Filtro de Rizado de Fuente de Alimentación
Calcula la atenuación del filtro LC y el voltaje de rizado de salida para filtrado EMC de fuentes de alimentación.
Fórmula
f₀ = 1/(2π√LC), A = −40·log₁₀(f/f₀) dB
Cómo Funciona
El ruido de conmutación de la fuente de alimentación (ondulación) es una fuente importante de emisiones conducidas. Un filtro LC de paso bajo de una sola etapa proporciona una atenuación de -40 dB/década por encima de su frecuencia de esquina f= 1/ (2π √LC). La frecuencia de esquina requerida para lograr la atenuación A (dB) con una frecuencia de ondulación f es f = f/10^ (A/40). La tensión de ondulación de salida es V_out = V_in × 10^ (A/20). Diseñar f muy por debajo de la frecuencia de conmutación (normalmente f < f_sw/10) garantiza una atenuación adecuada. Es posible que se requieran resistencias de amortiguación para evitar picos de resonancia que puedan amplificar el ruido cerca de f. La impedancia característica Z= √ (L/C) debería coincidir aproximadamente con la impedancia de carga para obtener la mejor amortiguación.
Ejemplo Resuelto
Problema: Un SMPS de 100 kHz produce una ondulación de entrada de 100 mV. Diseñe un filtro LC para reducirlo a menos de 1 mV utilizando valores L y C iguales con una carga de 50 Ω. Solución: 1. Atenuación requerida: A = 20·log( 100/1) = 40 dB 2. F requerido: f = 100.000/10^ (40/40) = 100.000/10 = 10 kHz 3. Producto LC: LC = 1/ (2π × 10 000) ² = 1/ (3,948 × 10) = 2,53 × 10-l14 s² 4. Para Z = 50 Ω: L/C = 2500; L = √ (2500 × 2,53 × 10-1) = √ (6,33 × 10-1) = 795 μH; C = LC/L = 3,18 × 10～/795 × 10± 0,4 μF Resultado: un inductor de 795 μH y un condensador de 0,4 μF proporcionan una frecuencia de esquina de 10 kHz y una atenuación de 40 dB a 100 kHz, lo que reduce la ondulación de 100 mV a ~ 1 mV.
Consejos Prácticos
- ✓Elija un inductor con núcleo de ferrita para el filtro EMI (no un núcleo de aire) para una mejor atenuación de alta frecuencia y un menor riesgo de saturación del núcleo en corriente continua.
- ✓Utilice un filtro π (capacitor-inductor-condensador) para alcanzar −60 dB/década en los casos difíciles en los que una sola etapa LC es insuficiente.
- ✓Coloque el condensador del filtro de salida físicamente cerca de la carga, no cerca del inductor, para minimizar la inductancia parásita de alta frecuencia en la ruta de desacoplamiento.
Errores Comunes
- ✗Uso de condensadores electrolíticos: a más de 100 kHz, su alta ESR reduce drásticamente la atenuación; utilice condensadores cerámicos o de película de baja ESR para el filtro LC.
- ✗Ignorar la resonancia del filtro: un filtro LC ligeramente amortiguado amplifica el ruido a f; añada una pequeña resistencia de amortiguación en serie con un condensador más grande en el condensador del filtro principal.
- ✗Sin tener en cuenta la resistencia de corriente continua del inductor: una DCR alta provoca una caída de voltaje bajo carga; equilibre la DCR con la inductancia para lograr la atenuación de ondulación requerida.
Preguntas Frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre un filtro de ondulación de la fuente de alimentación y un filtro de emisiones conducidas por CISPR?
Un filtro de ondulación apunta a la frecuencia de conmutación y sus armónicos en el riel DC de salida. Se coloca un filtro de emisiones conductivas (filtro de línea) en el lado de la entrada de corriente alterna para suprimir el ruido conectado a la red eléctrica. Ambos son filtros LC, pero están diseñados para diferentes impedancias y rangos de frecuencia.
¿Cómo selecciono la corriente nominal del inductor para el filtro de ondulación?
El inductor debe soportar la corriente de carga máxima más la corriente de ondulación máxima (normalmente del 20 al 30% de la corriente de carga para un SMPS bien diseñado). La subvaloración provoca saturación y pérdida de inductancia, lo que elimina el efecto de filtrado.
¿Puedo usar solo un condensador grande sin un inductor?
Un solo condensador solo proporciona una atenuación de -20 dB/década, no de -40 dB/década. Para requisitos de ondulación ajustados (salida de menos de 10 mV) a frecuencias de conmutación altas, normalmente es necesario un filtro LC o incluso π.
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