Het ontwerpen van SMPS (Switched Mode Power Supply ofwel schakelende voedingen) wordt steeds minder gebruikelijk nu modules met geïntegreerde spoelen steeds beter en kleiner worden. Wie zijn eigen SMPS-ontwerpen maakt, moet rekening houden met kosten, ruimte en EMC. In deze korte reeks artikelen willen we je enkele richtlijnen geven over verschillende aspecten van buck, boost en buck/boost SMPS-ontwerpen, zodat je er zonder problemen een kunt kiezen, ontwikkelen en integreren in je ontwerpen.
Deel 2: de belangrijkste componenten dimensioneren
Deel 1 gemist? Geen probleem, hier is de link.
Ingangsfilter
Het ingangsfilter houdt ruis van de SMPS tegen en levert een laagohmige buffer voor de SMPS om op te werken. Normaal gesproken zit er een element van inductie en capaciteit in het ingangsfilter. Als je dit filter ontwerpt, hou er dan rekening mee dat de impedantie die op de ingang van de SMPS ervaren wordt laag genoeg is vanaf DC tot minstens 5 maal de schakelfrequentie van de SMPS. Het is de moeite waard om dit te controleren aan de hand van een simulatie.
Let op: wees voorzichtig bij het gebruik van seriespoelen: ze resoneren met de ingangscondensator(en). Dit veroorzaakt een impedantiepiek bij frequenties rond de kantelfrequentie van de regellus van de SMPS, wat instabiliteit van de regelaar kan veroorzaken.
Ferrietkralen zijn praktisch, maar kunnen een aanzienlijke inductie en weerstand hebben bij relatief lage frequenties.
Het toevoegen van een kleine (RF) condensator aan het ingangsfilter kan een weg hoge frequenties faciliteren binnen het PCB-ontwerp. Daarover later meer.
Uitgangsspoel
Zorg ervoor dat de som van de gelijkstroom en rimpelstroom nooit de volledig afgewaardeerde verzadigingsstroom van de spoel overschrijdt. De spoel moet ook voldoen aan de eisen voor gelijkstroom. Controleer ook of de SRF (Self Resonant Frequency) van de spoel voldoende boven de schakelfrequentie van je SMPS ligt.
Over het algemeen zal een hogere inductie minder rimpelstroom produceren en continugeleiding in de hand werken, wat goede eigenschappen zijn voor efficiëntie en EMC-prestaties. Een hogere inductie betekent over het algemeen grotere afmetingen, hogere kosten en/of een hogere ESR (Equivalent Series Resistance). Probeer voor ontwerpen die een hoog rendement vereisen een goede balans te vinden tussen de inductie en de ESR.
Om EMC-problemen te voorkomen is het slim om afgeschermde of op zijn minst half afgeschermde spoelen te gebruiken. Onthoud dat de afscherming van de spoel niet perfect is en dat zelfs afgeschermde spoelen een magnetisch strooiveld hebben. Het dichtstbijzijnde slachtoffer van dit veld is meestal de printplaat.
Uitgangscondensator
Lees zorgvuldig de datasheet van de SMPS-regelaar voor de eisen aan de uitgangscondensator. De meeste regelaars hebben een minimale uitgangscapaciteit nodig voor een stabiele werking, sommigen vereisen ook een minimale ESR aan hun uitgang. Keramische SMD-condensatoren hebben last van het DC bias-effect: de effectieve capaciteit vermindert met toenemende spanning over de condensator. Neem dit effect en de tolerantie op de waarde van de condensator mee in de berekeningen van de minimale capaciteit.
Kijk ook of de SMPS-regelaar een maximale capacitieve belasting heeft. Omdat deze eis te maken heeft met de stabiliteit van de regellus, moeten alle condensatoren op de printplaat die op de uitgang zijn aangesloten, worden meegenomen in de berekening van de maximale capacitieve belasting, niet alleen die dicht bij de regelaar. Een ferrietkraal isoleert meestal geen grote condensatoren uit de voedingslijn.
TIP: zorg ervoor dat de uitgangscondensator een voldoende lage impedantie heeft vanaf ongeveer 1/20e van de schakelfrequentie van de regelaar tot 5 keer de hoogste schakelfrequentie van de belasting. Deze impedantie moet lokaal bij de regelaar worden geplaatst, omdat de andere condensatoren op de PCB die op de uitgang zijn aangesloten niet bijdragen aan de hoogfrequente ontkoppeling van de SMPS zelf.
Het loont de moeite om de uitgangscapaciteit te simuleren om dit te garanderen. Hou ook rekening met de inductie van de sporen naar de condensatoren, aangezien dit de impedantie van de uitgangscondensator bij verschillende frequenties aanzienlijk beïnvloedt.
Algemene richtlijnen
- Doe je wiskundehuiswerk. Met zoveel gratis beschikbare reken- en simulatietools, is er geen excuus om de filters niet op zijn minst te simuleren. (Mijn persoonlijke favorieten? Micro-Cap, de Saturn PCB Toolkit en Excel.) Het opnemen van ESL, ESR, capaciteitsafwaardering en de inductie van sporen kan je verrassende resultaten en inzichten opleveren.
- Over het algemeen betekent een spoel met een hogere waarde minder rimpelstroom en daardoor een lagere rimpelspanning op de SMPS-uitgang, net als een hogere uitgangscapaciteit.