Thiết kế bộ lọc đầu ra giai đoạn thứ hai để chuyển nguồn điện

công thức tính số vòng dây quấn biến áp | the calculation formula to wrap transformers (Tháng BảY 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Giảm các phỏng đoán cho các tùy chọn bộ lọc đầu ra giai đoạn thứ hai trong việc chuyển đổi nguồn điện với quy trình thiết kế từng bước này.

Bởi KEVIN TOMPSETT
Kỹ sư ứng dụng cao cấp
Thiết bị tương tự
www.analog.com

Những ngày này việc cung cấp nguồn điện gần như có mặt khắp mọi nơi và được sử dụng trên mọi thiết bị điện tử. Chúng được đánh giá cao về kích thước nhỏ, chi phí thấp và hiệu quả. Tuy nhiên, họ có nhược điểm lớn ở chỗ đầu ra của họ có thể ồn ào do chuyển mạch cao. Điều này đã giữ chúng ra khỏi các mạch tương tự hiệu suất cao, nơi các bộ điều chỉnh tuyến tính đã cai trị được. Nó đã được chứng minh rằng trong nhiều ứng dụng một bộ chuyển đổi chuyển đổi thích hợp lọc có thể thay thế một bộ điều chỉnh tuyến tính để sản xuất một nguồn cung cấp tiếng ồn thấp. Ngay cả trong những ứng dụng đòi hỏi đòi hỏi nguồn cung cấp tiếng ồn cực kỳ thấp, có lẽ có một mạch chuyển mạch ở đâu đó ngược dòng trong cây điện. Do đó, cần phải có khả năng thiết kế các bộ lọc đa cấp được tối ưu hóa, làm ẩm để làm sạch đầu ra từ các bộ chuyển đổi nguồn. Ngoài ra, điều quan trọng là phải nhận ra cách thiết kế bộ lọc sẽ ảnh hưởng đến sự bù đắp của bộ chuyển đổi nguồn điện.

Trong bài viết này, các mạch tăng cường sẽ được sử dụng cho các mạch ví dụ, nhưng kết quả sẽ được áp dụng trực tiếp cho bất kỳ bộ chuyển đổi dc / dc nào. Thể hiện trong hình. 1 là dạng sóng cơ bản trong bộ chuyển đổi tăng cường ở chế độ dòng không đổi (CCM).

Hình 1: Điện áp cơ bản và dạng sóng hiện tại cho bộ chuyển đổi tăng cường

Vấn đề làm cho bộ lọc đầu ra trở nên quan trọng đối với việc tăng hoặc bất kỳ cấu trúc liên kết nào khác với chế độ dòng không liên tục (DCM), là sự tăng nhanh và giảm trong thời gian hiện tại trong chuyển đổi B. Điều này có xu hướng kích thích điện cảm ký sinh trong công tắc, cách bố trí và tụ đầu ra. Kết quả là trong thế giới thực, các dạng sóng đầu ra trông giống như Hình 2 hơn là Hình 1 ngay cả với bố cục tốt và các tụ đầu ra bằng gốm.

Hình 2: Các dạng sóng đo được điển hình của bộ chuyển đổi tăng cường trong DCM

Ripple chuyển đổi (ở tần số chuyển đổi) gây ra bởi sự thay đổi phụ trách của tụ điện là rất nhỏ so với vòng không bị giảm của công tắc đầu ra mà chúng ta sẽ gọi là nhiễu đầu ra. Nói chung, tiếng ồn đầu ra này nằm trong dải 10-100 + MHz, vượt ra ngoài tần số tự cộng hưởng của hầu hết các tụ điện đầu ra bằng gốm. Do đó việc bổ sung các tụ điện bổ sung sẽ làm giảm thiểu tiếng ồn.

