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EMC

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.

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Fórmula

f0=1/(2π√LC),A=−40⋅log10(f/f0)dBf₀ = 1/(2π√LC), A = −40·log₁₀(f/f₀) dB

Cómo Funciona

La calculadora de filtros ondulados de la fuente de alimentación determina los valores de los componentes LC y la atenuación para el filtrado posterior al regulador, algo esencial para los circuitos analógicos sensibles, los ADC de precisión y los sistemas de RF. Los ingenieros de integridad de la alimentación, los diseñadores de señales mixtas y los especialistas de EMC utilizan esta herramienta para lograr una ondulación de menos de 1 mV en las fuentes de alimentación conmutadas. Según la nota de aplicación SLVA630 de TI, un filtro LC de una sola etapa proporciona una atenuación de -40 dB/década por encima de su frecuencia de esquina f0 = 1/ (2π √LC), y la relación f0 = fsw/10^ (A/40) determina la frecuencia de esquina requerida para la atenuación objetivo A (dB). Para un SMPS de 500 kHz que requiere una atenuación de 40 dB, f0 = 50 kHz. Según el MT-101 de Analog Devices, la ondulación de salida se compone de componentes capacitivos (ΔVc = ΔIL/ (8×FSW×C)) y ESR (ΔVesr = ΔIL × ESR); las modernas cerámicas MLCC con una ESR de <10 mΩ hacen que la contribución de la ESR sea insignificante en comparación con la ondulación capacitiva. La impedancia característica del filtro Z0 = √ (L/C) debe coincidir con la impedancia de carga para una amortiguación óptima; la impedancia no coincidente provoca un pico de resonancia a f0 que puede amplificar el ruido entre 10 y 20 dB. Consideración fundamental: los condensadores MLCC pierden entre un 50 y un 80% de capacitancia con polarización de corriente continua; utilice siempre valores reducidos al calcular los filtros.

Ejemplo Resuelto

Diseñe un filtro de ondulación para reducir el ruido SMPS de 500 kHz de 50 mV a <1 mV para una fuente de referencia ADC de 16 bits. Requisitos: 3,3 V a 100 mA, Z_load ≈ 33 Ω. Paso 1: Calcule la atenuación requerida: A = 20 × log10 (50/1) = 34 dB. Utilice 40 dB para el margen. Paso 2: Determine la frecuencia de esquina: f0 = 500k/10^ (40/40) = 50 kHz. Paso 3: Calcular el producto LC: LC = 1/ (2π × 50 k) ² = 1,01 × 10^-9 s². Paso 4: Hacer coincidir la impedancia de carga: para Z0 = 33 Ω: L/C = 1089, por lo que L = √ (1089 × 1,01 × 10^-9) = 33 µH. C = LC/L = 1,01 × 10 ^ -9/33 × 10 ^ -6 = 30,6 nF. Paso 5: Seleccione los componentes: utilice un inductor de 33 µH (Murata LQH32CN330K, DCR de 0,15 Ω) y un inductor cerámico C0G de 47 nF (sin reducción de polarización de corriente continua). Paso 6: Añada amortiguación: inserte 10 Ω en serie con 1 µF de ancho en el condensador principal para amortiguar la resonancia. Paso 7: Verificación: atenuación del filtro a 500 kHz: 40 + 40 × log10 (500 k/50 k) = 40 + 40 = 80 dB. Ondulación residual = 50 mV/10^ (80/20) = 5 µV. El ruido de salida está dominado por el ruido del regulador y de los componentes, no por las ondulaciones.

Consejos Prácticos

  • ✓Según la guía de diseño de ADC de precisión de TI, utilice perlas de ferrita (de 600 Ω a 100 MHz) en lugar de inductores para frecuencias superiores a 10 MHz; la impedancia resistiva de la ferrita proporciona una amortiguación natural sin problemas de resonancia
  • ✓Dos etapas LC en cascada para una atenuación de más de 60 dB: una etapa limitada por la autorresonancia del condensador (normalmente de 1 a 10 MHz para el MLCC); la segunda etapa maneja frecuencias por encima de la efectividad de la primera etapa
  • ✓Agregue un condensador C0G de 10-100 nF directamente al pin ADC Vref: proporciona una derivación final de alta frecuencia que la inductancia del filtro principal impide que sea efectiva

