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EMC

Filtre anti-ondulation de l'alimentation

Calculez l'atténuation du filtre LC, la fréquence de résonance et la tension d'ondulation de sortie. Concevez des filtres CEM pour l'alimentation électrique afin de rejeter les ondulations.

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Formule

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

Comment ça marche

Le calculateur de filtre ondulatoire de l'alimentation détermine les valeurs des composants LC et l'atténuation pour le filtrage post-régulateur, ce qui est essentiel pour les circuits analogiques sensibles, les ADC de précision et les systèmes RF. Les ingénieurs en intégrité de l'alimentation, les concepteurs de signaux mixtes et les spécialistes EMC utilisent cet outil pour obtenir une ondulation inférieure à 1 mV à partir des alimentations à commutation. Selon la note d'application SLVA630 de TI, un filtre LC à étage unique fournit une atténuation de -40 dB/décennie au-dessus de sa fréquence d'angle f0 = 1/ (2π √ LC), la relation f0 = fsw/10^ (A/40) déterminant la fréquence d'angle requise pour l'atténuation cible A (dB). Pour un SMPS de 500 kHz nécessitant une atténuation de 40 dB, f0 = 50 kHz. Selon Analog Devices MT-101, l'ondulation de sortie comprend des composants capacitifs (ΔVc = ΔIL/ (8 × FSW×C)) et ESR (ΔVESR = ΔIL × ESR). Les céramiques MLCC modernes avec une ESR <10 mΩ rendent la contribution ESR négligeable par rapport à l'ondulation capacitive. L'impédance caractéristique du filtre Z0 = √ (L/C) doit correspondre à l'impédance de charge pour un amortissement optimal ; une impédance mal adaptée provoque un pic de résonance à f0 qui peut amplifier le bruit de 10 à 20 dB. Considération critique : les condensateurs MLCC perdent de 50 à 80 % de leur capacité en cas de polarisation en courant continu. Utilisez toujours des valeurs dégradées dans les calculs des filtres.

Exemple Résolu

Concevez un filtre anti-ondulation pour réduire le bruit SMPS de 500 kHz de 50 mV à <1 mV pour une alimentation de référence ADC 16 bits. Exigences : 3,3 V à 100 mA, Z_load ≈ 33 Ω. Étape 1 : Calculez l'atténuation requise — A = 20 × log10 (50/1) = 34 dB. Utilisez 40 dB pour la marge. Étape 2 : Déterminez la fréquence d'angle — f0 = 500k/10^ (40/40) = 50 kHz. Étape 3 : Calculez le produit LC — LC = 1/ (2π × 50 k) ² = 1,01 × 10^-9 s². Étape 4 : Adapter l'impédance de charge — Pour Z0 = 33 Ω : L/C = 1089, donc L = √ (1089 × 1,01×10^-9) = 33 µH. C = LC/L = 1,01×10^-9/33×10^-6 = 30,6 nF. Étape 5 : Sélection des composants — Utilisez une bobine d'induction de 33 µH (Murata LQH32CN330K, 0,15 Ω DCR) et une céramique C0G de 47 nF (pas de déclassement de polarisation en courant continu). Étape 6 : Ajouter un amortissement — Insérez 10 Ω en série avec 1 µF dans le condensateur principal pour amortir la résonance. Étape 7 : Vérifier — Atténuation du filtre à 500 kHz : 40 + 40 × log10 (500 k/50 k) = 40 + 40 = 80 dB. Ondulation résiduelle = 50 mV/10^ (80/20) = 5 µV. Le bruit de sortie est dominé par le bruit du régulateur et des composants, et non par l'ondulation.

Conseils Pratiques

  • ✓Selon le guide de conception des ADC de précision de TI, utilisez des billes de ferrite (type 600 Ω à 100 MHz) au lieu d'inducteurs pour les fréquences supérieures à 10 MHz. L'impédance résistive de la ferrite fournit un amortissement naturel sans problèmes de résonance
  • ✓Deux étages LC en cascade pour une atténuation supérieure à 60 dB : un étage est limité par l'autorésonance du condensateur (généralement de 1 à 10 MHz pour le MLCC) ; le deuxième étage gère les fréquences supérieures à l'efficacité du premier étage
  • ✓Ajoutez un condensateur C0G de 10 à 100 nF directement sur la broche Vref de l'ADC pour obtenir une dérivation haute fréquence finale que l'inductance du filtre principal empêche d'être efficace

