EMC

Filtro de ondulação da fonte de alimentação

Calcule a atenuação do filtro LC, a frequência ressonante e a tensão de ondulação de saída. Projete filtros EMC de fonte de alimentação para rejeição de ondulações.

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Fórmula

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

Como Funciona

A calculadora do filtro de ondulação da fonte de alimentação determina os valores e a atenuação dos componentes LC para a filtragem pós-reguladora — essencial para circuitos analógicos sensíveis, ADCs de precisão e sistemas de RF. Engenheiros de integridade de energia, projetistas de sinais mistos e especialistas da EMC usam essa ferramenta para obter uma ondulação de <1 mV ao comutar fontes de alimentação. De acordo com a nota de aplicação SLVA630 da TI, um filtro LC de estágio único fornece atenuação de -40 dB/década acima de sua frequência de canto f0 = 1/ (2π √LC), com a relação f0 = fsw/10^ (A/40) determinando a frequência de canto necessária para a atenuação alvo A (dB). Para um SMPS de 500 kHz que requer 40 dB de atenuação, f0 = 50 kHz. De acordo com a Analog Devices MT-101, a ondulação de saída compreende componentes capacitivos (ΔVc = ΔIL/ (8 × FSW × C)) e ESR (ΔVesR = ΔIL × ESR) — cerâmicas MLCC modernas com <10 mΩ ESR tornam a contribuição de ESR insignificante versus ondulação capacitiva. A impedância característica do filtro Z0 = √ (L/C) deve corresponder à impedância de carga para um amortecimento ideal; a impedância incompatível causa um pico ressonante em f0 que pode amplificar o ruído em 10-20 dB. Consideração crítica: os capacitores MLCC perdem 50-80% da capacitância na polarização DC - sempre use valores reduzidos nos cálculos do filtro.

Exemplo Resolvido

Projete um filtro de ondulação para reduzir o ruído SMPS de 500 kHz de 50 mV para <1 mV para uma fonte de referência ADC de 16 bits. Requisitos: 3,3 V a 100 mA, Z_load ≈ 33 Ω. Etapa 1: Calcular a atenuação necessária — A = 20 × log10 (50/1) = 34 dB. Use 40 dB como margem. Etapa 2: Determine a frequência do canto — f0 = 500k/10^ (40/40) = 50 kHz. Etapa 3: Calcular o produto LC — LC = 1/ (2π × 50k) ² = 1,01 × 10 ^ -9 s². Etapa 4: Combine a impedância de carga — Para Z0 = 33 Ω: L/C = 1089, então L = √ (1089 × 1,01 × 10 ^ -9) = 33 µH. C = LC/L = 1,01 × 10 ^ -9/33 × 10 ^ -6 = 30,6 nF. Etapa 5: Selecione os componentes - Use indutor de 33 µH (Murata LQH32CN330K, 0,15 Ω DCR) e cerâmica C0G de 47 nF (sem redução de polarização DC). Etapa 6: Adicionar amortecimento — Insira 10 Ω em série com 1 µF no capacitor principal para amortecer a ressonância. Etapa 7: Verificar — Atenuação do filtro em 500 kHz: 40 + 40 × log10 (500k/50k) = 40 + 40 = 80 dB. Ondulação residual = 50 mV/10^ (80/20) = 5 µV. Ruído de saída dominado pelo ruído do regulador e do componente, não pela ondulação.

Dicas Práticas

✓De acordo com o guia de design do ADC de precisão da TI, use esferas de ferrite (600 Ω a 100 MHz) em vez de indutores para frequências acima de 10 MHz — a impedância resistiva da ferrite fornece amortecimento natural sem problemas de ressonância
✓Conecte dois estágios de LC em cascata para atenuação de >60 dB — estágio único limitado pela autorressonância do capacitor (normalmente de 1 a 10 MHz para MLCC); o segundo estágio lida com frequências acima da eficácia do primeiro estágio
✓Adicione um capacitor C0G de 10-100 nF diretamente no pino ADC Vref - fornece um desvio final de alta frequência que a indutância do filtro principal impede de ser eficaz

