Jak ważna jest częstotliwość samorezonansowa cewki indukcyjnej, gdy jest używana w szybkim (~ 3MHz) buck SMPS?

16

Używam LM2734Z, regulatora buck 3 MHz. Jest naprawdę szybki, co oznacza, że ​​ma mały induktor.

Zastanawiam się, jak ważna jest częstotliwość rezonansowa cewki indukcyjnej? Używam go do stopniowania od 4,8 V do 20 V aż do 3,3 V ± 5%.

Znalazłem cewkę indukcyjną 3,3µH 2A (zgodnie z zaleceniami w arkuszu danych dla 3,3V @ 1A, oceniam moc wyjściową na maksimum 400mA) „SDR0604-3R3ML”. Jego częstotliwość samorezonansowa wynosi 60 MHz, co wydaje się być jasne od 3 MHz, ale jest to wielokrotność i zastanawiam się, czy wchodzą w nią harmoniczne?

Nawet jeśli ten przypadek jest w porządku, czy istnieje reguła praktyczna pozwalająca uniknąć pewnych częstotliwości rezonansowych (tzn. Czy się zgadzają?)

Thomas O
źródło

Odpowiedzi:

22

Nie martwiłbym się tym z dwóch powodów.

Po pierwsze jest wielokrotnością, ale 60 MHz jest parzystą harmoniczną 3 MHz. Moc wyjściowa regulatora powinna być zasadniczo falą kwadratową, a fale kwadratowe powinny mieć zawartość przy swoich podstawowych i tylko nieparzystych harmonicznych. A więc 3, 9, 15, 21, 27, 33, 39, 45, 51, 57, 63. Oczywiście fala niedoskonała będzie miała pewną parzystą zawartość harmoniczną, ale powinna być znacznie poniżej jakichkolwiek dziwnych harmonicznych, jeśli jest dobra fala prostokątna, będzie w hałasie. W razie wątpliwości ustaw zakres, aby wykonać FFT na wyjściu regulatora i zobaczyć, jak wygląda jego wyjście przy 60 MHz.

Po drugie, jak pokazuje powyższa lista, masz bardzo wysoką harmoniczną przy 60 MHz. Zasilacz przełączający musiałby generować falę kwadratową o naprawdę szybkich czasach narastania / opadania, aby mieć dużo, jeśli jakakolwiek zawartość tak wysoka. Zwykle tylko pierwsze nieparzyste harmoniczne 3-6 są tym, o co musisz się martwić falą kwadratową, w zależności od czasów narastania / opadania. To działałoby zgodnie z teoretyczną regułą, że tak długo, jak SRF jest 5-10 razy szybszy od przełączania, powinno być dobrze.

EDYCJA: Postanowiłem modelować to w pewnym stopniu ...

Obwód testowy, wykorzystałem parametry z cewki, którą połączyłeś, dla indukcyjności, pojemności błądzącej, ESR i rezystancji bocznikowej. Opór bocznikowy zmienia się w zależności od częstotliwości i jest zdefiniowany w równaniu. Modelowałem ogólną ceramiczną nasadkę 10uF dla nasadki filtra wyjściowego, w tym ESR i ESL, i arbitralnie wybrałem 1k dla obciążenia. Przeprowadzenie przemiatania prądu zmiennego ze źródłem 1 V od 0 do 250 MHz, a następnie do 1 GHz, aby zerknąć na pasmo przenoszenia. Rezystancja wyjściowa przełącznika jest strzałem w ciemność, ale prawdopodobnie prawie w prawo. alternatywny tekst

Tutaj przeprowadzamy przemiatanie bez założonej nasadki filtra wyjściowego, aby zobaczyć SRF modelu induktorowego, zgodnie z oczekiwaniami przy 60 MHz. alternatywny tekst

Tutaj zamiatamy z założoną czapką: alternatywny tekst

Ten jest naprawdę interesujący. Dzieje się tak, że chociaż cewka indukcyjna traci swoje właściwości filtracyjne w SRF, nadal istnieje filtr RC utworzony przez Rout, rezystancję induktorów i nasadkę wyjściową. Ten filtr jest w stanie nieco blokować wysokie częstotliwości, dlatego nie widzimy tak ostrej zmiany, jaką widzimy tylko z cewką indukcyjną. Jednak przy tych częstotliwościach ESL limitu naprawdę zaczyna działać, więc widzimy rosnący poziom wyjściowy wraz ze wzrostem częstotliwości.

