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2017年1月

2017年1月26日 (木)

N-MOS Inrush Current Limiter

10000uFのキャパシタを200mA以下で充電できるといいなぁとおもいました。

CCSでの制御方法以外で......

突入電流制限はNTCやインダクタを介すと緩和できますが特性が緩いと思います。

下図で突入電流を制限できる対策を試みました。

電解コンデンサのESRを100mΩ位と仮定するとN-MOSの1.6mΩは無視できると思います。

20170126_222455

VgをInrush対策した時のVgs vs Drain Currentです。

入力電圧は3.3Vから24Vまで スパイクが皆無で10000uFをチャージできました。

20170126_222709

200mA に拘ったのは、以下のDC/DCコンバータの出力に10000uFをぶら下げたいと
考えたからです。

DC/DC Converterの電流制限から接続できるキャパシタは仕様に記されています。

下図のDC/DCは100uF max.ですが.......10000uFも大丈夫という結果になりました。

突入電流制限ができると仕様のキャパシタ容量の呪縛から解放されます。

20170126_222602

2017年1月24日 (火)

突入電流制限可能なHigh Side P-Ch MOSFET Switch

負荷スイッチとしてのMOS FETはN-Ch,P-Chともに使用できますが
ハイサイドでスイッチする時はP-Ch MOSFETが簡単な回路ですみます。
同じチップ・サイズだとN-Ch MOS FETのほうがRdsは小さいですが
ハイサイドで使用する時はVgsとして入力電源以上の電圧が必要になります。

メーカー製品はチャージポンプ回路を実装して実現しています。
*
オーソドックなP-Ch MOS FET スイッチ回路です。
この回路でP-Ch MOS FETのゲート電圧をコントロールして突入電流を抑える実験です。

20170124_223105

試験条件

出力負荷:10000uF

入力電源:Agilent E3631A 6V−5Amax.

上図回路の出力電圧の立上り時間(緑)とラッシュ・カーレント(黄色)です。

水平軸は5mS/div.

10000uFを充電するのに15mS程要しています。

C1_none1

突入電流を観測するために水平軸を50 uS/div.に拡大します。

カーレント・プローブはDIYしたもので直流成分は読めませんのでピーク値で相対比較します。

短い時間ですが大きな突入電流が観測されました。

C1_none2

突入電流対策をした波形です。
黄色が突入電流で上図と比較するとピーク値は大幅に改善されました。
縦軸のスケールは同じです。
水平軸:2mS/div.

C122uf1

出力電圧が入力電圧と同じになるまでの時間は40 mSで
ゲートでの遅延回路はうまく動作しているようです。
水平軸:10mS/div.

C122uf2

実験風景

Active Inrush Current LimitingによるHigh Side Load Switch 

Test_circuit1_2

2017年1月22日 (日)

Murata BNX016-1 DIY PCB

Murata BNX016-1はLC Block TypeのEMI Filterです。

優れた性能を持っていますが

実装に気を使ってあげないと性能を引き出す事ができません。

両面銅箔基板をカッターで加工して作り、スペクトラムを観測してみました。

下図のInsertion Lossのデータは入出力インピーダンスが

50Ω系統で測定されていますので相対的な目安と考えた方が良いと思います。

この手の部品はこのデータに限らず全て50Ω系統で測定されています。

エンド・ユーザーの使用する入出力インピーダンスはまちまちなので

統一をはかる上での基準だそうです。

20170121_215528_2

下図のように加工してみました。BNX016のピッチは2.5mmですが2.54mmピッチの
ユニバーサル基板をテンプレートにしてφ1ドリルで穴あけすると簡単です。

部品面は実装前の写真を取り忘れたので補足しますが

部品面でPSG,B,CBはザグってグランド・プレーンから浮かしています。

部品面ではBNXのシールド板をベタアースに半田付けします。

20170121_214143

Analog Discoveryでのスペクトラム観測結果です。

AC-DC Converter:GF-12-US0618    6V-1.8A

Electric Dummy Load:1A

40KHz以下のスイッチング・ノイズはスルーされています。

これはBNX016-1の下限限度のように見えます。

200KHz以上はよく減衰していて小粒ながら随分と威力がありました。

20170121_222529


BNX016-1の機能説明と等価回路です。

PSGとCGはグランドですがL2でアイソレートされています。

この箇所が肝です、GNDだからといって、はしょって短絡してはいけません。

BとPSGに入力されたノイズはL1,C1,L2で吸収されます。

吸収されるノイズが浮遊容量で出力にカップリングしないようにC1の下部にはシールドが施されています。

このシールドをベタ・アースでインピーダンスを低く抑える事で性能を発揮できると考えています。
という理由から単線の配線ではノイズ減衰は期待できないと考えます。
L1,L2,L3はフェライトでフェライトに銅線を通してインダクタンスを発生させています。

インダクタとキャパシタを100KHzで実測した結果がオレンジ色です。
CBは半田面で貫通コンデンサ構造になっていました。

20170121_213349

冒頭のDIY PCBを見本に製作すると1時間もあれば完成します。

あとは Analog Discoveryでノイズ除去特性の塩梅を愉しんで下さい。

勿論、オシロスコープでも効果を確認できます。

プロービングに気をつけて下さい....

