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EMC

전원 공급 장치 리플 필터

LC 필터 감쇠, 공진 주파수 및 출력 리플 전압을 계산합니다.리플 제거를 위한 전원 공급 장치 EMC 필터를 설계하십시오.

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공식

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

작동 방식

전원 공급 장치 리플 필터 계산기는 민감한 아날로그 회로, 정밀 ADC 및 RF 시스템에 필수적인 포스트 레귤레이터 필터링을 위한 LC 구성 요소 값과 감쇠를 결정합니다.전력 무결성 엔지니어, 혼합 신호 설계자 및 EMC 전문가는 이 도구를 사용하여 스위칭 전원 공급 장치에서 1mV 미만의 리플을 달성합니다.TI 애플리케이션 노트 SLVA630 에 따르면, 단일 스테이지 LC 필터는 코너 주파수 f0 = 1/ (2π√LC) 보다 높은 -40dB/10년 감쇠를 제공하며, f0 = fsw/10^ (A/40) 관계에 따라 목표 감쇠에 필요한 코너 주파수가 결정됩니다.40dB 감쇠가 필요한 500kHz SMPS의 경우 f0 = 50kHz입니다.아날로그 디바이스 MT-101 기준 출력 리플은 용량성 (ΔVc = ΔIL/ (8×FSW×c)) 및 ESR (ΔVESR = ΔIL × ESR) 부품으로 구성됩니다. ESR이 10mΩ 미만인 최신 MLCC 세라믹은 커패시티브 리플에 비해 ESR 기여도가 미미합니다.필터의 특성 임피던스 Z0 = √ (L/C) 는 최적의 댐핑을 위해 부하 임피던스와 일치해야 합니다. 임피던스가 일치하지 않으면 f0에서 공진 피킹이 발생하여 노이즈를 10-20dB까지 증폭할 수 있습니다.중요 고려 사항: MLCC 커패시터는 DC 바이어스에서 50~ 80% 의 커패시턴스를 잃습니다. 필터 계산 시에는 항상 감소된 값을 사용하십시오.

계산 예제

16비트 ADC 레퍼런스 서플라이의 500kHz SMPS 노이즈를 50mV에서 1mV 미만으로 줄이는 리플 필터를 설계하십시오.요구 사항: 100mA에서 3.3V, Z_Load ≈ 33Ω.1단계: 필요한 감쇠량 계산 — A = 20×log10 (50/1) = 34dB.마진으로 40dB를 사용하십시오.2단계: 코너 주파수 결정 — f0 = 500k/10^ (40/40) = 50kHz.3단계: LC 곱 계산 — LC = 1/ (2π×50k) ² = 1.01×10^-9 s².4단계: 부하 임피던스 맞추기 — Z0 = 33Ω: L/C = 1089이므로 L = √ (1089 × 1.01×10^-9) = 33µH입니다.C = LC/L = 1.01×10^-9/33×10^-6 = 30.6 nF.5단계: 부품 선택 — 33µH 인덕터 (무라타 LQH32CN330K, 0.15 Ω DCR) 와 47nF C0G 세라믹 (DC 바이어스 디레이팅 없음) 을 사용하십시오.6단계: 댐핑 추가 — 메인 커패시터 양단에 1µF와 함께 10Ω을 직렬로 삽입하여 공진을 감쇠합니다.7단계: 확인 — 500kHz에서의 필터 감쇠: 40 + 40×log10 (500k/50k) = 40 + 40 = 80dB에서의 필터 감쇠.잔류 리플은 50mV/10^ (80/20) = 5µV입니다.출력 노이즈는 리플이 아닌 레귤레이터 및 컴포넌트 노이즈가 지배합니다.

실용적인 팁

  • ✓TI 정밀 ADC 설계 가이드에 따라 10MHz 이상의 주파수에는 인덕터 대신 페라이트 비드 (100MHz 유형에서 600Ω) 를 사용하십시오. 페라이트의 저항 임피던스는 공진 문제 없이 자연스러운 댐핑을 제공합니다.
  • ✓60dB 이상의 감쇠를 위해 두 개의 LC 스테이지를 캐스케이드합니다. 단일 스테이지는 커패시터 자체 공진 (일반적으로 MLCC의 경우 1~10MHz) 에 의해 제한됩니다. 두 번째 스테이지는 첫 번째 단계의 효율성보다 높은 주파수를 처리합니다.
  • ✓ADC Vref 핀에 10-100nF C0G 커패시터를 직접 추가 — 메인 필터의 인덕턴스가 효과를 발휘하지 못하게 하는 최종 고주파 바이패스를 제공합니다.

