¿Es posible alguna vez eliminar totalmente (a un costo razonable) el ruido de conmutación en los rieles de alimentación desde una PSU de conmutación o un convertidor de CC a CC? Al menos, hasta el nivel sub-mV.
Lo estoy midiendo usando un osciloscopio con una sonda de alta impedancia.
Debe considerar la frecuencia del ruido del que desea deshacerse. Esto es muy importante.
¿Realmente necesitas deshacerte de él? Lo más probable es que sus opamps tengan un PSRR de 100dB en ese rango de frecuencia para que no les importe. Además, la mayoría de los reguladores lineales tienen muy buena PSRR a bajas frecuencias, por lo que limpiarán su suministro perfectamente. Incluso puede usar un conmutador para deshacerse de la ondulación de la LF, pero, a cambio, recibe más ruido de HF.
A medida que aumenta la frecuencia, la mayoría de los reguladores y LDO comienzan a absorber el repartamento de PSRR, y los controles de potencia también, por lo que esta es la parte en la que necesita ver las hojas de datos con mayor detalle. Algunos reguladores tienen un rechazo bastante bueno en este rango, otros son abismales, especialmente los de micropotencia, que están optimizados para una corriente de baja inactividad, y por lo tanto tienen bucles de control más lentos.
Esto irá directamente a través de la mayoría de los reguladores y sistemas operativos.
La mejor manera de manejar los dos últimos es el buen filtro RLC antiguo.
Por lo general, en esta aplicación, las perlas de ferrita son mejores que los inductores. Utilizan un material de núcleo con pérdidas que les permite convertirse en resistencias en HF. También suelen tener menos capacitancia de entrelazado que un inductor (es decir, pasa menos HF directamente). Murata te permite descargar modelos de especias, para que puedas jugar con ellos en simulación.
Entonces, selecciona un cordón de ferrita basado en la corriente DC (no lo sature o pierde su inductancia), su valor de inductancia (para el filtrado de baja frecuencia) y su impedancia de alta frecuencia (para el filtrado de alta frecuencia). O, por supuesto, una mayor inductancia / impedancia en el mismo paquete reduce la corriente de saturación, por lo que el tamaño y el precio son importantes.
Luego pones un condensador después. Su valor depende de la frecuencia del ruido que desea atenuar, por supuesto. Esto es, después de todo, un filtro de paso bajo LC estándar, por lo que su frecuencia de corte debe colocarse correctamente ...
El ruido alrededor de 20-100 kHz es un poco problemático, porque la frecuencia es lo suficientemente alta como para hacer que el PSRR de su regulador aspire, pero lo suficientemente bajo como para requerir valores L y C molestos. La buena elección de las partes es importante allí.
Por otro lado, y esto es un poco paradójico, cambiar el ruido a 1MHz es mucho más fácil de eliminar, ya que su filtro LC tiene más frecuencia para trabajar. La perla de ferrita tendrá una impedancia mucho mayor, y una pequeña tapa de cerámica hace maravillas.
Para el ruido de HF como la conmutación de picos, todo se trata de diseño y ESL.
Respuesta rápida: no, solo puedes eliminar una cantidad finita de ruido / ondulación.
Respuesta real: más o menos, puede eliminar una gran cantidad de ruido con componentes baratos (ish).
Respuesta larga: si diseña la fuente de alimentación y conoce todas las situaciones en las que se está ejecutando, puede (o debería) ser capaz de eliminar las ondulaciones hacia casi nada. Notará que, al leer las hojas de datos, los IC a menudo indicarán que los niveles de VCC están dentro de algunos límites, lo que efectivamente le muestra la onda con la que puede trabajar. Como regla general, a menudo es más o menos un par del porcentaje del valor. Algunos dispositivos son muy exigentes, como algunos circuitos integrados de RAM con los que he trabajado en el pasado, que tenían que estar dentro de 5 mV (DDR3 de baja potencia, creo que lo era). Mientras que otros dispositivos pueden tener una amplia gama (unos 555 temporizadores que he usado dicen 3-15V). Obviamente, cuanto más rápido y sensible sea un dispositivo, menor será la ondulación que pueda obtener.
