在快速(〜3MHz)降压SMPS中使用时,电感器的自谐振频率有多重要?


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我正在使用3 MHz降压稳压器LM2734Z。它的速度非常快,这意味着它具有一个小的电感器。

我想知道的一件事是电感器的自谐振频率有多重要?我正在使用它将4.8V至20V降低至3.3V±5%。

我找到了一个3.3µH 2A电感器(按照数据手册中3.3V @ 1A的建议,我将输出额定为最大400mA)“ SDR0604-3R3ML”。它的自谐振频率为60 MHz,似乎与3 MHz完全不同,但是它是一个倍数,我想知道是否有谐波进入?

即使这种情况还可以,是否有经验法则来避免某些共振频率(即,它们是否匹配?)

Answers:


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我不会担心的有两个原因。

首先,它是倍数,但60Mhz是3Mhz的偶次谐波。调节器的输出基本上应该是方波,并且方波在其基波上具有含量,并且只有奇数谐波。3、9、15、21、27、33、39、45、51、57、63方波,它将在本底噪声中。如果有问题,请设置示波器对调节器输出进行FFT,并查看其输出在60Mhz处的样子。

其次,如上面的列表所示,您处于60mhz的高谐波。开关电源必须输出方波,且方波的上升/下降时间非常快,以使任何内容都达到如此高的水平。通常,方波只需要担心前3-6个奇次谐波,具体取决于上升/下降时间。从理论上讲,只要SRF是开关速度的5到10倍,就可以了。

编辑:决定对此模型进行建模...

测试电路中,我使用了您链接的电感中的参数,用于电感,杂散电容,ESR和分流电阻。分流电阻根据频率而变化,并在等式中定义。我为输出滤波器盖(包括ESR和ESL)建模了一个通用的10uF陶瓷盖,并为负载任意选择了1k。使用0V至250Mhz的1V电源进行AC扫描,然后再进行1Ghz的交流扫描,以查看频率响应。开关的输出电阻是在黑暗中拍摄的,但大概是正确的。 替代文字

在这里,我们进行扫频,未连接输出滤波器盖,以查看电感器模型的SRF,如预期的60Mhz。 替代文字

在这里,我们将帽盖扫到位: 替代文字

这实际上很有趣。发生的事情是,即使电感器在SRF处失去了滤波特性,仍然有一个由Rout,电感器电阻和输出电容组成的RC滤波器。该滤波器能够一定程度地阻挡高频,这就是为什么我们看不到仅使用电感器就能看到的急剧变化的原因。但是,在这些频率下,电容的ESL确实开始发挥作用,因此,随着频率的增加,我们看到输出电平正在上升。

最后,让我们看看它是如何增加的: 替代文字

在1 ghz时,电感完全由杂散电容决定,而滤波器盖由ESL主导,在10Ghz(未显示)时,它立即趋于平稳。

当然,这个简单的模型中没有包含大量的杂散电感,电容和变化(尤其是在非常高的频率下),但也许会以图形方式表示正在发生的事情。

对我来说,最有趣的是SRF不是砖墙。固有的RC滤波器可以减轻达到SRF的某些影响。

EDIT2:再进行一次编辑,主要是因为我是以此为契机第一次玩Qucs circuit sim卡。很酷的程序。

这显示了两件事。首先,它以幅值(dB,蓝色)和相位(红色)显示电路的频率响应,从而更清楚地显示出组件的寄生电容/电感接管的位置。它还显示了输出电容器的ESL的二次扫描,显示了通过选择组件和PCB布局将其最小化的重要性。它以1nH的步长从1nH扫描到101nH。您可以看到PCB上的总电感是否很高,您几乎失去了所有滤波功能。这将导致EMI问题和/或噪声问题。 替代文字


好吧,那么经验法则是避免共振频率在3-6个奇次谐波之内(所以6-12x频率?)。低于工作频率的共振频率如何?在共振频率下会发生什么?谢谢。
Thomas O

我通常使用5-10,因为我将基频作为前3个基频之一。在上面的示例中,完美的方波在其63Mhz时具有其基频的1/29(29次谐波)或幅度的3.45%, 3Mhz。那是一个理想的方波,上升/下降时间为0。实际上,此谐波可能小得多,因为切换器的摆率不能快速移动,也不能在高频率下产生内容。
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至于SRF小于您的开关频率。当您跨过SRF时,电感器的阻抗会降到您期望的大小,但会产生负相移。它的作用有点像通过直流的电容器。奇怪的操作模式,尽管我从未对此进行过数学计算,但我认为它可能会影响滤波器的响应。
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感谢您的编辑来解释这一点。非常感激。
Thomas O

真正的降压转换器在高端MOSFET和续流二极管中具有额外的电容。如果mosfet和肖特基二极管上的裸片面积大,Rds低,并且电感低,则该额外电容将远远大于线圈的固有电容。换句话说,电路中的谐振频率将远远低于60 MHz。如果您在DCM中运行降压,则会以阻尼振荡的形式看到这一点。您可以利用此优势与公认的谷底开关或更新的S TRAP切换方式。这种自共振不一定是一件坏事。
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