Wie wichtig ist die Eigenresonanzfrequenz für einen Induktor bei Verwendung in einem schnellen (~ 3 MHz) Buck-SMPS?

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Ich verwende den LM2734Z, einen 3-MHz-Abwärtsregler. Es ist sehr schnell, was bedeutet, dass es einen kleinen Induktor hat.

Ich frage mich unter anderem, wie wichtig die Eigenresonanzfrequenz des Induktors ist. Ich verwende es, um 4,8 V bis 20 V auf 3,3 V ± 5% herunterzusteigen.

Ich habe eine Induktivität mit 3,3 µH 2A gefunden (wie im Datenblatt für 3,3 V bei 1A empfohlen, ich bewerte den Ausgang mit maximal 400 mA) "SDR0604-3R3ML". Die Eigenresonanzfrequenz liegt bei 60 MHz, was 3 MHz deutlich auszumachen scheint, aber es handelt sich um ein Vielfaches, und ich frage mich, ob Harmonische auftreten?

Auch wenn dieser Fall in Ordnung ist, gibt es eine Faustregel zum Vermeiden bestimmter Resonanzfrequenzen (dh wenn sie übereinstimmen?)

Thomas O.
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Antworten:

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Ich würde mir aus zwei Gründen keine Sorgen machen.

Zunächst ist es ein Vielfaches, aber 60 MHz ist eine gerade Harmonische von 3 MHz. Der Ausgang des Reglers sollte im Grunde genommen eine Rechteckwelle sein, und Rechteckwellen haben einen Gehalt an ihren fundamentalen und nur ungeraden Harmonischen. Also 3, 9, 15, 21, 27, 33, 39, 45, 51, 57, 63. Natürlich hat eine nicht perfekte Welle einen Gehalt an geraden Harmonischen, aber sie sollte deutlich unter allen ungeraden Harmonischen liegen, wenn es eine gute ist Rechteckwelle, es wird im Grundrauschen sein. Richten Sie bei Bedarf Ihr Oszilloskop so ein, dass am Reglerausgang eine FFT ausgeführt wird, und prüfen Sie, wie der Ausgang bei 60 MHz aussieht.

Zweitens, wie die obige Liste zeigt, sind Sie bei 60 MHz auf einer sehr hohen Harmonischen. Das Schaltnetzteil müsste eine Rechteckwelle mit sehr schnellen Anstiegs- / Abfallzeiten ausgeben, um möglichst viel Inhalt zu haben. Normalerweise müssen Sie sich bei einer Rechteckwelle abhängig von den Anstiegs- / Abfallzeiten nur um die ersten 3 bis 6 ungeraden Harmonischen kümmern. Das würde nach einer theoretischen Faustregel funktionieren: Solange die SRF das 5- bis 10-fache Ihrer Schaltgeschwindigkeit beträgt, sollten Sie in Ordnung sein.

EDIT: Beschlossen, dies so einigermaßen zu modellieren ...

Testschaltung, ich habe die Parameter der von Ihnen verknüpften Induktivität für Induktivität, Streukapazität, ESR und Nebenschlusswiderstand verwendet. Der Nebenschlusswiderstand ändert sich abhängig von der Frequenz und ist in Gl. Ich modellierte eine generische 10uF-Keramikkappe für die Ausgangsfilterkappe einschließlich ESR und ESL und wählte willkürlich 1k für die Last. Durchführen eines Wechselstrom-Sweeps mit einer 1-V-Quelle von 0 bis 250 MHz und später von 1 GHz, um den Frequenzgang zu untersuchen. Der Ausgangswiderstand des Umschalters ist ein Schuss im Dunkeln, aber wahrscheinlich ungefähr richtig. Alt-Text

Hier machen wir einen Sweep, ohne dass die Ausgangsfilterkappe angebracht ist, um die SRF des Induktormodells zu sehen, wie bei 60 MHz erwartet. Alt-Text

Hier kehren wir mit aufgesetzter Kappe: Alt-Text

Dieser ist eigentlich interessant. Was passiert, ist, dass, obwohl der Induktor seine Filtereigenschaften bei SRF verliert, immer noch ein RC-Filter aus Rout, dem Widerstand des Induktors und der Ausgangskappe besteht. Dieser Filter ist in der Lage, die hohen Frequenzen etwas zu blockieren, weshalb wir eine Änderung nicht so scharf sehen, wie wir sie nur mit dem Induktor gesehen haben. Bei diesen Frequenzen beginnt jedoch die ESL der Obergrenze tatsächlich ins Spiel zu kommen, sodass wir mit zunehmender Frequenz einen steigenden Ausgangspegel sehen.

