính xác cần thiết trong hệ thống. Trong ví dụ trên, chúng tôi chưa bao gồm một số tính năng cần thiết khác:

• Phát sinh PWM: Để đặt điện áp đầu ra ở một mức cụ thể cho một tần số PWM cho trước, một bộ phát sinh PWM có thể được sử dụng để đảm bảo điện áp đầu ra ở mức mong muốn. Điều này có thể đơn giản như một mạch VCO, hoặc có thể sử dụng các IC bộ phát sinh PWM chuyên dụng.
• Vòng điều khiển: Một số cấu trúc nguồn điện, như các bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC, sẽ cần một vòng điều khiển dòng điện cao, nơi đầu ra bộ chuyển đổi được đo và chu kỳ làm việc hoặc tần số PWM được điều chỉnh để duy trì điện áp ở mức mong muốn. Một op-amp với một điện áp tham chiếu là cách đơn giản nhất để thực hiện điều chỉnh này, hoặc điều này có thể được thực hiện một cách số hóa với một MCU. Cũng có các chip điều khiển chuyên dụng bạn có thể sử dụng.
• Giao diện người dùng: Hệ thống có thể cần một cách nào đó để nhận đầu vào từ người dùng và áp dụng chu kỳ làm việc/tần số PWM cần thiết để đạt được điện áp đầu ra mong muốn. Cách dễ nhất để làm điều này là sử dụng một bộ điều khiển tích hợp, hoặc nếu bạn muốn thiết kế chiến lược điều khiển của riêng mình, bạn có thể triển khai một ứng dụng trên MCU.

Có một số thành phần điều khiển nguồn điện sẽ nằm trong vòng điều khiển, đo điện áp đầu ra và điều chỉnh tín hiệu PWM dựa trên các cài đặt được áp dụng qua giao diện số (thường là I2C) và được triển khai với MCU.

Sau khi bạn hoàn thành sơ đồ SMPS và bộ lọc đầu ra nguồn điện chuyển mạch của mình, bạn có thể thay thế bất kỳ thành phần tổng quát nào bằng các thành phần thực sự sử dụng Bảng Tìm Kiếm Phần Sản Xuất trong Altium Designer®. Sau đó, bạn có thể chia sẻ thiết kế của mình với các cộng sự và nhà sản xuất của mình sử dụng nền tảng Altium 365™.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể làm được với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Webinar Theo Yêu Cầu.