흔한 실수

  • ✗DC 바이어스 디레이팅 기능이 없는 X5R/X7R 커패시터 사용 — 3.3V DC에서 10µF/6.3V X5R은 유효 커패시턴스를 5-6µF만 유지하여 필터 감쇠를 절반으로 줄입니다. 필터 애플리케이션 또는 2배 정격 전압 세라믹에는 C0G/NP0을 사용하십시오.
  • ✗공진 피킹 무시 — 댐핑되지 않은 LC 필터는 f0에서 10~20dB의 노이즈를 증폭합니다. 항상 더 큰 바이패스 커패시터와 직렬로 댐핑 저항 (Rd = 0.5×Z0 (일반)) 을 추가합니다.
  • ✗필터를 부하로부터 멀리 떨어진 곳에 배치 — 필터와 부하 사이의 기생 인덕턴스 (10nH/cm) 를 통해 고주파 노이즈가 필터를 우회하여 필터와 부하 간 거리를 5mm 미만으로 유지

자주 묻는 질문

EMC 설계 가이드라인에 따름: 리플 필터는 부하 임피던스 (1~100Ω) 에 맞게 설계된 DC 출력 레일의 특정 SMPS 스위칭 주파수 (100kHz - 2MHz) 를 대상으로 합니다.전도성 방출 필터는 50Ω LISN 임피던스용으로 설계된 AC 주전원 입력의 150kHz - 30MHz 광대역 잡음을 대상으로 합니다.둘 다 LC 토폴로지를 사용하지만 구성 요소 값이 다릅니다.리플 필터: 10-100µH, 10-100µF.EMI 필터: 0.1-10mH 커먼 모드 초크, 0.1-1 µF Y-커패시터, 1-10µF X-커패시터.
Murata 인덕터 선택 가이드에 따름: DC 전류 등급은 최대 부하 전류에 리플 전류를 더한 값을 초과해야 합니다. I_Rated > i_Load + ΔI_Ripple/2.포화 전류 (i_SAT) 는 일반적으로 DC 정격보다 20-40% 높습니다.예: 30mA 리플이 있는 100mA 부하에는 115mA 이상의 I_정격이 필요합니다.또한 DCR 전압 강하를 확인하십시오. V_Drop = i_Load × DCR < Vout의 1% 미만이면 효율적으로 작동할 수 있습니다.0.5Ω DCR을 사용하는 33µH 인덕터는 100mA에서 50mV 강하를 발생시키므로 대부분의 애플리케이션에 적합합니다.
아날로그 디바이스당 AN-1144: 단일 커패시터는 -20dB/디케이드만 감쇠합니다 (LC의 경우 -40dB/디케이드).커패시터만 사용할 경우 500kHz에서 40dB 감쇠의 경우: fc = 500k/10^ (40/20) = 5kHz가 필요합니다. 이는 적절한 커패시터 값으로는 비현실적으로 낮습니다.또한 SMPS 출력에 직접 연결된 낮은 ESR 커패시터는 제어 루프를 불안정하게 만들 수 있습니다.LC 필터는 더 작은 부품에서도 더 나은 감쇠를 제공하고 SMPS 안정성을 유지합니다.
TI SLVA630 기준: LC 필터는 f0 = 1/ (2π√LC) 에서 Q = √ (L/C) /R_Total에서 공진합니다.높은 Q (낮은 댐핑) 는 공진 시 20-40dB 게인을 발생시킵니다. 40dB 감쇠용으로 설계된 필터는 f0에서 노이즈를 증폭시킬 수 있습니다.예방: (1) 더 큰 바이패스 커패시터와 직렬로 댐핑 저항 Rd = √ (L/C) /2를 추가하고 (메인 필터 캡 10배), (2) 순수 인덕터 대신 페라이트 비드를 사용하십시오. (3) 자연 댐핑을 위해 부하 저항이 Z0 = √ (L/C) 에 가까운지 확인하십시오.
키사이트 애플리케이션 노트 5992-0017EN 기준: (1) 5cm 미만의 접지 리드가 있는 10× 프로브 사용 — 긴 접지 리드가 노이즈를 포착하여 잘못된 판독값을 생성합니다. (2) 오실로스코프를 AC 커플링으로 설정, 20MHz 대역폭 제한 (고주파 프로브 아티팩트 제거), (3) 팁 앤 배럴 기법 사용: 출력에 프로브 팁, 접지면에 직접 접지 배럴, (4) 1mV 미만의 경우 측정하려면 디퍼런셜 프로브 (키사이트 N2790A) 또는 스펙트럼 분석기를 사용하십시오.일반적인 오류: 10cm 접지 리드를 사용한 50mV 리플 측정은 실제로 10mV 리플+40mV 접지 루프 노이즈일 수 있습니다.

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