PCB 設計用のスイッチング電源出力フィルタ: 設計とシミュレーション
スイッチング電源には、高出力のデスクトップ ラボ用電源や、特殊な IC や受動部品を介して PCB に組み込まれたものなど、さまざまな形態があります。 これらのシステムは、安定した DC 電力が最小限のノイズでシステムの残りの部分に確実に供給されるように設計されています。 また、整流器からの残留リップルの影響を減衰させたり、入力のノイズを除去したりするのにも理想的です。 出力ノイズをなくして安定させるには、PCB レイアウトで受動部品を使用して実装できる出力フィルタを使用する必要がある場合があります。
スイッチング電源の出力フィルタを使用して出力ノイズを抑える方法と、シミュレーション ツールを使用してフィルタ設計を最適化してノイズを低減する方法を示します。 ノイズの低減は、出力フィルタの素子値と回路のインダクタ値に依存します。 例として、バック ブースト コンバーターのトポロジーを見て、スイッチング電源用の出力フィルターを実装する方法を理解しましょう。
起動スイッチング電源の出力フィルタ設計
DC/DC コンバータ (バック/ブーストまたはその他のトポロジ) の出力フィルタはローパス フィルタです。 典型的な方法は pi フィルタを配置して AC ノイズをグランドにそらすことですが、これはシャント コンデンサと同じくらい簡単です。 その理由は、スイッチングコンバータの機能が、AC-DC電力変換によって発生する低周波のリップルを、スイッチングトランジスタによって発生する高周波のスイッチングノイズに変換することだからです。 次に、出力フィルタがフィルタ出力の高周波スイッチング ノイズを除去し、負荷にクリーンな DC 電源を提供します。
最後に、PWM のパラメーターは次のとおりです。100 kHz のスイッチング周波数、10 ns の立ち上がり時間、30% のデューティ サイクル。 特定の電力出力を与える PWM またはパッシブ値の許容範囲に注目するのではなく、ノイズを最小限に抑えるフィルター コンポーネント値の範囲に注目してください。
初期出力
実際、過渡的なオーバーシュートは、PWM のデューティ サイクルと PWM 信号の立ち上がり時間に依存します。 場合によっては、コンバータが 2 つの電圧状態間、つまり 2 つの PWM 周波数またはデューティ サイクル間で切り替わるとき、オーバーシュートが負荷電流の 50% に達することがあります。 これにより、大きな電流スパイクが発生し、負荷が損傷する可能性があります。
負荷コンポーネントの値も、回路の出力リップルに影響します。 下の図では、負荷抵抗が 1 MOhm に増加したときに何が起こるかを示しています。これは、アナログ CMOS 集積回路の入力インピーダンスの有用な値です。 ここから、負荷電流に反映される出力の実際のリップルを見ることができます。
リップル負荷は 1 MOhm です。
そのため、コンバータ回路の応答を減衰させるか、出力オーバーシュート発生時のフィルタ部の設計を見直して問題を回避したいと考えています。 1 つのオプションは、抵抗を追加することによって、減衰を直接追加することです。
ダンピング用の抵抗を追加
不十分な過渡応答の問題を解決する 1 つの方法は、コンデンサ C1 と C2 にダンピングを追加することです。 この目的のために、コンデンサ C1 と C2 に 1 オームの抵抗を追加してダンピングを提供し、10 オームの負荷を駆動しています。 これにより、過渡応答が臨界減衰状態に非常に近くなり、シミュレーションの開始時にオフ状態とオン状態の間のスムーズな遷移が提供されます。 PWM パラメータが変更された場合、2 つの電源出力状態間で同じスムーズな遷移が発生します。 ただし、抵抗が大きいと過渡応答が遅くなります。
これに関する小さな問題は、少量の電力が失われることです。負荷に流れる電流が少なくなり、出力電圧がわずかに低くなります。 RC 部品の抵抗でいくらかの電力が低下し、追加の損失が発生します。 電流は小さいですが、出力電流に若干の残留ノイズがあります。
1 MOhm の負荷を使用すると、同じ応答が得られますが、C1+(直列抵抗) ネットワークの電圧降下に初期リップルが見られます。 リップルが出力に反映されないため、これは良好な応答ですが、出力電流の上昇は依然として同じように低速です。 フィードバック ループを介して非常に迅速に調整する必要がなく、状態間のスムーズな移行を確保したい場合は、そうすることができます。
続行する前に、応答速度ははるかに遅くなりますが、約 3 ミリ秒で予想される最終電流の約 95% を終了することに注意する必要があります。これはまだかなり速い開始時間です。 参考までに、商用電源の中には、定格合計オン時間が 10 回のものもあります。 オン時間は、特にフィードバック ループが正確な制御を提供する場合、PWM ドライバーなどの他のコンポーネントによって支配される可能性があります。 そのため、開始時間が遅く見えても、十分に速く走ることができます。
ここでの 1 つの選択肢は、同様の結果を得るために、抵抗を増加させずにスイッチング電源の出力フィルター回路を再設計することです。
C1、C2、および/または L2 を変更する
ここでの別のオプションは、抵抗を削除して C1/C2 と L2 を変更することです。 C1 と C2 を変更する際の問題は、重要なダンピング条件を変更すると、出力の最終的なリップルがこれらのコンデンサの値の影響を受けることです。 臨界減衰を生成する条件はかなり複雑な 2 次式ですが、ここで直感的に理解できるはずです。
コンデンサの値が小さすぎると、高周波発振により深刻な減衰応答不足が発生します。