Wreszcie pozwala zobaczyć, jak się zwiększa: alternatywny tekst

Przy 1 Ghz cewka indukcyjna jest całkowicie zdominowana przez pojemność błądzącą, a nasadka filtra jest zdominowana przez ESL, przy 10 Ghz (nie pokazano) wyrównuje się natychmiast.

Oczywiście istnieje kilka błądzących indukcyjności, pojemności i wariacji (szczególnie przy naprawdę wysokich częstotliwościach), które nie zostały uwzględnione w tym prostym modelu, ale być może pomoże to w obrazowym przedstawieniu tego, co się dzieje.

Najbardziej interesującą rzeczą, która z tego wynikła, jest to, że SRF nie jest ceglaną ścianą. Wbudowany filtr RC może złagodzić niektóre efekty uderzenia w SRF.

EDYCJA 2: Jeszcze jedna edycja, głównie dlatego, że wykorzystuję to jako okazję do gry z układem Qucs po raz pierwszy. Fajny program.

To pokazuje 2 rzeczy. Po pierwsze, wyświetlanie odpowiedzi częstotliwościowej obwodu pod względem wielkości (w dB, niebieskim) i fazy (czerwonej) pokazuje to wyraźniej, gdzie przejmuje pasożytnicza pojemność / indukcyjność elementu. Pokazuje również wtórne przemiatanie ESL kondensatora wyjściowego, pokazując, jak ważne jest zminimalizowanie tego poprzez wybór komponentów i układ PCB. Jego zakres od 1nH do 101nH w krokach co 10nH. Możesz zobaczyć, czy całkowita indukcyjność na płytce drukowanej jest bardzo wysoka, tracisz prawie całą zdolność filtrowania. Spowoduje to problemy z zakłóceniami elektromagnetycznymi i / lub problemy z hałasem. alternatywny tekst

znak
źródło
Ok, więc ogólną zasadą byłoby unikanie częstotliwości rezonansowych w zakresie 3-6 nieparzystych harmonicznych (czyli częstotliwości 6-12x?) Co z częstotliwościami rezonansowymi poniżej częstotliwości roboczej? Co dzieje się przy częstotliwości rezonansowej? Dzięki.
Thomas O
Zwykle używam 5-10, ponieważ uwzględniam podstawową jako jedną z pierwszych 3. W powyższym przykładzie idealna fala kwadratowa miałaby 1/29 (29. harmoniczną) lub 3,45% wielkości przy 63 MHz, która ma swoją podstawową, 3 MHz Jest to idealna fala prostokątna o czasach narastania / opadania równych 0. W rzeczywistości ta harmoniczna jest prawdopodobnie znacznie mniejsza, ponieważ szybkość narastania przełącznika nie może poruszać się tak szybko, nie może wytwarzać treści przy tak wysokich częstotliwościach.
Mark
Co do SRF mniej niż częstotliwości przełączania. Kiedy przekroczysz SRF, impedancja cewki indukcyjnej wraca do wartości, której można się spodziewać, ale przyjmuje ujemne przesunięcie fazowe. Działa trochę jak kondensator, który przepuszcza prąd stały. Dziwny tryb działania i myślę, że prawdopodobnie spieprzyłby się z odpowiedzią filtra, chociaż nigdy tak naprawdę nie opracowałem matematyki na ten temat.
Mark
Dziękujemy za Twoje wyjaśnienia dotyczące edycji. Bardzo mile widziane.
Thomas O
Prawdziwy konwerter złotówki ma dodatkową pojemność w wysokiej stronie mosfetu i diodzie wolnobiegowej. Jeśli masz duży obszar matrycy o niskiej wartości Rds na mosfecie i diodzie Schottky'ego i niskiej indukcyjności, dodatkowa pojemność jest znacznie większa niż pojemność właściwa cewki. Innymi słowy, częstotliwość rezonansowa w twoim obwodzie będzie znacznie niższa niż 60 MHz, jeśli uruchomisz buck w DCM, zobaczysz to w postaci tłumionych oscylacji. Reżimy przełączania TRAP. Ten rezonans własny nie musi być złą rzeczą.
Autystyczny