Qual a importância da frequência de auto-ressonância para um indutor quando usado em um SMPS rápido (~ 3MHz)?


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Estou usando o LM2734Z, um regulador de 3 MHz. É muito rápido, o que significa que possui um pequeno indutor.

Uma das coisas que me pergunto é qual a importância da frequência auto-ressonante do indutor? Estou usando-o para aumentar de 4,8V a 20V a 3,3V ± 5%.

Encontrei um indutor de 3.3µH 2A (conforme recomendado pela ficha técnica para 3.3V @ 1A, estou classificando a saída no máximo em 400mA) "SDR0604-3R3ML." Sua frequência auto-ressonante é de 60 MHz, o que parece bem claro de 3 MHz, mas é um múltiplo e estou me perguntando se há harmônicos nela.

Mesmo que este caso seja bom, existe uma regra de ouro para evitar certas frequências ressonantes (ou seja, se elas coincidem?)

Respostas:


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Eu não me preocuparia por duas razões.

Primeiro é um múltiplo, mas 60Mhz é um harmônico par de 3Mhz. A saída do regulador deve ser basicamente uma onda quadrada e as ondas quadradas têm conteúdo em seus harmônicos fundamentais e únicos. Então 3, 9, 15, 21, 27, 33, 39, 45, 51, 57, 63. É claro que uma onda não perfeita terá algum conteúdo harmônico uniforme, mas deve estar bem abaixo de qualquer harmônica ímpar, se for uma boa onda quadrada, estará no chão de barulho. Se estiver em questão, configure seu escopo para realizar uma FFT na saída do regulador e veja como é sua saída em 60Mhz.

Segundo, como mostra a lista acima, você está em um harmônico muito alto a 60mhz. A fonte de comutação teria que emitir uma onda quadrada com tempos de subida / queda muito rápidos para ter muito, se houver algum, conteúdo tão alto. Normalmente, apenas os primeiros 3-6 harmônicos ímpares são o que você precisa se preocupar com uma onda quadrada, dependendo dos tempos de subida / descida. Isso resultaria em uma regra prática teórica de que, enquanto o SRF for de 5 a 10 vezes a sua velocidade de comutação, você estará bem.

EDIT: Decidiu modelar isso para algum grau ...

Circuito de teste, usei os parâmetros do indutor que você vinculou para a indutância, capacitância dispersa, ESR e resistência à derivação. A resistência à derivação muda com base na frequência e é definida na Eqn. Modelei uma tampa cerâmica de 10uF genérica para a tampa do filtro de saída, incluindo ESR e ESL, e escolhi arbitrariamente 1k para a carga. Fazendo uma varredura CA com uma fonte de 1V de 0 a 250Mhz e depois a 1Ghz para espiar a resposta de frequência. A resistência de saída do comutador é um tiro no escuro, mas provavelmente quase certo. texto alternativo

Aqui, estamos fazendo uma varredura sem a tampa do filtro de saída conectada para ver o SRF do modelo do indutor, como esperado em 60Mhz. texto alternativo

Aqui, varremos com a tampa no lugar: texto alternativo

Este é realmente interessante. O que está acontecendo é que, embora o indutor perca suas propriedades de filtragem na SRF, ainda existe um filtro RC formado por Rout, a resistência dos indutores e a tampa de saída. Este filtro é capaz de bloquear um pouco as altas frequências, razão pela qual não vemos uma mudança tão acentuada como vimos apenas com o indutor. No entanto, nessas frequências, o ESL do limite está realmente começando a entrar em jogo, então vemos um nível de saída crescente à medida que a frequência aumenta.

Finalmente, vamos ver como ele aumenta: texto alternativo

A 1 ghz, o indutor é completamente dominado pela capacitância dispersa e a tampa do filtro é dominada pelo ESL, a 10Ghz (não mostrado) é nivelada imediatamente.

É claro que existem várias indutâncias, capacitâncias e variações perdidas (especialmente nas frequências realmente altas) não incluídas neste modelo simples, mas talvez isso ajude como uma representação pictórica do que está acontecendo.

A coisa mais interessante que saiu disso para mim é que a SRF não é uma parede de tijolos. O filtro RC inerente pode atenuar alguns dos efeitos de atingir o SRF.

EDIT2: Mais uma edição, principalmente porque estou usando isso como uma oportunidade para brincar com o circuito sim de Qucs pela primeira vez. Programa legal.

Isso mostra duas coisas. Primeiro, exibindo a resposta de freqüência do circuito em magnitude (em dB, azul) e fase (vermelho), isso mostra mais claramente onde a capacitância / indutância parasita do componente assume. Também mostra uma varredura secundária do ESL do capacitor de saída, mostrando o quanto é importante minimizar isso através da seleção de componentes e do layout da placa de circuito impresso. Sua varredura de 1nH a 101nH em etapas de 10nH. Você pode ver se a indutância total no PCB fica muito alta e você perde quase toda a sua capacidade de filtragem. Isso resultará em problemas de EMI e / ou problemas de ruído. texto alternativo


Ok, então uma regra prática seria evitar frequências ressonantes dentro de 3-6 harmônicos ímpares (frequência de 6 a 12 vezes mais?) E as frequências ressonantes abaixo da frequência operacional? O que acontece na frequência ressonante? Obrigado.
Thomas O

Eu costumo usar 5-10, pois incluo o fundamental como um dos primeiros 3. No exemplo acima, uma onda quadrada perfeita teria 1/29 (29ª harmônica) ou 3,45% da magnitude de 63Mhz em 63Mhz, 3Mhz. Isso é para uma onda quadrada perfeita, com tempos de subida / descida de 0. Na realidade, essa harmônica é provavelmente muito menor porque a taxa de giro do comutador não pode se mover tão rápido, não pode produzir conteúdo em frequências tão altas.
Mark

Quanto ao SRF menor que as suas frequências de comutação. Quando você cruza o SRF, a impedância do indutor volta ao que você esperaria em magnitude, mas assume uma mudança de fase negativa. Ele age como um capacitor que passa por CC. Modo de operação estranho e acho que provavelmente iria estragar a resposta do filtro, embora eu nunca tenha realmente resolvido a matemática nisso.
Mark

Obrigado por suas edições que explicam isso. Muito apreciado.
Thomas O

O conversor real de buck possui capacitância extra no mosfet lateral alto e no diodo de roda livre. Se você tem uma grande área de matriz baixa Rds no mosfet e no diodo schottky e uma baixa indutância, a capacitância extra é muito maior do que a capacitância inerente da bobina. Em outras palavras, a frequência ressonante em seu circuito será muito menor que 60 MHz. Se você executar o buck no DCM, verá isso na forma de oscilações atenuadas. Regimes de comutação TRAP. Essa auto-ressonância não precisa ser uma coisa ruim.
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