طراحی فیلتر تغذیه

در دنیای ایده آل، ولتاژ خروجی منابع تغذیه یک خط صاف و بدون اعوجاج است. اما در واقع اینطور نیست. یکی از مشکلاتی که طراحی منابع تغذیه و طراحی برد های الکترونیکی وجود دارد، وجود نویز است. علی الخصوص در منابع تغذیه سوییچینگ این مشکل بیشتر خود را نشان می‌دهد. نویز ممکن است به بار برسد و به منبع باز گردد و اثرات نامطلوبی ایجاد کند و یا روی عملکرد ماژول های ADC و یا DAC و یا اپ امپ های حساس به نویز تاثیر منفی بگذارد. در میکروپروسسور های با فرکانس کلاک بالا، نویز تغذیه می‌تواند حتی فرکانس کلاک پردازنده را تا 6% کاهش دهد و منجر به بروز مشکلات متعددی شود.

همانطور که از فیلترها برای حذف نویز از سیگنال استفاده می کنیم، می توانیم برای حذف نویز از ولتاژ تغذیه نیز آن ها به کار بگیریم. همچنین در کاربرد هایی که به ولتاژ های ثابت و تمیز نیازمندیم و تغذیه از خارج از مدار تامین می‌شود، می‌توانیم با قرار دادن فیلتر، مناسب بودن تغذیه را تضمین کنیم.

ریپل و نویز

عموما بر روی ولتاژ های تغذیه دو سیگنال ناخواسته دیگر قرار می‌گیرند. سیگنال نویز و ریپل. عامل ایجاد ریپل، ولتاژ پریودیک ورودی به منابع است. همچنین فرکانس سوییچینگ آی سی سوییچینگ نیز می‌تواند منجر به ایجاد ریپل شود. در منابع تغذیه SMPS که در مقاله انواع منابع تغذیه به ساختار آن اشاره شد، این موضوع تقریبا اجتناب ناپذیر است. مهم نیست که تراشه سوییچینگ شما چقدر خوب است، این قسمت در بسیاری مدارات منجر به ایجاد نویز می‌شود.

نویز یک سیگنال با فرکانس بالا است که روی سیگنال ها می‌نشیند. به علل مختلفی می‌تواند به وجود بیاید و در قالب های نویز حرارتی، نویز flicker و یا shot نویز در مدار قرار گیرد.

برای حل مشکل ریپل عموما از رگولاتور ها یا تثبیت کننده های ولتاژ استفاده می‌کنیم. برای رفع نویز از مدارات، قرار دادن فیلتری ساده در ورودی می‌تواند باعث افزایش کیفیت طراحی مدار شود. وجود فیلتر گاهی می‌تواند به بهبود مشکل ریپل نیز کمک بسیاری کند.

طراحی فیلتر پایین گذر LC برای تغذیه مدارات

همانطور که گفته شد نویز ها سیگنال های فرکانس بالایی هستند. در نتیجه برای حذف آن ها از فیلتر پایین گذر(LPF) استفاده می‌کنیم.

شکل زیر یک فیلتر پایین‌گذر LC را نمایش می‌دهد. فرض شده است که تغذیه از خارج از برد تامین می‌شود. طراحی های دیگر با المان های بیشتر یا کمتر نیز می‌تواند فیلتر هایی با مشخصه های دیگری را به دست دهد. در این مقاله به بررسی فیلتر LC و نکات طراحی آن می‌پردازیم. بخش مربوط به فیلتر در مدارات پس از بخش رگولاتور قرار می‌گیرد. پس لازم است افت ولتاژ روی بخش فیلتر بسیار کم باشد.

 

همانطور که می‌دانید، سلف سیگنال ac، و خازن سیگنال DC را عبور نمی‌دهد. فیلتر LC بر همین اساس کار می‌کند. برای انتخاب مقادیر سلف و خازن لازم است فرکانسی که می‌خواهیم حذف شود را بدانیم. با استفاده از اسیلوسکوپ می‌توان نویز و ریپل روی خطوط تغذیه را مشاهده کرد و فرکانس قطع را مطابق رابطه زیر به دست آورد. )در فیلتر های پایین گذر فرکانس های پایین عبور می‌کنند و فرکانس های بالا حذف می‌شوند. در واقع هرچه فرکانس افزایش یابد، دامنه‌ی ولتاژ خروجی کاهش خواهد یافت. فرکانس قطع فرکانسی است که در آن دامنه ولتاژ خروجی 70.7% ولتاژ ورودی است.)

 

درین حالت با توجه به مشخص بودن فرکانس، مقدار LC محاسبه می‌شود. البته انتخاب سلف و خازن نکاتب دارد که باید به آن ها توجه شود. در ادامه به این موضوع پرداخته ایم.