Errores Comunes

  • ✗Uso de condensadores X5R/X7R sin reducción de polarización de corriente continua: un X5R de 10 µF/6,3 V a 3,3 V CC conserva solo una capacitancia efectiva de 5 a 6 µF, lo que reduce a la mitad la atenuación del filtro; utiliza C0G/NP0 para aplicaciones de filtrado o cerámicas de tensión nominal de 2 veces
  • ✗Ignorar los picos de resonancia: el filtro LC no amortiguado amplifica el ruido de 10 a 20 dB a f0; añada siempre una resistencia de amortiguación (Rd = 0,5 × Z0 típica) en serie con un condensador de derivación más grande
  • ✗Colocación del filtro lejos de la carga: la inductancia parásita (10 nH/cm) entre el filtro y la carga permite que el ruido de alta frecuencia evite el filtro; mantenga una distancia entre el filtro y la carga <5 mm

Preguntas Frecuentes

Según las pautas de diseño de EMC: el filtro Ripple apunta a una frecuencia de conmutación SMPS específica (100 kHz - 2 MHz) en el riel de salida de corriente continua, diseñado para una impedancia de carga (1-100 Ω). El filtro de emisiones conducidas tiene como objetivo un ruido de banda ancha de 150 kHz a 30 MHz en la entrada de corriente alterna, diseñado para una impedancia LISN de 50 Ω. Ambos utilizan topología LC pero valores de componentes diferentes. Filtro de ondulación: 10-100 µH, 10-100 µF. Filtro EMI: obturador en modo común de 0,1-10 mH, condensadores Y de 0,1-1 µF, condensadores X de 1-10 µF.
Según la guía de selección de inductores de Murata: la corriente nominal de corriente continua debe superar la corriente de carga máxima más la corriente de ondulación: I_rated > I_load + ΔI_ripple/2. La corriente de saturación (i_SAT) suele estar entre un 20 y un 40% por encima del valor nominal de corriente continua. Ejemplo: una carga de 100 mA con una ondulación de 30 mA requiere una clasificación I_de > 115 mA. Compruebe también la caída de tensión de la DCR: V_drop = I_load × DCR < 1% de Vout para un funcionamiento eficiente. Un inductor de 33 µH con DCR de 0,5 Ω reduce 50 mV a 100 mA, lo que es aceptable para la mayoría de las aplicaciones.
Según Analog Devices AN-1144: un solo condensador proporciona solo -20 dB/década de atenuación (frente a -40 dB/década de LC). Para una atenuación de 40 dB a 500 kHz únicamente con condensador: se requiere fc = 500 k/10^ (40/20) = 5 kHz, un nivel poco práctico para valores de condensador razonables. Además, los condensadores de baja ESR conectados directamente a la salida SMPS pueden provocar inestabilidad en el bucle de control. El filtro LC proporciona una mejor atenuación con componentes más pequeños y mantiene la estabilidad del SMPS.
Según TI SLVA630: el filtro LC resuena a f0 = 1/ (2π √LC) con Q = √ (L/C) /R_total. Un Q alto (amortiguamiento bajo) produce una ganancia de 20 a 40 dB en el momento de la resonancia; un filtro diseñado para una atenuación de 40 dB puede amplificar el ruido en f0. Prevención: (1) Añada la resistencia de amortiguación Rd = √ (L/C) /2 en serie con un condensador de derivación más grande (10 veces la tapa del filtro principal), (2) utilice un cordón de ferrita en lugar de un inductor puro; el componente resistivo de la ferrita proporciona una amortiguación inherente, (3) Asegúrese de que la resistencia de carga esté cerca de Z0 = √ (L/C) para una amortiguación natural.
Según la nota de aplicación de Keysight 5992-0017EN: (1) Utilice una sonda de 10 × con un cable de tierra de <5 cm: los cables de conexión a tierra largos captan el ruido y crean lecturas falsas, (2) Configure el osciloscopio en un acoplamiento de corriente alterna, límite de ancho de banda de 20 MHz (elimina los artefactos de la sonda de alta frecuencia), (3) Utilice la técnica de punta y cañón: punta de sonda en la salida, cañón de tierra directamente en el plano de tierra, (4) Para mediciones de menos de 1 mV, utilice una sonda diferencial (Keysight N2790A) o analizador de espectro. Error común: la medición de ondulación de 50 mV con un cable de conexión a tierra de 10 cm puede ser en realidad una ondulación de 10 mV más un ruido de bucle de tierra de 40 mV.

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