Có một vài lựa chọn hợp lý cho các loại bộ lọc khác nhau để lọc đầu ra này. Bài viết này sẽ minh họa từng loại bộ lọc và đưa ra một quy trình từng bước cho một thiết kế. Các phương trình không nghiêm ngặt và một số giả định hợp lý được thực hiện để đơn giản hóa chúng một chút. Vẫn còn một số yêu cầu lặp vì mỗi thành phần sẽ ảnh hưởng đến giá trị của các thành phần khác. Các công cụ thiết kế ADIsimPower giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng các phương trình tuyến tính cho các giá trị thành phần, như chi phí hoặc kích thước, để tối ưu hóa trước khi các thành phần thực tế được chọn, và sau đó tối ưu hóa kết quả đầu ra khi các thành phần thực được chọn từ cơ sở dữ liệu của hàng nghìn phần. Tuy nhiên, đối với một pass đầu tiên tại một thiết kế, mức độ phức tạp này là không cần thiết. Với các tính toán được cung cấp và có thể sử dụng một bộ mô phỏng SIMPLIS như ADIsimPE miễn phí, hoặc một số thời gian trong phòng thí nghiệm, một thiết kế thỏa đáng có thể được tìm thấy với một lượng công sức tối thiểu.

Một điều cần xem xét trước khi thiết kế bộ lọc là xem xét những gì có thể đạt được với một bộ lọc giai đoạn RC hoặc bộ lọc LC. Thông thường với một bộ lọc giai đoạn thứ hai nó là hợp lý để có được gợn xuống một vài trăm µV pp và tiếng ồn chuyển đổi xuống dưới 1 mV pp Một bộ chuyển đổi buck có thể được thực hiện phần nào yên tĩnh hơn kể từ khi điện dẫn cung cấp lọc đáng kể. Những hạn chế này là bởi vì một khi gợn là xuống trong uV các thành phần parasitics, và tiếng ồn khớp nối giữa các giai đoạn lọc bắt đầu trở thành các yếu tố hạn chế. Nếu cần có nguồn cung cấp êm hơn, thì có thể thêm bộ lọc giai đoạn thứ ba. Tuy nhiên chuyển đổi nguồn cung cấp điện nói chung không có tài liệu tham khảo yên tĩnh nhất và cũng bị tiếng ồn jitter. Cả hai kết quả trong tiếng ồn tần số thấp (1 Hz-100 kHz) mà không thể dễ dàng lọc ra. Do đó đối với nguồn cung cấp tiếng ồn cực thấp, có thể tốt hơn nếu sử dụng một bộ lọc giai đoạn thứ hai và sau đó thêm một LDO vào đầu ra.

Trước khi đi sâu vào quy trình thiết kế chi tiết hơn cho từng loại bộ lọc, một số giá trị sẽ được sử dụng trong quy trình thiết kế cho từng loại bộ lọc được xác định bên dưới.

ΔI pp là đỉnh gần đúng với dòng đỉnh tới bộ lọc đầu ra. Đối với các tính toán, chúng tôi giả định rằng hình sin này. Giá trị sẽ phụ thuộc vào cấu trúc liên kết. Đối với một buck nó là đỉnh đến đỉnh hiện tại trong inductor. Đối với một bộ chuyển đổi tăng, nó là dòng điện cực đại trong công tắc B (thường là một diode).

là gợn sóng điện áp xấp xỉ ở tần số chuyển đổi của bộ chuyển đổi

R ESR : là ESR của tụ điện đầu ra đã chọn.

F SW : tần số chuyển đổi của bộ chuyển đổi

C rip : Tụ điện đầu ra được tính toán giả định tất cả

Thay đổi V khi tôi bước được áp dụng cho đầu ra

Tôi bước : Một sự thay đổi tức thời của tải đầu ra.

T bước : Thời gian đáp ứng gần đúng của bộ chuyển đổi với sự thay đổi tức thời trong tải đầu ra

F u : Tần số chéo của bộ chuyển đổi. Đối với một buck nó thường là F SW / 10. Đối với một bộ chuyển đổi loại tăng cường hoặc buckboost, nó thường chiếm khoảng một phần ba vị trí của mặt phẳng nửa không phải (RHPZ).

