无源滤波器设计理念巴克监管者超低噪声的应用程序188比分直播吧

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开关电源(smp)效率高的优势相比传统的低压差(LDO)监管机构。由于其开关特性,smp发出噪音在其开关频率及其谐波。本文说明了设计的过程过滤实现超低噪音输出电压与smp监管机构。单级电容式过滤器是常用的直流/直流转换器应用程序。188比分直播吧低ESR陶瓷电容器是利用以满足输出电压纹波的规范。单级电容滤波器是充分的应用程序不需要不到1-2mV输出电压纹波。188比分直播吧等应用射188比分直播吧频ADC和DAC的应用程序必须满足小于1 mv涟漪,应该使用阶段的LC滤波器能够有效地抑制开关噪声。

单级滤波器设计

同步降压转换器包含一个输入电容C,两个开关(S1和S2)和身体二极管、一个储能电感(左),和输出电容(C)。功率电感器的输入源提供能量(左)和负载时打开S1和S2是关闭的。在此期间,电感电流上升。能量存储在电感器传输到输出电容和负载S1, S2时,导致电感电流下降。巴克监管机构的开关行为导致输出电压波动。输出电容(C)放在输出平滑稳定状态下的输出电压。输出电容器降低了输出电压纹波的高频电压组件提供一个低阻抗路径返回地面。

图1:CCM操作同步巴克调节器

图1:CCM操作同步巴克调节器

在随后的发展,它是假定巴克转换器运行在连续导电模式(CCM)输出电压纹波最小化。L是为了满足电感器的电感纹波电流的要求。的最小电感L确定为:

方程1(1)

在V和V分别代表输入和输出电压,方程1.1代表的责任比例,L p - p电感的纹波电流,是峰和f西南代表了变换器的开关频率。通常,峰电感纹波电流选为20 - 40%的输出直流电流。

选择输出电容,以确保输出纹波数低于指定的峰。单级电容滤波器的最小输出电压纹波1 mv 2 mv可以实现。

在稳定状态下,净电荷传递到电容器是零在一个开关周期。图1中的电容器的阴影区域计算为:

方程2(2)

其中T是一个开关周期的时间。根据定义,电容器在给定时期内也可以表示为:

方程3(3)

将方程(2)和方程(3),最小电容来实现所需的电压纹波输出峰(Vp - p):

方程4(4)

理想情况下,噪声分流能力可以增加了并联多个输出电容器。实际上,横向输出电容放在PCB。添加更多的输出电容在PCB会引入额外的寄生电感和交流电阻并联路径,从而降低绕过开关噪声的有效性。

一个典型的PCB布局的118金宝搏app 于一体的优化电感简化电源转换器的设计,如图2所示。在的PCB布局MPM3833C、大铜面用于输出功率路径减少功率损失。输出电容器被放置在输出电流路径。如图所示,随着越来越多的电容器被放置在输出平面上,额外的电容器的距离增加电源模块的输出接脚。因此,参与更多的寄生电感输出电容器,远离电源模块。添加更多的输出电容变得越来越有效,最终,寄生电感的并联循环为主。

图2:典型的PCB布局MPM3833C电源模块

图2:典型的PCB布局MPM3833C电源模块

为了演示循环寄生电感的影响,一个MPM3833C各种输出电容器使用Simplis issimulated。假设每个额外的输出电容器0.5引入了一个额外的寄生电感的nh绕过循环。图3说明了电源模块的输出纹波和一个22µf电容器。绕过电容器有效地降低了约3的输出纹波mv在5 v的输入,2 1.2 v输出和负载。

