Fragen zu einem Design für eine SMPS-Filterschaltung nach dem Regler?

Um die SMPS-Welligkeit und insbesondere das Rauschen zu minimieren, versuche ich, eine kleine Schnittstelle herzustellen, bei der es sich um einen nach einem LC-Filter kaskadierten Nachregler handelt. Ich bin auf einige Artikel zu diesem Thema gestoßen, und die Idee ist, eine gute Rauschunterdrückung durch Verwendung eines Low-Dropout-LDO-Reglers für Frequenzen unter 100 kHz und für höhere Frequenzen durch Verwendung eines LC-Filters herzustellen. Bei diesem Video gibt es auch ein sehr schönes Beispiel bei etwa 2:56.

Die Topologie ist in der Schaltung zu sehen, die ich in LTspice gezeichnet habe. Hier ist meine fragliche Schaltung (die in der gestrichelten Box ist der Filter):

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Die Schaltung ist für eine Last von 120 mA mit einem 12-V-Reglerausgang auf einen 15-V-Eingang eingestellt.

Jetzt war mein größtes Problem bei der Simulation, dass ich den DC-Ausgangswiderstand R3 eines SMPS nicht kenne und er für jedes andere SMPS unterschiedlich sein kann. Also habe ich für den schlimmsten Fall 0,02 Ohm genommen. Ich sage schlimmsten Fall, weil dies beim LC-Filter das Resonanzproblem nicht verhindert. Um die LC-Resonanz zu verhindern, habe ich einen parallelen 1-Ohm-Widerstand R1 mit der Induktivität L1 hinzugefügt. In der Simulation bilden L1 und C2 eine sehr schöne hohe Frequenz. Filter. Dann verwende ich diesen LT1086 als LDO. Hierist sein Datenblatt und in Anwendungen wird erwähnt, dass es auch für die SMPS-Schaltrauschfilterung empfohlen wird (es heißt "Post Regulators for Switching Supplies"). R2 und Rp stellen den Ausgang auf etwa 12 V für einen 15-V-Eingang ein. Rp kann ein Potentiometer zur Feinabstimmung der Ausgangsspannung sein. Laut Datenblatt muss C1, wenn ich mich nicht irre, ein Tantalkondensator und C3 ein Keramikkondensator sein, beide mit niedrigem ESR.

Jetzt habe ich in LTspice eine Transientenanalyse für diesen Filter durchgeführt, bei der der Eingang 15 VDC mit 1 V-Pulsrauschen (mit 10 p ansteigenden abfallenden Flanken) überlagert ist. Also wiederholte ich das gleiche Verfahren für verschiedene Rauschimpulsfrequenzen 50Hz, 100Hz, 1kHz, 100kHz, 1MegHz.

Unten sind die Simulationsergebnisse für Eingang und Ausgang für diese Frequenzen:

Bei 50 Hz:

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Bei 100 Hz:

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Bei 1kHz:

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Bei 100kHz:

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Bei 1 Megahertz:

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Die Ergebnisse sind Spitze-zu-Spitze-Amplituden am Ausgang für 1-V-Impuls-Eingangsrauschen bei verschiedenen Frequenzen. Und hier sind jeweils die Ergebnisse:

50 Hz ------> 1,6 mV

100 Hz -----> 3,8 mV

1kHz ------> 173uV

100kHz ----> 41uV

1 Megahertz -----> 1 uV

Hier ist die Verlustleistung für den Regler, die etwa 0,5 W beträgt:

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Und schließlich ist hier unten der Strom, der aus dem SMPS gezogen wird und durch die Eingangsstufe fließt:

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Meine Fragen sind:

Wie kann ich diesen Versorgungsstrom reduzieren? Anscheinend sind es 6A. Offensichtlich stimmt etwas damit nicht, obwohl die Filterung gut aussieht. Noch nie zuvor einen solchen Filter für diesen Zweck hergestellt. Ich würde mich freuen, weitere grundlegende Fragen zu dieser Schaltung zu hören. SMSP kann nicht mehr als 500 mA oder vielleicht 1 A verarbeiten, daher kann eine Reduzierung von C2 eine Option sein, aber dies verschlechtert die Filterung.