Loại bộ lọc đơn giản nhất chỉ là một bộ lọc RC như được hiển thị gắn với đầu ra của thiết kế tăng cường dựa trên ADP161x hiện tại thấp như trong Hình 3 . Bộ lọc này có lợi thế về chi phí thấp và sẽ không cần phải được giảm thiểu. Tuy nhiên, do tản nhiệt nó chỉ hữu ích cho các bộ chuyển đổi dòng ra rất thấp. Đối với bài viết này, các tụ gốm có ESR nhỏ được giả định.

Hình 3: ADP161x thiết kế chuyển đổi dòng điện đầu ra thấp với bộ lọc RC được thêm vào đầu ra.

Quy trình thiết kế cho bộ lọc đầu ra giai đoạn thứ hai RC:

Bước 1 : chọn C1 dựa trên giả định gợn đầu ra giá trị tại C1 là khoảng bỏ qua phần còn lại của bộ lọc 5-20 mV pp là một nơi tốt để bắt đầu. C1 sau đó có thể được tính bằng phương trình 1.

1.

Step2 : R có thể được lựa chọn dựa trên tản quyền lực. R phải lớn hơn nhiều so với R ESR cho các tụ điện, để bộ lọc này có hiệu quả. Điều này giới hạn phạm vi của dòng đầu ra đến một cái gì đó ít hơn 50 mA hoặc hơn.

Bước 3 : C2 sau đó có thể được tính từ phương trình 2 đến phương trình 6. A, a, b, và c chỉ là giá trị trung gian để đơn giản hóa tính toán và không có ý nghĩa vật lý. Các phương trình này giả định R < tải và ESR cho mỗi tụ điện là nhỏ. Đây là cả hai giả định rất tốt và giới thiệu ít lỗi. C2 phải giống hoặc lớn hơn C1. Ripple ở bước 1 có thể được điều chỉnh để thực hiện điều này.

2.

3.

4.

5.

6.

Đối với nguồn cung cấp hiện tại cao hơn, nó có lợi để thay thế điện trở trong bộ lọc pi bằng một cuộn cảm như trong Hình 4 . Cấu hình này cung cấp cho rất tốt gợn và chuyển đổi tiếng ồn từ chối, ngoài việc mất điện năng thấp. Vấn đề là chúng tôi đã giới thiệu một mạch tăng thêm có thể cộng hưởng. Điều này có thể dẫn đến dao động và nguồn điện không ổn định. Do đó, bước đầu tiên để thiết kế bộ lọc này là tìm ra cách để làm ướt bộ lọc. Hình 4 cho thấy ba tùy chọn giảm xóc khả thi. Thêm R filt có lợi thế là tăng thêm một chút chi phí hoặc kích thước. Các điện trở giảm chấn thường có ít hoặc không có tổn thất và có thể được nhỏ cho nguồn cung cấp năng lượng thậm chí lớn. Hạn chế là nó làm giảm đáng kể hiệu quả của bộ lọc bằng cách giảm trở kháng song song với cuộn cảm. Tùy chọn hai có lợi thế là tối đa hóa hiệu suất lọc. Nếu một thiết kế gốm tất cả là mong muốn Rd có thể là một điện trở kín đáo trong loạt với một tụ gốm. Nếu không, một tụ điện vật lý lớn với ESR cao là bắt buộc. Điện dung bổ sung này (Cd) có thể tăng thêm chi phí và kích thước đáng kể cho thiết kế. Damping tùy chọn ba trông rất thuận lợi kể từ khi tụ điện tụ điện Ce được thêm vào đầu ra, nơi nó có thể giúp phần nào với phản ứng thoáng qua và gợn đầu ra. Tuy nhiên, đây là lựa chọn đắt nhất vì lượng điện dung yêu cầu lớn hơn nhiều. Ngoài ra, lượng điện dung tương đối lớn trên đầu ra sẽ làm giảm tần số cộng hưởng bộ lọc sẽ làm giảm băng thông có thể đạt được của bộ chuyển đổi, do đó, kỹ thuật 3 không được khuyến nghị. Đối với các công cụ thiết kế ADIsimPower, chúng tôi sử dụng kỹ thuật 1 vì chi phí thấp và tương đối dễ thực hiện nó trong quy trình thiết kế tự động.

