Насколько важна собственная резонансная частота для индуктора при использовании в быстром (~ 3 МГц) баксе SMPS?

16

Я использую LM2734Z, стабилизатор напряжения 3 МГц. Это действительно быстро, что означает, что у него есть маленький индуктор.

Одна из вещей, которые меня интересуют, это насколько важна собственная резонансная частота индуктора? Я использую его, чтобы шаг 4,8 В до 20 В до 3,3 В ± 5%.

Я обнаружил индуктивность 3,3 мкГн 2 А (в соответствии с рекомендациями для 3.3 В при 1 А, я оцениваю выход до 400 мА максимум) "SDR0604-3R3ML". Его собственная резонансная частота составляет 60 МГц, что, по-видимому, совершенно ясно, что она равна 3 МГц, но она кратна, и мне интересно, входят ли в нее гармоники?

Даже если это хорошо, есть ли эмпирическое правило для избежания определенных резонансных частот (например, если они совпадают?)

Томас О
источник

Ответы:

22

Я бы не беспокоился об этом по 2 причинам.

Сначала это кратное значение, но 60 МГц - это четная гармоника 3 МГц. Выходной сигнал регулятора должен быть в основном квадратной волной, а квадратные волны имеют содержание в своей основной и только нечетной гармонике. Итак, 3, 9, 15, 21, 27, 33, 39, 45, 51, 57, 63. Конечно, неидеальная волна будет иметь некоторое четное гармоническое содержание, но она должна быть значительно ниже любой нечетной гармоники, если она хорошая прямоугольная волна, это будет в полу шума. Если у вас есть вопросы, настройте объем, чтобы сделать БПФ на выходе регулятора и посмотрите, как выглядит его выход на частоте 60 МГц.

Во-вторых, как показывает приведенный выше список, вы находитесь на очень высокой гармонике на частоте 60 МГц. Коммутационный источник должен был бы выдавать прямоугольную волну с очень быстрым временем нарастания / спада, чтобы иметь очень много, если какой-либо контент, такой высокий. Обычно только первые 3-6 нечетных гармоник - это то, о чем вам нужно беспокоиться с прямоугольной волной, в зависимости от времени нарастания / спада. Это сработает в соответствии с теоретическим эмпирическим правилом: если SRF в 5-10 раз больше вашей скорости переключения, все будет в порядке.

РЕДАКТИРОВАТЬ: решил смоделировать это так, в некоторой степени ...

Тестовая схема, я использовал параметры индуктивности, которые вы связали, для индуктивности, паразитной емкости, ESR и сопротивления шунта. Сопротивление шунта изменяется в зависимости от частоты и определяется в формуле. Я смоделировал обычную керамическую крышку 10 мкФ для крышки выходного фильтра, включая ESR и ESL, и произвольно выбрал 1k для нагрузки. Выполнение развертки переменного тока с источником 1 В от 0 до 250 МГц, а затем - до 1 ГГц, чтобы посмотреть на частотную характеристику. Выходное сопротивление переключателя - выстрел в темноте, но, вероятно, примерно так. альтернативный текст

Здесь мы делаем зачистку без присоединенной крышки выходного фильтра, чтобы увидеть SRF модели индуктора, как ожидается, на частоте 60 МГц. альтернативный текст

Здесь мы подметаем с крышкой на месте: альтернативный текст

Это на самом деле интересно. То, что происходит, - то, что, хотя индуктор теряет свои фильтрующие свойства в SRF, все еще есть RC-фильтр, сформированный Rout, сопротивлением индукторов и выходным колпачком. Этот фильтр способен несколько блокировать высокие частоты, поэтому мы не видим столь резких изменений, как в случае только с индуктором. Однако на этих частотах ESL ограничения действительно начинает играть роль, поэтому мы видим повышение уровня выходного сигнала при увеличении частоты.

Наконец, давайте посмотрим, как оно увеличивается: альтернативный текст

При частоте 1 ГГц в катушке индуктивности полностью преобладает паразитная емкость, а в крышке фильтра преобладает ESL, а при частоте 10 ГГц (не показана) она сразу выравнивается.

Конечно, есть множество паразитных индуктивностей, емкостей и вариаций (особенно на действительно высоких частотах), не включенных в эту простую модель, но, возможно, это поможет в качестве наглядного представления происходящего.

Самое интересное, что из этого получилось для меня, это то, что SRF не кирпичная стена. Встроенный RC-фильтр может смягчить эффект попадания в SRF.

РЕДАКТИРОВАТЬ 2: Еще одно редактирование, главным образом потому, что я использую это как возможность впервые поиграть с симулятором Qucs. Классная программа.

Это показывает 2 вещи. Во-первых, отображение частотного отклика цепи по амплитуде (в дБ, синего цвета) и по фазе (красного цвета) показывает, где паразитная емкость / индуктивность компонента превалирует. Он также показывает вторичную развертку ESL выходного конденсатора, показывая, насколько важно минимизировать это посредством выбора компонентов и компоновки печатной платы. Его развертка от 1 нН до 101 нГ с шагом 10 нГн. Вы можете увидеть, если общая индуктивность на плате становится очень высокой, вы теряете почти все свои возможности фильтрации. Это приведет к проблемам с электромагнитными помехами и / или помехам. альтернативный текст

отметка
источник
Итак, эмпирическое правило заключается в том, чтобы избегать резонансных частот в пределах 3-6 нечетных гармоник (то есть частоты 6-12x?) Как насчет резонансных частот ниже рабочей частоты? Что происходит на резонансной частоте? Благодарю.
Томас О
Я обычно использую 5-10, так как я включаю фундаментальное значение в качестве одного из первых 3. В приведенном выше примере идеальная прямоугольная волна будет иметь 1/29 (29-ю гармонику) или 3,45% от величины при 63 МГц, которую она имеет в своем фундаментальном, 3MHz. Это для идеальной прямоугольной волны с временем нарастания / спада 0. В действительности эта гармоника, вероятно, намного меньше, потому что скорость нарастания переключателя не может двигаться так быстро, она не может производить контент на таких высоких частотах.
Марк
Что касается SRF меньше, чем ваши частоты переключения. Когда вы пересекаете SRF, импеданс индуктора падает до того, что вы ожидаете по величине, но принимает отрицательный сдвиг фазы. Он действует как конденсатор, который проходит через постоянный ток. Странный режим работы, и я думаю, что он, вероятно, облажался бы с откликом фильтра, хотя я никогда не занимался математикой.
Марк
Спасибо за ваши правки, объясняющие это. Очень признателен.
Томас О
Реальный понижающий преобразователь имеет дополнительную емкость в Mosfet на высокой стороне и на диоде свободного хода. Если у вас большая площадь кристалла, низкое Rds на Mosfet и диоде Шоттки и низкая индуктивность, то дополнительная емкость намного больше, чем собственная емкость катушки. Другими словами, резонансная частота в вашей цепи будет намного ниже, чем 60 МГц. Если вы начнете работать с DCM, вы увидите это в виде затухающих колебаний. Вы можете использовать это для получения преимущества с принятым переключателем долины или более новым S Режимы переключения TRAP. Этот резонанс не должен быть плохим.
Аутизм