Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №8
Шрифт:
Как было замечено, все конденсаторы имеют паразитные свойства, которые ограничивают их эффективность. Эквивалентная электрическая схема, описывающая реальный конденсатор, моделирует ESR, ESL, основную емкость плюс некоторое шунтирующее сопротивление (см. рис. 10.33).
Импеданс реального конденсатора на низких частотах почти чисто емкостной. На средних частотах его импеданс определяется значением ESR, например, для ряда типов, около 0.12-0.4 Ома на частоте 125 кГц. На частотах, превышающих значение примерно 1 МГц, этот конденсатор становится индуктивным, в импедансе доминирует эффект ESL. У всех электролитических конденсаторов кривые изменения импеданса близки по форме к изображенной на рис. 10.34. Минимальный импеданс будет
Что касается катушек индуктивности, в фильтрах источников питания очень часто применяются ферриты — непроводящая керамика, производимая из оксидов никеля, цинка, марганца и других соединений (Приложение 9). На низких частотах (меньше 100 кГц), катушки с ферритовыми сердечниками обладают индуктивностью, поэтому они полезны в низкочастотных LC фильтрах. На частотах более 100 кГц импеданс катушки с ферритовым сердечником становится резистивным, что важно для разработки высокочастотных фильтров. Импеданс индуктивностей с ферритовыми сердечниками является функцией материала, диапазона рабочих частот, постоянного тока смещения, числа витков, размера, формы и температуры. В таблице на рис. 10.35 перечислены основные свойства феррита, а на рис. 10.36 показаны характеристики импеданса некоторых дросселей с ферритовыми сердечниками фирмы Fair-Rite .
ФЕРРИТЫ НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ФИЛЬТРОВ
• Ферриты эффективны на частотах выше 25 кГц
• Существуют ферритовые дроссели разных размеров и форм, в том числе в виде резистора с выводами
• Импеданс ферритового дросселя на высоких частотах преимущественно резистивный, что идеально для фильтра ВЧ
• Небольшие потери на постоянном токе: сопротивление провода, проходящего через феррит, очень невелико
• Существуют варианты с большим током насыщения
• Выбор зависит от:
? Источника и частоты помех
? Требуемого на частоте помех сопротивления
? Окружения: температуры, напряженности постоянного и переменного поля, имеющегося свободного места
• Всегда тестируйте проектируемое!
Рис. 10.35
Несколько производителей ферритов предлагают большой выбор ферритовых материалов самой различной формы, (см. Приложение 10 и 11). Наипростейшая форма — бусинка из ферритового материала, ферритовый цилиндр, который просто надевается на вывод питания для развязки. Также имеются ферритовые бусинки с выводами — это та же бусинка, уже установленная на кусочек провода и используемая как компонент (см. Приложение 11). Более сложные бусинки имеют много продольных каналов в цилиндре для улучшения развязки; существуют и другие варианты. Также существуют бусинки с выводами для монтажа на поверхность (SMD).
Для материалов Fair-Rite имеются модели PSpice, с их помощью можно оценить импеданс катушек с ферритовыми сердечниками (см. Приложение 2). Эти модели разработаны в соответствии с реально измеренным, а не теоретическим импедансом.
Полное сопротивление дросселей с ферритовыми сердечниками зависит от нескольких взаимно зависимых переменных и аналитическому расчету поддается с трудом, поэтому трудно напрямую подобрать требуемый феррит. Однако знание следующих характеристик сделает выбор проще. Во-первых, определите диапазон частот шума, который должен фильтроваться. Во-вторых, должен быть известен ожидаемый диапазон температур фильтра, т. к. импеданс дросселей с ферритовыми сердечниками изменяется в зависимости от температуры. В-третьих, должен быть известен максимальный постоянный ток, протекающий через дроссель, чтобы удостовериться, что феррит не войдет в насыщение. Хотя модели и другие аналитические средства могут подтвердить правильность предпосылок, приведенная выше общая последовательность выбора, подкрепленная несколькими экспериментами с реальным фильтром, с подключенной нагрузкой, соответствующей реальным условиям, должна привести к правильному выбору феррита.
При соответствующем выборе
Эксперименты с импульсным источником питания
Для того, чтобы лучше разобраться в проблеме фильтрации ИИП, был проведен ряд экспериментов со следующим устройством: синхронный понижающий импульсный стабилизатор ADP1148 с напряжением на входе 9 В, и напряжением 3.3 В при токе 1 А на выходе.
В добавлении к обычному исследованию формы входных и выходных сигналов, целью этих экспериментов было уменьшить размах выходных пульсаций до уровня меньше 10 мВ — уровня, приемлемого для питания большинства аналоговых схем.
Измерения были сделаны с использованием широкополосного цифрового осциллографа фирмы Tektronix с входной полосой 20 МГц, так что пульсации от импульсного стабилизатора наблюдались очень хорошо. В работающем устройстве пульсации напряжения питания с частотой более 20 МГц лучше всего фильтруются локально на каждом выводе питания ИС при помощи низкоиндуктивного керамического конденсатора и, возможно, последовательно включенного дросселя на ферритовой бусинке.
Для точных измерений пульсаций важно устройство щупа. Был использован стандартный пассивный зонд 1:10 с пружинящим наконечником типа "штыка" для того, чтобы сделать соединение с землей как можно более коротким (см. рис. 10.37). Использование "крокодила" для подобных измерений не рекомендуется, т. к. длинное соединение с землей образует ненужный индуктивный контур, который усиливает высокочастотный шум переключения, нарушая измеряемый сигнал.
Обратите внимание: Схематическое представление соответствующего реального заземления почти невозможно. Во всех последующих схемах соединения с землей выполняются с помощью заземляющей поверхности, используя кратчайший путь, независимо от того, как они обозначены на схеме.
Схема мостового импульсного стабилизатора 9 В —> 3.3 В/1 А на микросхеме ADP1148 показана на рис. 10.38. Форма выходного сигнала понижающего импульсного стабилизатора ADP1148 показана на рис. 10.39. Основная частота переключения около 150 кГц, а выходные пульсации около 40 мВ.
Добавление выходного фильтра, состоящего из катушки индуктивности 50 мкГн и танталового конденсатора 100 мкФ, уменьшает пульсации примерно до 3 мВ, как показано на рис. 10.40.
Последовательно с импульсными стабилизаторами для лучшей стабилизации и понижения шума часто используются линейные стабилизаторы. В этих случаях нужно использовать стабилизаторы с низким падением напряжения (LDO), потому что они требуют только небольшой разницы между входным и выходным напряжением для обеспечения стабилизации. Это уменьшает рассеиваемую мощность в устройстве и может избавить от необходимости использования теплоотвода. На рис. 10.41 показан импульсный понижающий стабилизатор на микросхеме ADP1148, сконфигурированный для работы при напряжении 9 В на входе и 3.75 В при токе 1 А на выходе.