Hình 4: AN ADP1621 với bộ lọc đầu ra với một số kỹ thuật giảm chấn khác nhau được tô sáng

Một vấn đề khác cần được giải quyết là bồi thường. Nó có thể phản trực giác, nhưng hầu như lúc nào cũng tốt hơn để đặt bộ lọc bên trong vòng phản hồi. Điều này là bởi vì đặt nó trong vòng lặp phản hồi giúp làm ẩm bộ lọc một phần, loại bỏ sự thay đổi tải dc, hàng loạt sức đề kháng của bộ lọc, và cung cấp cho phản ứng thoáng qua tốt hơn với ít đổ chuông. Hình 5 cho thấy âm mưu Bode cho bộ chuyển đổi tăng cường với đầu ra bộ lọc LC được thêm vào đầu ra.

Hình 5: Giai đoạn và các ô đạt được cho bộ chuyển đổi tăng cường với bộ lọc LC ở đầu ra.

Phản hồi được lấy trước hoặc sau bộ lọc cuộn cảm. Điều đáng ngạc nhiên nhất đối với mọi người là bao nhiêu thay đổi lô vòng Bode mở ngay cả khi bộ lọc không phải là "trong" vòng lặp phản hồi. Vì vòng điều khiển bị ảnh hưởng có hoặc không có bộ lọc trong vòng phản hồi, nên vòng lặp điều khiển cũng có thể bù đắp cho nó một cách thích hợp. Nói chung điều này sẽ có nghĩa là nhân rộng trở lại tần số crossover mục tiêu đến tối đa là một phần năm đến một phần mười của tần số cộng hưởng bộ lọc (F res ).

7.

Quá trình thiết kế cho loại bộ lọc này lặp đi lặp lại trong tự nhiên vì mỗi lựa chọn thành phần thúc đẩy việc lựa chọn các bộ lọc khác.

Quy trình thiết kế cho bộ lọc LC sử dụng giảm chấn điện trở song song (kỹ thuật 1 trong hình 4)

Bước 1 : Chọn C1 như thể không có bộ lọc đầu ra ở đầu ra. 5-20 mVpp là một nơi tốt để bắt đầu. C1 sau đó có thể được tính toán bằng phương trình 8.

số 8.

Bước 2 : Chọn inductor Lfilt. Dựa trên kinh nghiệm, một giá trị tốt là từ 0, 5 μF đến 2, 2 μF. Cuộn cảm nên được chọn cho một tần số tự cộng hưởng cao (SRF). Cuộn cảm lớn hơn có SRF lớn hơn có nghĩa là chúng ít hiệu quả hơn trong việc lọc nhiễu tần số cao. Cuộn cảm nhỏ hơn sẽ không có ảnh hưởng nhiều đến gợn và sẽ đòi hỏi nhiều điện dung hơn. Tần số chuyển mạch càng cao thì điện dẫn càng nhỏ. Khi so sánh hai cuộn cảm với cùng một điện cảm, phần có SRF cao hơn sẽ có điện dung liên cuộn thấp hơn. Các điện dung liên cuộn dây hoạt động như một mạch ngắn xung quanh bộ lọc cho tiếng ồn tần số cao.

Bước 3 : Như đã mô tả ở trên, việc thêm bộ lọc sẽ ảnh hưởng đến sự bù đắp của bộ chuyển đổi bằng cách giảm tần số chéo có thể đạt được (Fμ). Đối với một chuyển đổi chế độ hiện tại, cực đại có thể đạt được là nhỏ hơn 1/10 của tần số chuyển đổi, hoặc 1/5 F RES của bộ lọc như được tính toán trong phương trình 7. May thay, hầu hết các tải analog đều không yêu cầu đáp ứng tức thời cao. Phương trình 9 tính toán điện dung đầu ra gần đúng (C BW ) được yêu cầu trên đầu ra của bộ chuyển đổi để cung cấp cho một bước hiện thời nhất thời được xác định.