No se olvide: la ondulación de la fuente de alimentación es solo una fuente de ruido / ondulación en la línea de alimentación. Otros impactos son el cambio de la corriente de los componentes, las fuentes de ruido externas, etc.
Volver a la pregunta; elimina la ondulación tanto como necesita, en lugar de la mayor cantidad posible, para ahorrar costos. Aplique suficiente capacitancia y la línea se volverá muy suave, incluso con grandes tragos de corriente (lo que puede causar grandes caídas de voltaje). Sin embargo, a medida que la línea / plano de alimentación pasa por el resto de la PCB, captará el ruido del entorno y los componentes, lo cual es una razón para distribuir los condensadores en todo el diseño de la PCB.
A menudo tiene algunos circuitos integrados delicados (sensibles) que necesitan rieles de voltaje muy precisos y estables, pero no es necesario mantener toda la línea dentro de la tolerancia. Por lo tanto, a menudo verá un riel eléctrico aislado con un cordón de ferrita o un filtro T o PI completo para proporcionar un suministro muy estable para algunas partes muy sensibles (como un módulo ADC).
EDITAR: una cosa más que agregar, si solo está preocupado por la ondulación de conmutación, puede medirlo fácilmente mediante el uso de una herramienta de simulación como LTSpice. Por supuesto, debe asegurarse de que sus modelos y simulación coincidan con la realidad. Pero normalmente vale la pena comprobarlo.
Sí, puede reducir significativamente el ruido en sus fuentes de alimentación siguiendo el convertidor SMPS / DC-DC con un LDO. Incluso hay soluciones integradas como LTM8068 o la TI TPS54120 . La hoja de datos Linear muestra la salida típica de DC-DC con una ondulación de 200 mV, y unos 600 uV después del LDO, y la parte de TI tiene un sorprendente ruido de 38 uV.
Puede crear su propio convertidor de CC a CC discreto: diseño LDO para hacer frente a cualquier voltaje de CC requerido. Esto reducirá su eficiencia general, por supuesto.
el voltaje de ondulación tiene que ver con el filtrado con control de impedancia.
Tienes un interruptor actual con Rce o RdsOn y un límite de carga con ESR.
El voltaje de ondulación siempre es ΔV = ΔI * ESR como mínimo.
Puede considerar Ic = Cdv / dt para voltajes pulsados, pero la mayoría de los reguladores SMPS usan CCM en el modo de alta corriente, donde tiene la mayoría de los problemas y DCM en el modo de baja corriente se puede resolver con C sucesivamente más pequeña con menor ESR en paralelo Zc (f).
Por lo tanto, puede elegir las tapas de ESR más bajas que pueda pagar o usar filtros LC con película de plástico y bobinas de ESR bajas fuera del bucle para evitar una reducción reducida de la ganancia de la ondulación en el bucle de control, lo que afecta el exceso de carga de una carga escalonada.
Desde la intuición, debe darse cuenta de que no necesita un almacenamiento masivo de energía para filtrar una ondulación de corriente, los conmutadores de frecuencia más alta con bobinas de ESR muy pequeñas y muy pequeñas con tapas de película de tantalio o plástico de ESR ultra pequeñas que funcionan > 1MHz. Pero esto requiere más habilidad en el diseño del conmutador con controles EMI y mejores interruptores semiconductores que coincidan con la frecuencia de transición, la corriente y la topología de potencia del diseño, ya sea SiC o Si o algunas otras estructuras como las IGBT.
Las mediciones de ondulación siempre deben realizarse con sondas de resorte de 200 MHz < = 0,5 cm en una sonda 10: 1 calibrada o mejor con sondas DIF con buffer FET.
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