¿Qué tan importante es la frecuencia de auto-resonancia para un inductor cuando se usa en un SMPS rápido (~ 3MHz)?


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Estoy usando el LM2734Z, un regulador reductor de 3 MHz. Es realmente rápido, lo que significa que tiene un pequeño inductor.

Una de las cosas que me pregunto es qué tan importante es la frecuencia de auto-resonancia del inductor. Lo estoy usando para subir 4.8V a 20V hasta 3.3V ± 5%.

Encontré un inductor de 3.3µH 2A (según lo recomendado por la hoja de datos para 3.3V @ 1A, estoy clasificando la salida a 400mA como máximo) "SDR0604-3R3ML". Su frecuencia de auto-resonancia es de 60 MHz, que parece estar bien libre de 3 MHz, pero es un múltiplo y me pregunto si entran armónicos.

Incluso si este caso está bien, ¿existe una regla general para evitar ciertas frecuencias de resonancia (es decir, si coinciden?)

Respuestas:


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No me preocuparía por 2 razones.

Primero es un múltiplo pero, 60Mhz es un armónico uniforme de 3Mhz. La salida del regulador debería ser básicamente una onda cuadrada y las ondas cuadradas tienen contenido en sus armónicos fundamentales y solo impares. Entonces 3, 9, 15, 21, 27, 33, 39, 45, 51, 57, 63. Por supuesto, una onda no perfecta tendrá un contenido armónico uniforme, pero debería estar muy por debajo de cualquier armónico impar, si es un buen onda cuadrada, estará en el piso de ruido. Si tiene alguna duda, configure su alcance para hacer una FFT en la salida del regulador y vea cómo se ve su salida a 60Mhz.

Segundo, como muestra la lista anterior, estás en un armónico muy alto a 60mhz. El suministro de conmutación tendría que estar generando una onda cuadrada con tiempos de subida / caída realmente rápidos para tener mucho contenido, si es que hay, algo tan alto. Por lo general, solo los primeros 3-6 armónicos impares son de lo que debe preocuparse con una onda cuadrada, dependiendo de los tiempos de subida / caída. Eso funcionaría según una regla general teórica de que mientras el SRF sea 5-10 veces su velocidad de conmutación, debería estar bien.

EDITAR: Decidí modelar esto, así que en cierto grado ...

Circuito de prueba, utilicé los parámetros del inductor que vinculó para la inductancia, capacitancia parásita, ESR y resistencia de derivación. La resistencia de derivación cambia según la frecuencia y se define en la ecuación. Modelé una tapa de cerámica genérica de 10uF para la tapa del filtro de salida que incluye ESR y ESL y elegí arbitrariamente 1k para la carga. Hacer un barrido de CA con una fuente de 1V de 0 a 250Mhz y luego a 1Ghz para ver la respuesta de frecuencia. La resistencia de salida del conmutador es un disparo en la oscuridad, pero probablemente sea lo correcto. texto alternativo

Aquí estamos haciendo un barrido sin la tapa del filtro de salida conectada para ver el SRF del modelo de inductor, como se esperaba a 60Mhz. texto alternativo

Aquí barremos con la tapa en su lugar: texto alternativo

Este es realmente interesante. Lo que sucede es que, aunque el inductor pierde sus propiedades de filtrado en SRF, todavía hay un filtro RC formado por Rout, la resistencia de los inductores y el límite de salida. Este filtro es capaz de bloquear un poco las altas frecuencias, por lo que no vemos un cambio tan agudo si solo lo vemos con el inductor. Sin embargo, a estas frecuencias, el ESL del límite realmente está comenzando a entrar en juego, por lo que vemos un nivel de salida en aumento a medida que aumenta la frecuencia.

Finalmente veamos cómo aumenta: texto alternativo

A 1 ghz, el inductor está completamente dominado por la capacitancia parásita y la tapa del filtro está dominada por el ESL, a 10 Ghz (no se muestra) se nivela de inmediato.

Por supuesto, hay un montón de inductancias, capacitancias y variaciones parásitas (especialmente en las frecuencias realmente altas) que no se incluyen en este modelo simple, pero tal vez sirva como una representación gráfica de lo que está sucediendo.

Lo más interesante que salió de esto para mí es que SRF no es una pared de ladrillos. El filtro RC inherente puede mitigar algunos de los efectos de golpear el SRF.

EDIT2: Una edición más, principalmente porque estoy usando esto como una oportunidad para jugar con Qucs Circuit Sim por primera vez. Programa genial

Esto muestra 2 cosas. Primero, muestra la respuesta de frecuencia del circuito en magnitud (en dB, azul) y fase (rojo), esto muestra más claramente dónde se hace cargo la capacitancia / inductancia parásita del componente. También muestra un barrido secundario del ESL del condensador de salida que muestra lo importante que es minimizar esto a través de la selección de componentes y el diseño de la PCB. Su barrido de 1nH a 101nH en pasos de 10nH. Puede ver si la inductancia total en la PCB es muy alta y pierde casi toda su capacidad de filtrado. Esto dará lugar a problemas de EMI y / o problemas de ruido. texto alternativo


Bien, entonces, ¿sería una regla general evitar las frecuencias resonantes dentro de 3-6 armónicos impares (por lo tanto, frecuencia 6-12x?) ¿Qué pasa con las frecuencias resonantes por debajo de la frecuencia operativa? ¿Qué sucede a la frecuencia de resonancia? Gracias.
Thomas O

Usualmente uso 5-10 ya que incluyo el fundamental como uno de los primeros 3. En el ejemplo anterior, una onda cuadrada perfecta tendría 1/29 (armónico 29) o 3.45% de la magnitud a 63Mhz que tiene en su fundamental, 3Mhz. Eso es para una onda cuadrada perfecta, con tiempos de subida / caída de 0. En realidad, este armónico es probablemente mucho más pequeño porque la velocidad de rotación del conmutador no puede moverse tan rápido, no puede producir contenido a frecuencias tan altas.
Mark

En cuanto a SRF menos que sus frecuencias de conmutación. Cuando cruza el SRF, la impedancia del inductor vuelve a caer a lo que cabría esperar en magnitud, pero adquiere un cambio de fase negativo. Actúa como un condensador que pasa CC. Modo de operación extraño y creo que probablemente se equivocaría con la respuesta del filtro, aunque en realidad nunca he resuelto las matemáticas al respecto.
Mark

Gracias por tus ediciones que explican esto. Muy apreciado.
Thomas O

El convertidor buck real tiene una capacidad adicional en el lado alto del mosfet y el diodo de rueda libre. Si tiene un área grande de matriz con bajos Rds en el mosfet y el diodo schottky y una baja inductancia, entonces la capacidad adicional es mucho mayor que la capacidad inherente de la bobina. En otras palabras, la frecuencia de resonancia en su circuito será mucho más baja que 60 MHz. Si ejecuta la inversión en DCM, verá esto en forma de oscilaciones amortiguadas. Puede usar esto para aprovechar el cambio de valle aceptado o el S más nuevo. Regímenes de cambio de TRAP.
Autista
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