Erros Comuns

✗Usando capacitores X5R/X7R sem redução de polarização DC — um X5R de 10 µF/6,3 V a 3,3 V DC retém apenas 5-6 µF de capacitância efetiva, reduzindo pela metade a atenuação do filtro; use C0G/NP0 para aplicações de filtro ou cerâmicas de 2 × tensão nominal
✗Ignorando o pico ressonante — o filtro LC não amortecido amplifica o ruído de 10 a 20 dB em f0; sempre adicione um resistor de amortecimento (Rd = 0,5 × Z0 típico) em série com um capacitor de desvio maior
✗Colocar o filtro longe da carga — a indutância parasitária (10 NH/cm) entre o filtro e a carga permite que o ruído de alta frequência ignore o filtro; mantenha a distância entre o filtro e a carga <5 mm

Perguntas Frequentes

Qual é a diferença entre um filtro de ondulação da fonte de alimentação e um filtro de emissões conduzidas pela CISPR?

De acordo com as diretrizes de projeto da EMC: o filtro Ripple tem como alvo a frequência de comutação SMPS específica (100 kHz - 2 MHz) no trilho de saída DC, projetado para impedância de carga (1-100 Ω). O filtro de emissões conduzidas tem como alvo o ruído de banda larga de 150 kHz a 30 MHz na entrada da rede elétrica AC, projetado para impedância LISN de 50 Ω. Ambos usam topologia LC, mas valores de componentes diferentes. Filtro de ondulação: 10-100 µH, 10-100 µF. Filtro EMI: bloqueador de modo comum de 0,1-10 mH, capacitores Y de 0,1-1 µF, capacitores X de 1-10 µF.

Como seleciono a classificação da corrente do indutor para o filtro de ondulação?

De acordo com o guia de seleção de indutores Murata: A corrente nominal DC deve exceder a corrente de carga máxima mais a corrente de ondulação: I_rated > I_load + ΔI_Ripple/2. A corrente de saturação (i_SAT) é normalmente 20-40% acima da classificação DC. Exemplo: uma carga de 100 mA com ondulação de 30 mA requer uma classificação I > 115 mA. Verifique também a queda de tensão do DCR: V_drop = I_load × DCR < 1% de Vout para uma operação eficiente. Um indutor de 33 µH com DCR de 0,5 Ω cai 50 mV a 100 mA — aceitável para a maioria das aplicações.

Posso usar apenas um capacitor grande sem um indutor?

De acordo com dispositivos analógicos AN-1144: Um único capacitor fornece apenas -20 dB/década de atenuação (versus -40 dB/década para LC). Para atenuação de 40 dB a 500 kHz somente com capacitor: requer fc = 500k/10^ (40/20) = 5 kHz — impraticavelmente baixo para valores razoáveis do capacitor. Além disso, capacitores de baixo ESR conectados diretamente à saída SMPS podem causar instabilidade no circuito de controle. O filtro LC fornece melhor atenuação com componentes menores e mantém a estabilidade do SMPS.

O que causa a ressonância do filtro e como faço para evitá-la?

De acordo com TI SLVA630: O filtro LC ressoa em f0 = 1/ (2π √LC) com Q = √ (L/C) /R_total. Q alto (baixo amortecimento) causa ganho de 20-40 dB na ressonância — um filtro projetado para atenuação de 40 dB pode, em vez disso, amplificar o ruído em f0. Prevenção: (1) Adicione o resistor de amortecimento Rd = √ (L/C) /2 em série com um capacitor de desvio maior (10 × tampa do filtro principal), (2) Use talão de ferrite em vez de indutor puro - o componente resistivo da ferrita fornece amortecimento inerente, (3) Garanta que a resistência da carga seja próxima a Z0 = √ (L/C) para amortecimento natural.

Como faço para medir a ondulação da fonte de alimentação?

De acordo com a nota de aplicação 5992-0017EN da Keysight: (1) Use uma sonda de 10 × com cabo de aterramento de <5 cm — cabos de aterramento longos captam ruídos, (2) Defina o osciloscópio para acoplamento AC, limite de largura de banda de 20 MHz (remove artefatos da sonda de alta frequência), (3) Use a técnica de ponta e cilindro: ponta de sonda na saída, cilindro de aterramento diretamente no plano terrestre, (4) Para Medições de <1 mV, use sonda diferencial (Keysight N2790A) ou analisador de espectro. Erro comum: a medição de ondulação de 50 mV com cabo de aterramento de 10 cm pode, na verdade, ser ondulação de 10 mV mais ruído de circuito de aterramento de 40 mV.

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