Wie kann ich diesen Versorgungsstrom reduzieren? Anscheinend sind es 6 A. Das liegt daran, dass Sie Vnoise über 20 mOhm + 1 Ohm + 4700 uF legen (im Grunde ein Kurzschluss). Das führt zu einem großen Strom. Ein weiterer Punkt: Berücksichtigen Sie den ESR der Kondensatoren, insbesondere für die 4700-uF-Kappe. Parasiten sind erforderlich, da 4700-uF-Kappen ein schreckliches Verhalten bei hohen Frequenzen haben, wie sie von einem SMPS kommen. Erwägen Sie, Keramikkappen mit 100 nF und 1 nF parallel zu den 4700 uF hinzuzufügen, um es "besser" zu machen, siehe: youtube.com/watch?v=BcJ6UdDx1vg
Vielen Dank für das Feedback genau, aber gibt es eine Problemumgehung dafür? Ich könnte C2 reduzieren, aber das wirkt sich auf die Filterung aus. Sehen Sie auch etwas grundsätzlich falsch oder wert, für den gesamten Filter geändert zu werden? Die Versorgung kann nicht mehr als 500 mA oder 1 A verarbeiten.
Ich denke, Sie überschätzen die Menge an Rauschen vom SMPS. Sie müssen feststellen, wie viel Rauschen das SMPS tatsächlich erzeugt, und überlegen, wie viel Rauschunterdrückung Sie wirklich brauchen (ja, das ist schwer !!!). Außerdem ist es einfacher, eine FFT (Fourier-Transformation) am Rauschen von SMPS und LDO durchzuführen, da dies Ihnen ein Spektraldiagramm des Rauschens zeigen würde. Ähm ja, das ist kein einfaches Thema.
Oh, ich sehe, 1 V ist zu viel für ein echtes Szenario?
1V ist zu viel für ein reales Szenario? Das hängt davon ab (wiederum ist es nicht einfach), wenn Sie ein sehr schlechtes SMPS haben, könnten 1 V realistisch sein. Einige andere SMPS haben möglicherweise nur 10 mV Rauschen. Es kommt darauf an .
Ich habe versucht, einen generischen Filter für mehrere SMPS zu erstellen. :(
Überstromschutz ist in der Regel bereits im SMPS enthalten. Aber man zeigt typisches Anfängerverhalten, sieht überall Probleme (zu viel Rauschen, Überstrom) und vergisst , sich auf das eigentliche Problem zu konzentrieren . Ich habe sie oben angegeben: Wie viel Lärm kommt tatsächlich aus dem SMPS? Wie viel Rauschen können Sie bei der Versorgung Ihrer Schaltung tolerieren? Mir ist unklar, was Ihre Schaltung ist (die diese saubere Versorgung benötigt). Wenn es sich beispielsweise um einen Mikrocontroller handelt, ist Versorgungsrauschen im Allgemeinen kein Problem . Wenn es ein empfindlicher Verstärker ist, dann kann es das sein.
Sie wollen eine batterieähnliche, sehr saubere Versorgung für Messgeräte. Es war jedoch eine Anforderung von SMPS- oder DC-DC-Wandlern. Genauere Infos konnte ich deshalb nicht geben. Aber vielen Dank für den netten Einblick. Ich werde versuchen, mit der FFT-Methode das Rauschen zu quantifizieren.
Sie wollen eine batterieähnliche, sehr saubere Versorgung für Messgeräte. Dann würde ich sagen: Dann nimm einen Akku . Es wird immer etwas Rauschen auf der Versorgung geben, Frage ist, wie viel noch in Ordnung ist. Es ist leicht, das Unmögliche zu verlangen. Es ist schwer zu beantworten, was Sie wirklich brauchen.