Schließlich wollen wir sehen, wie es zunimmt: Alt-Text

Bei 1 GHz wird die Induktivität vollständig von der Streukapazität und die Filterkappe von der ESL dominiert, bei 10 GHz (nicht gezeigt) pegelt sie sich sofort ein.

Natürlich gibt es eine Reihe von Streuinduktivitäten, Kapazitäten und Variationen (vor allem bei den wirklich hohen Frequenzen), die in diesem einfachen Modell nicht enthalten sind, aber vielleicht hilft es als bildliche Darstellung dessen, was passiert.

Das Interessanteste, was dabei herauskam, war, dass SRF keine Ziegelmauer ist. Der inhärente RC-Filter kann einige der Auswirkungen des Treffers auf die SRF abschwächen.

EDIT2: Eine weitere Bearbeitung, hauptsächlich, weil ich dies als Gelegenheit nutze, um zum ersten Mal mit Qucs Circuit Sim zu spielen. Cooles Programm.

Dies zeigt 2 Dinge. Zunächst wird der Frequenzgang der Schaltung in Größe (in dB, Blau) und Phase (Rot) angezeigt. Dies zeigt deutlicher, wo die parasitäre Kapazität / Induktivität des Bauteils anliegt. Es zeigt auch einen sekundären Sweep des ESL des Ausgangskondensators, der zeigt, wie wichtig es ist, dies durch Auswahl der Komponenten und PCB-Layout zu minimieren. Sein Sweep von 1nH auf 101nH in Schritten von 10nH. Wenn Sie feststellen, dass die Gesamtinduktivität auf der Leiterplatte sehr hoch ist, verlieren Sie fast Ihre gesamte Filterfähigkeit. Dies führt zu EMI-Problemen und / oder Lärmproblemen. Alt-Text

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Okay, also wäre eine Faustregel, Resonanzfrequenzen innerhalb von 3-6 ungeraden Harmonischen (also 6-12x Frequenz?) Zu vermeiden. Was ist mit Resonanzfrequenzen unterhalb der Betriebsfrequenz? Was passiert bei der Resonanzfrequenz? Vielen Dank.
Thomas O
Normalerweise benutze ich 5-10, da ich die Grundwelle als eine der ersten 3 einbeziehe. Im obigen Beispiel hätte eine perfekte Rechteckwelle 1/29 (29. Harmonische) oder 3,45% der Größe bei 63 MHz, die sie bei ihrer Grundwelle hat. 3 Mhz. Das ist für eine perfekte Rechteckwelle mit Anstiegs- / Abfallzeiten von 0. In Wirklichkeit ist diese Harmonische wahrscheinlich viel kleiner, weil sich die Anstiegsgeschwindigkeit des Umschalters nicht so schnell bewegen kann und keine Inhalte bei so hohen Frequenzen erzeugt.
Mark
Bezüglich SRF weniger als Ihre Schaltfrequenzen. Wenn Sie die SRF kreuzen, fällt die Impedanz der Induktivität auf die erwartete Größe zurück, nimmt jedoch eine negative Phasenverschiebung an. Es verhält sich wie ein Kondensator, der Gleichstrom durchlässt. Seltsame Arbeitsweise und ich denke, es würde wahrscheinlich mit der Filterantwort schrauben, obwohl ich nie wirklich die Mathematik darauf herausgefunden habe.
Mark
Vielen Dank für Ihre Bearbeitung. Sehr geschätzt.
Thomas O
Der echte Abwärtswandler hat eine zusätzliche Kapazität im High-Side-Mosfet und in der Freilaufdiode. Wenn Sie eine große Chipfläche mit niedrigem Rds-Wert für Mosfet und Schottky-Diode und einer geringen Induktivität haben, ist die zusätzliche Kapazität viel größer als die inhärente Kapazität der Spule. Mit anderen Worten, die Resonanzfrequenz in Ihrem Schaltkreis ist viel niedriger als 60 MHz. Wenn Sie den Buck in DCM betreiben, sehen Sie dies in Form von gedämpften Oszillationen. Sie können dies zum Vorteil mit dem akzeptierten Talschalter oder dem neueren S verwenden TRAP-Schaltzustände. Diese Eigenresonanz muss keine schlechte Sache sein.
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