9.

Bước 4 : Đặt C 2 là mức tối thiểu của C BW và C 1

Bước 5 : Tính toán sức cản bộ lọc giảm chấn gần đúng bằng cách sử dụng phương trình 10 và 11. Các phương trình này không hoàn toàn chính xác, nhưng chúng là thứ gần nhất với giải pháp dạng khép kín mà không cần sử dụng đại số mở rộng. Các công cụ thiết kế ADIsimpower tính toán R filt bằng cách tính toán chức năng truyền vòng mở (OLTF) của bộ chuyển đổi với bộ lọc và với bộ dẫn điện bị thiếu. R giá trị lọc sau đó được đoán cho đến khi đỉnh của bộ chuyển đổi OLTF với bộ lọc chỉ là 10 dB trên OLTF của bộ chuyển đổi với inductor bị thiếu hụt. Kỹ thuật này có thể được sử dụng trong một bộ mô phỏng như ADIsimPE hoặc trong phòng thí nghiệm sử dụng máy phân tích phổ.

10.

11.

Bước 5 : bây giờ có thể được tính bằng các phương trình 12 -15. a, b, c và d được sử dụng để đơn giản hóa phương trình 16.

12.

13.

14.

15.

16.

Bước 6 : Lặp lại các bước từ 3 đến 5 cho đến khi thiết kế bộ lọc được làm ẩm tốt được tính toán đáp ứng các yêu cầu gợn và thông số tạm thời. Cần lưu ý rằng các phương trình này bỏ qua điện trở dòng DC của cuộn cảm bộ lọc R DCR . Mức kháng cự này có thể khá đáng kể đối với các nguồn cung thấp hơn. Nó cải thiện hiệu suất lọc bằng cách giúp làm ẩm bộ lọc làm tăng bộ lọc R cần thiết và tăng trở kháng của bộ lọc. Cả hai hiệu ứng có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của bộ lọc. Do đó, nó có thể rất hữu ích cho các yêu cầu tiếng ồn thấp để giao dịch một lượng nhỏ mất điện trong L filt để cải thiện hiệu suất tiếng ồn. Mất lõi trong L filt cũng giúp giảm bớt một số tiếng ồn tần số cao do đó lõi sắt cao hiện tại có thể là một lựa chọn tốt. Họ cũng có xu hướng nhỏ hơn và rẻ hơn cho cùng một khả năng hiện tại. ADIsimpower của các yếu tố khóa học trong cả hai sức đề kháng của bộ lọc cuộn cảm ngoài ESR của hai tụ điện cho độ chính xác tối đa.

Bước 7 : Khi lựa chọn các thành phần thực tế để phù hợp với các giá trị được tính toán, hãy nhớ loại bỏ khả năng của bất kỳ tụ điện gốm nào đối với sự thiên vị DC!

Như đã nói ở trên, hình 4 cung cấp hai tùy chọn khả thi để giảm xóc bộ lọc. Nếu thay vì chọn một điện trở song song, một tụ điện có thể được chọn để làm ẩm bộ lọc. Điều này sẽ thêm một số chi phí, nhưng nó cung cấp hiệu suất lọc tốt nhất của bất kỳ tùy chọn nào.

Quy trình thiết kế cho bộ lọc LC sử dụng mạng giảm xóc RC (kỹ thuật 2 trong hình 4)

Bước 1 : Như trong cấu trúc liên kết trước đó, chọn C1 như thể không có bộ lọc đầu ra. 10-100 mVpp là một nơi tốt để bắt đầu, tùy thuộc vào gợn đầu ra mục tiêu cuối cùng. C1 sau đó có thể được tính toán bằng phương trình 8. C1 có thể nhỏ hơn trong cấu trúc liên kết này so với các cấu trúc liên kết trước đó vì bộ lọc hiệu quả hơn.