C2 ist Wahnsinn, es mag für eine Art Netzfrequenztransformator / Gleichrichter / Filter angemessen sein, aber ein halbwegs anständiger Umschalter sollte die Hälfte von nichts bis in die Nähe von DC haben, und bei etwa 100 Hz wird ein gut durchdachter LDO PSRR haben für Tage. Mein üblicher Mischer-Reinigungsfilter für das Mittenband ist 1uH || 3R + ein paar 0,047 uF am Ende einer Spur von einem Zoll (gestohlen von "High-Speed-Signal-Stütze"), funktioniert gut bei typischen parasitären Werten und bringt Ihnen ~ 20 dB aus ein paar MHz. Ich würde Bimpelrekkie unterstützen, herausfinden, was Sie brauchen, und es dann entwerfen (und die Parasiten modellieren).
Auch 100ps Anstiegs- und Abfallzeiten? Aus 0,02R-Quelle? Ich hoffe, dass der Switcher wirklich nah am Filter ist, weil Flankenraten von 100 ps fast jede Menge Kabel in eine Übertragungsleitung einbringen, und ich habe noch nie eine charakteristische Impedanzleitung von 0,02 R gesehen. Spice ist ein ausgezeichneter numerischer Löser, aber er verlässt sich darauf, dass der Operator eine vernünftige Zahl hineingibt.
@DanMills In Bezug auf "1uH || 3R + ein paar 0,047uF." Was ist R? 1uH parallel zu einem 3 Ohm Widerstand? Ich habe dieses pdfserv.maximintegrated.com/en/an/AN883.pdf gelesen . Was halten Sie von der Kaskadierung von zwei LDO? Ich habe auch einige Ferritperlen gesehen. In meinem Fall möchte ich bis zu 1 MegaHz nur für SMPS 12 oder 24 V mit Strömen zwischen 500 mA bis maximal 1 A herausfiltern.
Wenn Sie sorgfältig einkaufen, können Sie LDOs finden, die bei 1 MHz immer noch ein gutes CMRR haben, was die billigen Jellybean-Modelle im Allgemeinen nicht haben. Während 1 MHz jedoch bei der grundlegenden Umschaltung hilft, ist dies nur ein Teil des Problems. Es gibt nicht nur ein Durcheinander von Oberwellen von den Rändern (sie sind normalerweise NICHT 100ps, aber immer noch), sondern ein üblicher kleiner Umschalter auf Flyback-Basis hat ein Klingeln vom Transformator und Mosfet-Parasiten (vielleicht auch Diodenwiederherstellung) bis in die 10s zu niedrig Hunderte von MHz-Bereich, hier helfen die Ferritperlen und dergleichen wirklich, weil kein LDO dort oben viel zu bieten hat.

Antworten (1)

Der Ansatz ist solide, mit einem Problem: Sie haben eine sehr "steife" Rauschquelle geschaffen, die in der Lage ist, jeden Strom zu treiben und zu senken, der erforderlich ist, um seine Spannung aufrechtzuerhalten. Wenn Sie darüber nachdenken, wie SMPS-Schaltungen funktionieren, werden Sie wahrscheinlich zustimmen, dass sie selbst interne Elemente aufladen und in die Last entladen, anstatt eine Spannung mit niedriger Ausgangsimpedanz auf zwei unterschiedlichen Ebenen zu präsentieren. Wenn Sie die Ausgangsstufe Ihres SMPS nicht simulieren möchten, würde ich vorschlagen, dass Sie eine Dreieckswelle für Ihre Rauschquelle als besseres Analog für den SMPS-Ausgang ausprobieren, ohne R1 in Ihrer Schaltung, aber mit einem Vorwiderstand für Ihre Induktivität Widerstand.

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