图3:输出电压纹波与一个22µf MPM3833C输出电容器

图3:输出电压纹波与一个22µf MPM3833C输出电容器

进一步减少输出电压纹波,一个额外的22µf输出电容器的输出。自从新电容器必须放置远离电源模块,所涉及的寄生电感新电容器是1 nh。模拟输出电压纹波如图4所示的输出电压纹波是减少到2 mv。相比,波形如图3所示,一个22µf输出电容器有效地降低了输出电压纹波3 mv,附加一个22µf电容器就没那么有效了。图4 b显示了输出电压纹波和一个22µf电容器(共4 x22µf)。过去22µf电容器包括1.5 nh寄生电感的绕过循环。如图所示,输出纹波削减通过额外的22µf电容器小于5%的情况下3 x22µf使用。

图4:MPM3833C输出电压纹波

图4:MPM3833C输出电压纹波

如图3和图4显示,引入的寄生电感PCB铜/跟踪成为主导更多的输出电容放在PCB。最终,增加电容器的好处将否定的额外的寄生电感添加循环。

阶段的滤波器设计

通常情况下,并联输出电容器可以有效降低输出电压纹波1 mv。除了这一点,需要一个阶段的输出滤波器来实现输出电压纹波小(1 mv可以实现电压纹波)。图5演示了第二阶段LC滤波器级联的第一阶段输出电容器。第二阶段的滤波器由一个滤波器电感及其系列电阻器(DCR),绕过电容分支和阻尼分支。LC滤波器通过创建一个高阻抗输出工作。滤波电感器(Lf)是电阻在高频率范围和消散的噪音能量以热的形式。电感与额外的并联电容器结合形成一个低通LC滤波器网络。

图5:阶段的LC滤波器与平行阻尼分支

图5:阶段的LC滤波器与平行阻尼分支

第二阶段的过滤器是非常有效的减少输出电压噪声经过了正确的设计。至关重要的大小组件应有阶段的LC滤波器的频带。第一步的设计过程包括选择一期基于方程(4)的输出电容器。5 mv 10 mv的输出电压纹波是典型的第一阶段设计。通常10-22µF电容器是充分的。电容器(C第一阶段的)必须小于绕过电容器(C1)第二阶段,以确保系统的稳定性。

一旦第一阶段确定电容器和指定的输出电压纹波(在给定频率),所需的衰减阶段的LC滤波器可以确定为:

方程5(5)

在V1,p - p在输出电容器代表峰电压纹波,Vo, p - p代表了峰的输出电压(后阶段过滤器)。

使用相量分析LC滤波器的振幅增益的确定:

方程6(6)

注意,阻尼的阻抗分支,它由一个大系列电阻器,远远大于绕过分支开关频率。因此,过滤器如图5所示近似为二阶RLC滤波器。

确定滤波器的截止频率为:

方程7(7)

通常情况下,电感的电感0.22µh 1µh可以选择实现所需的输出纹波。电感的选择应尽可能减少DCR随着严重阻力增加功耗,降低了输出电压调节。应该注意的是,随着直流电流的增加,电感器的核心材料变得饱和,这减少了电感器的电感。应该小心以确保电感额定直流电流足够高。

一旦选择滤波电感器,其DCR可以从数据表中提取。第二阶段的LC滤波器,这是一个二阶滤波器,提供40 db每十年截止频率后转出。在给定的频率衰减可以估计为:

方程8(8)

使用衰减计算方程(5),确定所需的截止频率为:

方程9(9)

随后,所需的绕过电容(C1):

方程10(10)

应该使用陶瓷电容器的绕过电容器低ESR和英语。应该注意的是,陶瓷电容器的电容体验显著降低直流偏置电压。图6说明了直流估值下调日本村田公司0805陶瓷电容器,曲线是评价为6.3 v。如图所示,在批量直流偏置电压,电容标称值的20%下降。绕过电容器的选择应在标称直流偏置电压因素估值下调。