Erreurs Fréquentes

  • ✗Utilisation de condensateurs X5R/X7R sans réduction de polarisation en courant continu : un X5R 10 µF/6,3 V à 3,3 V DC ne conserve que 5 à 6 µF de capacité effective, réduisant de moitié l'atténuation du filtre ; utilisez C0G/NP0 pour les applications de filtration ou multipliez par deux la tension nominale en céramique
  • ✗Ignorer les pics de résonance : le filtre LC non amorti amplifie le bruit de 10 à 20 dB à f0 ; ajoutez toujours une résistance d'amortissement (Rd = 0,5 × Z0 typique) en série avec un condensateur de dérivation plus grand
  • ✗Placer le filtre loin de la charge : l'inductance parasite (10 nH/cm) entre le filtre et la charge permet au bruit haute fréquence de contourner le filtre ; maintenez la distance filtre-charge inférieure à 5 mm

Foire Aux Questions

Conformément aux directives de conception EMC : le filtre anti-ondulation cible une fréquence de commutation SMPS spécifique (100 kHz - 2 MHz) sur le rail de sortie DC, conçu pour une impédance de charge (1 à 100 Ω). Le filtre à émissions conduites cible le bruit à large bande de 150 kHz à 30 MHz sur l'entrée secteur AC, conçu pour une impédance LISN de 50 Ω. Les deux utilisent la topologie LC mais des valeurs de composants différentes. Filtre anti-ondulation : 10-100 µH, 10-100 µF. Filtre EMI : inducteur en mode commun de 0,1 à 10 mH, condensateurs Y de 0,1 à 1 µF, condensateurs X de 1 à 10 µF.
Selon le guide de sélection des inducteurs Murata : le courant continu nominal doit dépasser le courant de charge maximum plus le courant d'ondulation : I_rated > I_load + ΔI_Ripple/2. Le courant de saturation (I_sat) est généralement supérieur de 20 à 40 % à la valeur nominale du courant continu. Exemple : une charge de 100 mA avec une ondulation de 30 mA nécessite un I_rated > 115 mA. Vérifiez également la chute de tension DCR : V_drop = I_load × DCR < 1 % de Vout pour un fonctionnement efficace. Un inducteur de 33 µH avec un DCR de 0,5 Ω chute de 50 mV à 100 mA, ce qui est acceptable pour la plupart des applications.
Selon Analog Devices AN-1144 : un seul condensateur ne fournit qu'une atténuation de -20 dB/décennie (contre -40 dB/décennie pour le LC). Pour une atténuation de 40 dB à 500 kHz avec condensateur uniquement : nécessite fc = 500k/10^ (40/20) = 5 kHz, ce qui est peu pratique pour des valeurs de condensateur raisonnables. De plus, les condensateurs à faible ESR connectés directement à la sortie SMPS peuvent provoquer une instabilité de la boucle de régulation. Le filtre LC offre une meilleure atténuation avec des composants plus petits et maintient la stabilité du SMPS.
Selon TI SLVA630 : le filtre LC résonne à f0 = 1/ (2π √ LC) avec Q = √ (L/C) /R_total. Un Q élevé (faible amortissement) entraîne un gain de 20 à 40 dB à la résonance. Un filtre conçu pour une atténuation de 40 dB peut au contraire amplifier le bruit à f0. Prévention : (1) Ajoutez une résistance d'amortissement Rd = √ (L/C) /2 en série avec un condensateur de dérivation plus grand (10 fois le bouchon du filtre principal), (2) Utilisez une bille de ferrite au lieu d'un inducteur pur — le composant résistif de la ferrite assure un amortissement inhérent, (3) Assurez-vous que la résistance à la charge est proche de Z0 = √ (L/C) pour un amortissement naturel.
Selon la note d'application Keysight 5992-0017EN : (1) Utilisez 10 sondes avec un fil de terre inférieur à 5 cm — les longs fils de terre captent le bruit et créent de fausses lectures, (2) Réglez l'oscilloscope sur le couplage AC, limite de bande passante de 20 MHz (supprime les artefacts de la sonde à haute fréquence), (3) Utilisez la technique « pointe et barillet » : pointe de la sonde en sortie, barillet de masse directement sur le plan du sol, (4) Pour les mesures <1 mV, utilisez le différentiel de sonde (Keysight N2790A) ou analyseur de spectre. Erreur courante : une mesure d'ondulation de 50 mV avec un fil de terre de 10 cm peut en fait être une ondulation de 10 mV + un bruit de boucle de masse de 40 mV.

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