Quanto è importante la frequenza autorisonante per un induttore se utilizzato in un SMPS buck rapido (~ 3MHz)?


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Sto usando l'LM2734Z, un regolatore buck da 3 MHz. È molto veloce, il che significa che ha un piccolo induttore.

Una delle cose che mi chiedo è quanto sia importante la frequenza autorisonante dell'induttore? Lo sto usando per passare da 4,8 V a 20 V fino a 3,3 V ± 5%.

Ho trovato un induttore 3.3µH 2A (come raccomandato dalla scheda tecnica per 3.3V @ 1A, sto classificando l'uscita a 400mA massimo) "SDR0604-3R3ML". La sua frequenza auto-risonante è di 60 MHz, che sembra essere ben chiara di 3 MHz, ma è un multiplo e mi chiedo se entrino armoniche?

Anche se questo caso va bene, esiste una regola empirica per evitare determinate frequenze di risonanza (cioè se corrispondono?)

Risposte:


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Non me ne preoccuperei per 2 motivi.

Innanzitutto è un multiplo ma, 60Mhz è un'armonica uniforme di 3Mhz. L'output del regolatore dovrebbe essere fondamentalmente un'onda quadra e le onde quadrate hanno contenuto nelle loro armoniche fondamentali e solo strane. Quindi 3, 9, 15, 21, 27, 33, 39, 45, 51, 57, 63. Naturalmente un'onda non perfetta avrà un contenuto anche armonico ma dovrebbe essere ben al di sotto di qualsiasi armonica dispari, se è una buona onda quadra, sarà nel rumore di fondo. Se in questione, imposta il tuo ambito di applicazione per eseguire una FFT sull'uscita del regolatore e vedere come appare il suo output a 60Mhz.

Secondo, come mostra l'elenco sopra, sei ad un'armonica molto alta a 60mhz. L'alimentazione di commutazione dovrebbe emettere un'onda quadra con tempi di salita / discesa molto rapidi per avere un contenuto molto elevato. Di solito solo le prime 3-6 armoniche dispari sono ciò di cui devi preoccuparti con un'onda quadra, a seconda dei tempi di salita / discesa. Ciò comporterebbe una regola empirica teorica che fino a quando l'SRF è 5-10 volte la velocità di commutazione dovresti andare bene.

EDIT: Ho deciso di modellarlo così in qualche modo ...

Circuito di prova, ho usato i parametri dell'induttore collegato per l'induttanza, la capacità parassita, l'ESR e la resistenza di shunt. La resistenza di shunt cambia in base alla frequenza ed è definita in Eqn. Ho modellato un generico tappo in ceramica da 10uF per il tappo del filtro di uscita inclusi ESR ed ESL e ho scelto arbitrariamente 1k per il carico. Effettuare una scansione AC con una sorgente da 1 V da 0 a 250 Mhz e successivamente a 1 Ghz per dare una sbirciatina alla risposta in frequenza. La resistenza di uscita del commutatore è un colpo al buio ma probabilmente a destra. testo alternativo

Qui stiamo eseguendo una scansione senza il cappuccio del filtro di uscita collegato per vedere l'SRF del modello di induttore, come previsto a 60 Mhz. testo alternativo

Qui spazziamo con il cappuccio in posizione: testo alternativo

Questo è davvero interessante. Quello che sta accadendo è che anche se l'induttore perde le sue proprietà di filtraggio su SRF, esiste ancora un filtro RC formato da Rout, la resistenza degli induttori e il cappuccio di uscita. Questo filtro è in grado di bloccare in qualche modo le alte frequenze, motivo per cui non vediamo un cambiamento così netto come vediamo solo con l'induttore. Tuttavia a queste frequenze l'ESL del limite sta davvero iniziando a entrare in gioco, quindi vediamo un livello di uscita crescente all'aumentare della frequenza.

Finalmente vediamo come aumenta: testo alternativo

A 1 ghz l'induttore è completamente dominato dalla capacità parassita e il cappuccio del filtro è dominato dall'ESL, a 10 Ghz (non mostrato) si livella immediatamente.

Naturalmente ci sono un sacco di induttanze vaganti, capacità e variazioni (specialmente alle frequenze molto alte) non incluse in questo semplice modello ma forse aiuteranno come rappresentazione pittorica di ciò che sta accadendo.

La cosa più interessante che mi è venuta in mente è che SRF non è un muro di mattoni. Il filtro RC intrinseco può mitigare alcuni degli effetti del colpire l'SRF.

EDIT2: Un'altra modifica, soprattutto perché sto usando questo come un'opportunità per giocare per la prima volta con il simulatore di circuiti Qucs. Bel programma.

Questo mostra 2 cose. Innanzitutto mostra la risposta in frequenza del circuito in grandezza (in dB, blu) e fase (rossa), questo mostra più chiaramente dove subentra la capacità / induttanza parassita del componente. Mostra anche una scansione secondaria dell'ESL del condensatore di uscita che mostra quanto sia importante minimizzarlo attraverso la selezione dei componenti e il layout del PCB. Si sposta da 1nH a 101nH con incrementi di 10nH. Puoi vedere se l'induttanza totale sul PCB diventa molto alta e perdi quasi tutta la tua capacità di filtraggio. Ciò comporterà problemi EMI e / o problemi di rumore. testo alternativo


Va bene, quindi una regola empirica sarebbe quella di evitare le frequenze di risonanza entro 3-6 armoniche dispari (quindi la frequenza di 6-12x?) Che dire delle frequenze di risonanza al di sotto della frequenza operativa? Cosa succede alla frequenza di risonanza? Grazie.
Thomas O

Di solito uso 5-10 poiché includo il fondamentale come uno dei primi 3. Nell'esempio sopra un'onda quadra perfetta avrebbe 1/29 (29a armonica) o 3,45% della magnitudine a 63 Mhz che ha nella sua fondamentale, 3MHz. Questo è per un'onda quadra perfetta, con tempi di salita / discesa di 0. In realtà questa armonica è probabilmente molto più piccola perché la velocità di variazione del commutatore non può muoversi così velocemente, non può produrre contenuti a frequenze così alte.
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Quanto a SRF inferiore alle vostre frequenze di commutazione. Quando attraversi la SRF, l'impedenza dell'induttore ritorna a ciò che ti aspetteresti in grandezza ma assume uno sfasamento negativo. Si comporta come un condensatore che passa DC. Strana modalità di funzionamento e penso che probabilmente si rovinerebbe con la risposta del filtro, anche se in realtà non ho mai studiato la matematica su questo.
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Grazie per le modifiche che spiegano questo. Molto apprezzato.
Thomas O

Il vero convertitore buck ha una capacità aggiuntiva nel mosfet lato alto e nel diodo a ruota libera. Se si dispone di una grande area della matrice bassa Rds su mosfet e diodo schottky e una bassa induttanza, la capacità aggiuntiva è molto maggiore della capacità intrinseca della bobina. In altre parole, la frequenza di risonanza nel tuo circuito sarà molto più bassa di 60 MHz. Se esegui il buck in DCM, vedrai questo sotto forma di oscillazioni smorzate. Puoi usarlo a vantaggio con l'interruttore a valle accettato o la S più recente Regimi di commutazione TRAP. Questa risonanza non deve essere una cosa negativa.
Autistico,
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