انتخاب سلف مناسب

اندازه سلفی که انتخاب می‌شود باید حدود ده برابر بزرگتر از سایر اندوکتانس های سری با منبع تغذیه باشد. اگر سلف دیگری در منبع وجود نداشته باشد، اندوکتانس ایجاد شده توسط ترک ها و مسیر ها در PCB خواهد بود و باید آن را محاسبه کنیم. یک تقریب نه چندان دقیق می‌توانیم برای محاسبه این اندوکتانس استفاده کنیم. به این حالت که طول کل مسیری که power عبور می‌کند را محاسبه کرده و به ازای هر 1 میلیمتر، 1nH برای سلف در نظر بگیریم. در صورتی که از power plane استفاده شده باشد، می‌توان از اندوکتانس این مسیر ها صرفنظر کرد.

برای مثال فرض کنید در بردی به ابعاد 100mm*100mm طول ترک های استفاده شده در امتداد منبع تغذیه نزدیک به 300mm باشد. با اندکی افزایش (برای تضمین کیفیت) می‌توانیم طول را 500mm در نظر بگیریم. که به این معنی است که اندوکتانس توزیع توان روی این برد چیزی در حدود 500nH می‌باشد. برای اینکه سلف فیلتر منبع تغذیه حدود 10 برابر بزرگتر از این مقدار باشد، یک سلف 10uH با تلرانس 30% را می‌توان قرار داد. دلیل بزرگتر انتخاب کردن ظرفیت سلف این است که این ظرفیت با افزایش جریان عبوری، کاهش می‌یابد. مثلا فرض کنید در این مثال جریان کشیده شده 2.4 آمپر است و با کشیده شدن این جریان، ظرفیت سلف حدود 30% کاهش می‌یابد. اندوکتانس اضافی برای تحمل تلرانس -30% ست.

انتخاب خازن مناسب

خازن های واقعی عموما غیر ایده آل هستند. هر خازن را می‌توان به صورت یک خازن سری با مقاومت و سلف مدل نمود.

 

مقداری از انرژی در خازن به علت وجود همچین مسئله ای به شکل گرما از دست می‌رود. مقاومت سری معادل (ESR: Equivalent series resistance) که به عنوان مقاومت داخلی نیز شناخته می شود، مقداری است که نشان دهنده از دست دادن انرژی مفید در یک مدار الکترونیکی ساده متشکل از یک مقاومت و یک خازن ایده آل است.

اندوکتانس سری معادل (ESL: equivalent series inductance) یک اندوکتانس موثر است که برای توصیف بخش القایی امپدانس خازن استفاده می شود.

در طراحی فیلتر LC، اگر مقدار ESR خازن استفاده شده بالا باشد، منجر به ایجاد رزونانس در مدار شود. برای جلوگیری از ایجاد این موضوع، خازن های OS-CON (aluminum solid capacitor with high conductive polymer) انتخاب مناسبی است. همچنین برای اینکه در فرکانس های بالاتر (به علت افزایش ESR) مدار دچار تشدید نشود، سعی میکنیم مقدار خازن را کوچکتر و سلف را بزرگتر بگیریم.

برای درک بهتر این موضوع به تصویر زیر دقت کنید.

 

همانطور که میبینید، خازن OC-CON فرکانس های بالاتر را با نرخی بیشتر از خازن الکترولیتی آلومینیومی تضعیف می‌کند.

یک مثال

در مثال زیر یک نمونه فیلتر  برای تامین تغذیه دیجیتال طراحی را نشان می‌دهد. در این فیلتر از سلف سری 10 میکرو هانری و خازن موازی 4.7 میکرو فاراد برای فیلتر کردن نویز های فرکانس پایین و خازن موازی 100 نانو فاراد برای فیلتر کردن نویز های فرکانس بالا استفاده شده است.

خلاصه

وجود فیلتر در ورودی مدارات کیفیت و عملکرد مدار را بهبود می‌دهد. یک نمونه فیلتر پر کاربرد که می توانیم در ورودی مدارات از آن استفاده کنیم فیلتر پایین گذر LC است. ابتدا باید بدانیم که چه فرکانس هایی را می‌خواهیم حذف کنیم. سپس با در نظر گرفتن این نکته که ظرفیت سلف باید بیشتر از 10 برابر اندوکتانس های مسیر تغذیه باشد و همچنین اینکه خازن باید کمترین ESL و ESR را داشته باشد، مقادیر سلف و خازن را به دست میآوریم. رعایت نکاتی این چنین کیفیت مدارات طراحی شده را افزایش می‌دهد. در مرکز ذهن دیجیتال طراحی انواع مدارات با کیفیت بسیار بالا و رعایت تمامی ملزومات صورت می‌گیرد.