  • Bước 2 : Như trong cấu trúc liên kết trước, một cuộn cảm giữa 0, 5-2, 2 H được chọn. 1 mH là một giá trị tốt cho các bộ chuyển đổi từ 500 đến 1, 200 kHz.
  • Bước 3 : Như trước C2 có thể được chọn từ phương trình 16, nhưng với bộ lọc R được đặt thành một cái gì đó lớn như 1 MΩ vì nó sẽ không được phổ biến. Lý do này là cùng một giá trị mặc dù tôi đang thêm một tụ điện bổ sung cho C1 là để cung cấp giảm xóc tốt, Rd sẽ được thực hiện đủ lớn mà Cd sẽ không làm giảm đáng kể gợn sóng. Đặt C 2 là giá trị C 2 tối thiểu được tính, C BW và. Nó có thể hữu ích tại thời điểm này để trở về bước 1 và điều chỉnh gợn giả định trên C 1 để có được một C 2 được tính toán gần hơn với C BW và C 1 .

Bước 4 : C d nên được đặt thành cùng giá trị như C 1 . Về lý thuyết bạn có thể đạt được giảm xóc nhiều hơn của bộ lọc bằng cách sử dụng một điện dung lớn hơn, nhưng nó không cần thiết cho biết thêm chi phí, kích thước, và có thể làm giảm băng thông chuyển đổi.

Bước 5 : R d có thể được tính từ phương trình 17. F res được tính bằng phương trình 7, bỏ qua sự hiện diện của C d . Đây là một xấp xỉ tốt vì R d thường đủ lớn mà C d sẽ có ít ảnh hưởng đến vị trí của cộng hưởng bộ lọc.

17.

Bước 6 : Bây giờ cả hai Cd và Rd đã được tính toán hoặc một tụ điện gốm với một loạt kháng chiến có thể được sử dụng, hoặc một tantali hoặc tụ điện tương tự với ESR lớn nên được lựa chọn phù hợp với các thông số kỹ thuật tính toán.

Step7 : Khi lựa chọn các thành phần thực tế để phù hợp với các giá trị được tính toán, hãy nhớ để loại bỏ các capacitances của bất kỳ tụ gốm để tài khoản cho thiên vị dc !!

Một tùy chọn lọc khác là thay thế L trong bộ lọc trước bằng một hạt ferit. Tuy nhiên, sự sắp xếp này có rất nhiều nhược điểm hạn chế hiệu quả của nó trong việc lọc nhiễu chuyển đổi và hầu như không có gì để chuyển đổi gợn sóng. Đầu tiên là bão hòa. Hạt ferrite sẽ bão hòa ở mức độ thiên vị rất thấp, nghĩa là ferit sẽ cho trở kháng thấp hơn nhiều so với các đường cong sai số không được hiển thị trong tất cả các biểu dữ liệu. Nó vẫn có thể cần giảm xóc vì nó vẫn là một cuộn cảm và do đó có thể cộng hưởng với điện dung đầu ra. Tuy nhiên, bây giờ điện cảm là biến và kém đặc trưng trong các dữ liệu rất tối thiểu được cung cấp trong hầu hết các datasheets. Vì lý do này, các hạt ferrite không được khuyến cáo sử dụng làm bộ lọc giai đoạn thứ hai, nhưng có thể được sử dụng ở hạ nguồn từ một để giảm tiếng ồn tần số rất cao.

Bài viết này đã trình bày một số tùy chọn bộ lọc đầu ra để chuyển đổi nguồn điện. Đối với mỗi cấu trúc liên kết, quy trình thiết kế từng bước đã được đưa ra để giảm số lượng phỏng đoán và kiểm tra yêu cầu đối với thiết kế bộ lọc. Các phương trình đã được đơn giản hóa một chút để chúng có ích cho một kỹ sư đang tìm cách thiết kế nhanh chóng bằng cách hiểu được những gì có thể đạt được từ một bộ lọc đầu ra giai đoạn thứ hai.

Bởi KEVIN TOMPSETT, Kỹ sư ứng dụng cao cấp, Thiết bị tương tự, www.analog.com