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Filtro de Ripple de Fonte de Alimentação

Calcula a atenuação do filtro LC e a tensão de ripple de saída para filtragem CEM de fontes de alimentação.

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Fórmula

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

Como Funciona

O ruído de comutação da fonte de alimentação (ondulação) é a principal fonte de emissões conduzidas. Um filtro passa-baixa LC de estágio único fornece atenuação de −40 dB/década acima de sua frequência de canto f․ = 1/ (2π √LC). A frequência de canto necessária para atingir a atenuação A (dB) na frequência de ondulação f é f․ = f/ 10^ (A/40). A tensão de ondulação de saída é V_out = V_in × 10^ (A/20). Projetar f․ bem abaixo da frequência de comutação (normalmente f․ < f_sw/10) garante uma atenuação adequada. Podem ser necessários resistores de amortecimento para evitar picos ressonantes que podem amplificar o ruído próximo a f․. A impedância característica Z․ = √ (L/C) deve corresponder aproximadamente à impedância da carga para melhor amortecimento.

Exemplo Resolvido

Problema: Um SMPS de 100 kHz produz uma ondulação de entrada de 100 mV. Projete um filtro LC para reduzir isso para menos de 1 mV usando valores iguais de L e C com uma carga de 50 Ω.
Solução:
1. Atenuação requerida: A = 20·log․ ․ (100/1) = 40 dB
2. Necessário f․: f․ = 100.000/10^ (40/40) = 100.000/10 = 10 kHz
3. Produto LC: LC = 1/ (2π × 10.000) ² = 1/ (3,948×10․) = 2,53×10˚¹ s²
4. Para Z= 50 Ω: L/C = 2500; L = √ (2500 × 2,53 × 10․) = √ (6,33 × 10․) = 795 μH; C = LC/L = 3,18 × 10/795 × 10․ = 0,4 μF
Resultado: Um indutor de 795 μH e um capacitor de 0,4 μF fornecem uma frequência de canto de 10 kHz e atenuação de 40 dB a 100 kHz, reduzindo a ondulação de 100 mV para ≈1 mV.

Dicas Práticas

  • ✓Escolha um indutor de núcleo de ferrite para o filtro EMI (não um núcleo de ar) para melhor atenuação de alta frequência e menor risco de saturação do núcleo em corrente contínua.
  • ✓Use um filtro π (capacitor—indutor—capacitor) para atingir −60 dB/década em casos difíceis em que um único estágio de LC é insuficiente.
  • ✓Coloque o capacitor do filtro de saída fisicamente próximo à carga, não próximo ao indutor, para minimizar a indutância parasitária de alta frequência no caminho de desacoplamento.

Erros Comuns

  • ✗Usando capacitores eletrolíticos — a mais de 100 kHz, seu alto ESR reduz drasticamente a atenuação; use capacitores cerâmicos ou de filme de baixo ESR para o filtro LC.
  • ✗Ignorando a ressonância do filtro — um filtro LC levemente amortecido amplifica o ruído em f; adicione um pequeno resistor de amortecimento em série com um capacitor maior no capacitor do filtro principal.
  • ✗Negligenciando a resistência DC do indutor — o alto DCR causa queda de tensão sob carga; equilibre o DCR com a indutância para a atenuação de ondulação necessária.

Perguntas Frequentes

Um filtro de ondulação tem como alvo a frequência de comutação e seus harmônicos no trilho DC de saída. Um filtro de emissões conduzidas (filtro de linha) é colocado no lado da entrada CA para suprimir o ruído acoplado de volta à rede elétrica. Ambos são filtros LC, mas projetados para diferentes impedâncias e faixas de frequência.
O indutor deve lidar com a corrente de carga máxima mais a corrente de ondulação de pico (normalmente 20— 30% da corrente de carga para SMPS bem projetados). A subclassificação causa saturação e perda de indutância, o que remove o efeito de filtragem.
Um único capacitor fornece apenas −20 dB/década de atenuação, não −40 dB/década. Para requisitos de ondulação restritos (saída < 10 mV) em altas frequências de comutação, geralmente é necessário um filtro LC ou mesmo π.

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