图6:典型的陶瓷电容器在直流偏压降额曲线

图6:典型的陶瓷电容器在直流偏压降额曲线

阻尼

第二阶段的LC滤波器可能会引入共振峰值如果没有适当的阻尼。滤波电感和旁路电容之间的共振可能放大输出纹波和创建多余的铃声在负载瞬态。图7显示了一个欠阻尼的转换器的输出电压系统阶段的LC滤波器。最初,系统在稳定状态下运行。在t = 200µs,负载瞬态从1到2的启动导致输出电压环。图7 b说明了负载下的输出电压和电流的瞬态过阻尼的第二阶段过滤器。为了避免在负载瞬态干扰响,第二阶段的LC滤波器共振必须得到适当的阻尼。在大多数设计,第二阶段的过滤器将被放置以外的控制回路,以避免控制稳定性问题。因此,必须通过阻尼被动元件(附加阻尼电阻)。

图7:阶跃响应

图7:阶跃响应

滤波电感器通常包括一个寄生电感的直流电阻串联。这DCR提供阻尼网络。然而,提供足够的阻尼一系列RLC电路、串联电阻必须满足方程1.3。在大多数情况下,DCR本身并不能提供足够的阻尼。为此,插入一个RC阻尼网络与潮湿的绕过电容器谐振电路以及系列及电阻。

设计实例

EVREF0102A是模拟电源模块开发ZCU1275 Zynq UltraScale + RFSoC表征工具包。EVREF0102模拟电源模块提供超低噪音电源的高速数据转换器ZCU1275开发工具包。

图8:EVRF0102超低噪音电源模块

图8:EVRF0102超低噪音电源模块

EVREF0102A雇佣5高效、降压、开关型功率模块集成电感器。金宝搏188网址高手的MPM3833C是一个6 v, 3 a,超微小降压电源模块和MPM3683-7 16 v, 8电源模块。两个功率模金宝搏188网址高手块功能集成保护功能包括(OCP, OVP, UVP, OTP。相比传统的LDO的解决方案,EVREF0102A可以实现效率提高80%。EVREF0102A模拟电源模块也达到超低噪音水平以满足规范的Xilinx高速数据转换器利用强制连续导电模式(CCM)操作和实施后被动过滤器。CLC被动过滤器是利用两个最敏感的ADC和DAC rails和电容式过滤器是利用rails的权力。

说明了设计过程的ADC_AVCC铁路上MPM3833C电源模块采用铁路。MPM3833C 1µh集成功率电感,电感的纹波电流在5 v的输入0.63和0.925 v输出决定通过应用方程(1)。随后,一期输出电容器选择基于方程(4)22µf提供3 mv电压脉动阶段过滤器。

所需的第二阶段获得LC滤波器是由方程(5)120 -30分贝达到µv切换频率输出电压纹波。考虑到尺寸和额定电流可用性、0.24µh日本村田公司芯片选择电感DFE201612E-R24提供足够的额定电流。ADC和DAC rails需要超低噪声在频率范围15 mhz。为衰减提供足够的保证金,第二阶段的滤波器的截止频率是选为25 khz。最后,选择滤波电容150µf。这个设计是保守的提供足够的保证金。选择截止频率来弥补由于寄生电感阻抗高频增益增加参与过滤循环增加在高频率(15 mhz)。与100年SP-Cap mΩESR选择阻尼电容。自串联电阻器SP-Cap阻尼足够高,不需要添加一个外部电阻。

FFT的输出噪声测量的结果EVREF0102A如图9所示。如图所示,在开关频率的噪声峰值减少到14µv。

图9:输出噪声测量EVREF0102 ADC_AVCC铁路的

图9:输出噪声测量EVREF0102 ADC_AVCC铁路的

结论

输出滤波器的设计过程是本文中概述的巴克调节器实现超低噪音输出电压。一个单级的输出电容滤波器可以减少输出电压纹波2 mv。添加一个阶段的LC滤波器能够有效地减少输出电压纹波小于1 mv。第二个LC滤波器的设计包括选择滤波电感,绕过电容器和阻尼分支。给出一个设计实例对高速ADC转换器的电源轨Xilinx ZCU 1275套件。优化滤波器有效地消除了输出电压纹波满足超低噪声要求的ADC和DAC rails。

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