コンデンサの値が高すぎると、コンデンサが必要な DC レベルまで充電されるまでに長い時間がかかるため、応答が非常に遅くなります。
知りたいかもしれません。 pi フィルターでオーバーシュート過渡応答を生成するにはどうすればよいですか? 実際、複数のリアクタンス要素 (2 つのインダクタと 2 つのコンデンサ) があるため、組み合わせた伝達関数に複数の極を持つ 2 つの LC フィルタがあります。 上記の結果を注意深く観察すると、2 つの過渡応答が重なり合っていることがわかります。 これらは、L1 および C1 からのスイッチング LC 応答 (標準のバック ブースト コンバーター応答) と、L2、C2、および負荷抵抗からの典型的な RLC 応答です。
L2 と出力コンデンサを一緒に調整することは、低出力リップルを得るもう 1 つの方法です。 次の図では、一連のインダクタンス値の間を移動するために、アナログ ダッシュボードで周波数スイープを作成しました。 ここでは、10 オームの負荷を駆動するときに小さなコンポーネントに見られる実際のインダクタンスを制限したいと考えています。 臨界減衰にできるだけ近づけるために、C1=C2 と L2 の異なる値をトラバースします。 小さな静電容量 (1 uF) から始めて、L2 の値を 0.2 mH までスキャンしました。 1 MOhm 負荷の場合は、RLC 回路の主要なダンピング条件を使用して同じ手順に従います。
L2 の最適なインダクタンス値は約 150 ~ 200 uH であることが証明されています。 DC電流定格が〜1.5Aを超える巻線インダクタが多くあります。 Vishay の IHV30EB150 はその一例です。
L2 値の範囲と 10 オーム負荷の電力出力。
フィルター ポリシーの概要
ここで何を学びましたか? これらのシミュレーションからいくつかの洞察を得て、そこからいくつかの提案を引き出すことができます。
フィルタの設計は、コンバータの出力コンデンサの値に大きく依存します。 出力コンデンサが小さすぎる場合は、追加のコンデンサを並列に接続してカットオフ周波数を十分に小さくし、ノイズ フィルタリングを提供する必要があります。
ここでは出力フィルタのみを検討しますが、通常は入力にフィルタを配置する方が総ノイズを減らすのにより効果的です。 基本的に、これは全波整流器の出力コンデンサで行うことです。安定した DC 電源を電源の電力変換部分に供給しようとしています。
pi フィルターの過渡応答に過剰な現象があり、非常に大きくなる可能性があります。 これは、抵抗をコンデンサ C1 および C2 と直列に配置するか、L2 の値を調整することによって、通常の方法で減衰できます。
ダンピングを追加する場合は、必要な抵抗値と使用するコンデンサの ESR 値を比較してください。 また、回路の応答が遅くなり、電力がいくらか犠牲になることに注意してください。
過渡応答中の負荷の電流スパイクは PWM パラメータに依存するため、この方法を使用して、十分に低いノイズを可能にする PWM 周波数/立ち上がり時間範囲を決定することもできます。
さらなる改善
再設計後、フィルター応答を継続的に改善するための最後のオプションは、フィルターの前後に RC バッファーを使用することです。 これにより、応答が減衰し、出力電流のリップルが補償されます。 フィルタ回路の伝達関数に別の極が加わる可能性がありますのでご注意ください。 さらに、フロントとリアのバッファ回路には異なる静電容量値が必要な場合があります。 通常、出力側にはわずかに大きなコンデンサを使用して、高周波リップルを完全に低減します。 回路基板組立および回路基板加工メーカーは、回路基板設計のスイッチング電源出力フィルタについて説明します:設計とシミュレーション。
SMPS 回路図を完成させる
上記の例では、SMPS のコンバータ部分のみを示しており、SMPS を適切に動作させるには他の重要な回路ブロックが必要です。 SMPS に必要なその他の部品は、最終的なアプリケーションと、システムに必要な制御または精度のレベルによって異なります。 上記の例では、他の必要な関数をいくつか含めていません。
PWM 生成: 特定の PWM 周波数に対して、出力電圧を特定のレベルに設定するには、PWM ジェネレータを使用して、出力電圧が必要なレベルであることを確認します。 これは、VCO 回路のように単純にすることも、専用の PWM ジェネレータ IC を使用することもできます。
制御ループ: LLC 共振コンバーターなどの一部の電力トポロジでは、コンバーターの出力を測定し、電圧を必要なレベルに維持するために PWM デューティ サイクルまたは周波数を調整する大電流制御ループが必要になります。 基準電圧を備えたオペアンプは、この調整のための最も簡単な方法です。または、MCU を介してデジタルで完了することもできます。 専用のコントローラーチップを使用することもできます。
ユーザー インターフェイス: システムは、ユーザー入力を受け入れ、目的の出力電圧を実現するために必要な PWM デューティ サイクル/周波数を適用する何らかの方法を必要とする場合があります。 最も簡単な方法は、MCU にアプリケーション プログラムを実装することです。
一部の電源コントローラー コンポーネントは、制御ループに配置され、出力電圧を測定し、デジタル インターフェイス (通常は I2C) を介して適用され、MCU によって実装される設定に従って PWM 信号を調整します。 回路基板組立および回路基板加工メーカーは、回路基板設計のスイッチング電源出力フィルタについて説明します:設計とシミュレーション。