今回は下図のようなセット・アップで測定しました。
DC Plug & Jackの実装は抜き差しが簡単で便利でした。

20170121_234929

2017年1月21日 (土)

LC Low Pass Filter for AC-DC Convertor

先のEMI Input Filtersは1MHz以上のノイズ除去を主眼においての結果でしたが

10KHz以下をなんとかできないかと考えました。

下図のような特性のLow Pass Filterを創ってみました。

20170121_001125

AC-DC(6V・1.8A) Converterに負荷電流1Aを流した時のノイズは青色です。

前回のEMI Input Filterでは10KHz以下は入力のノイズがスルーで

出力ノイズはほぼ青色カーブと同じでした。

今回のLPFを通した時のノイズは赤色で10KH以下が改善されました。

20170121_001416

50KHz~50MHzのノイズ減衰も佳いと思います。

20170121_001329

実験したLow Pass Filter基板です。

L=92mH at10KHz、DCR=75mΩ (実測値)、日立金属・ナノ結晶軟磁性材料「ファインメット」

C=10000uF/16V(公称値)

インダクタンスとキャパシタンスがとてもビッグ!です。

20170121_000911

2017年1月20日 (金)

EMI Input Filters

AC-DC Switching Converterの出力ノイズを低減させる事ができました。

20170119_235340

AC入力100V、DC出力6V 1.8AのAC-DCコンバータに電子負荷装置で

1Aを通電した時のノイズ・スペクトラムです。

10KHz以上のノイズが減少している事を確認できました。

Blue:Switching Regulator Noise

Red:EMI Filter Block Output Noise

20170119_235938

2017年1月19日 (木)

Measurement and Filtering of Output Noise of DC-DC Converters

Crane Aerospace & ElectronicsのInterpointブランドに

DC-DC Converterを使用する上でとても有意義で詳細な

表題のApplication Noteがありました。

『Interpoint インターポイント』はCRANE社の
航空機搭載機器向け等の高信頼性DC-DCコンバータ電源等を供給しています。

Application Note(18page)を邦訳しました。

といえば格好は良いのですが、大半はGoogle翻訳に頼っています。

内容を吟味(修正)、コメントして頂ける方はプロフィールのメアドへ連絡して頂ければ

pdfファイル(7.3Mbyte)をお送りしますので宜しくお願いいたします。

大変に役に立つと考えますので充実したときには
Crane社の日本代理店とコンタクトをして邦訳版を公開できれば佳いなぁと思っています。

最初のクレジットにはInterpoint製品専用とあります、しかし

DC-DC Converterのノイズ測定と除去に関してのセオリーは普遍的ですので
問題無く応用できる内容だと思います。

実践と理論のノウ・ハウが詳細に報告されていて

ご自身の力量で経験(理解不足)した後に熟読すると

DC-DC Converterのノイズの仕組みがより良く理解できノイズ対策が
できるようになると思います。と、自分の事を言っています。

20170118_235453

20170119_014129

2017年1月14日 (土)

Quiet switching regulator(MIWI06-24D15)+TPS7Axxxx

正電圧可変レギュレータのTPS7A4700と負電圧可変レギュレータのTPS7A3301で

+/-12Vの両極性にしました。

20170114_105610

MIWI06-24D15の+/-15V出力に接続してAnalog Discoveryでノイズ・スペクトラムの確認です。
Analog Discoveryの測定限界からわずかな高調波が観測されているだけです。

20170114_130811

DC/DC ConverterにEMI対策をしましたが輻射ノイズの影響を確認するために

MIWI06-24D15基板の出力からTPS7Axxxx基板まで1m長のAWG24を3本

撚らないで並行に接続して
電源ラインとグランドがループアンテナのようにしてみましたが
スペクトラムに顕著な変化は観測されませんでした。

試作基板はユニバーサル基板に部品の位置決めをして両面銅箔基板とはテープで
固定してユニバーサル基板をガイドに穴あけしました。

コモンモードコイルを手巻きしたのは最初の1個だけであとは秋月さん扱いファインメットを使用しました。

最初はDC/DC Converterの出力にPi Filterを2段とか試行錯誤しました。

エミフィルのBNX01は一次側パターンの幅を広くし

なおかつ最短でインピーダンスが最小になるようにしました。
部品面は前面ベタアースで輻射ノイズを半田面へ飛び込まないようにしてみました。

結果としてはDC/DC一次側の反射ノイズを抑制すると劇的にスプリアスが減少しました。

この強烈な反射ノイズを最小にしないと

2次側のフィルター回路だけでは無理があると考えられます。

反射ノイズを最小にしてから2次側のフィルター回路で残留スプリアスを除去する

という考え方で進めました。

蛇足ながらEMIFIL等の特性は入出力が50Ωで測定されています。

実際使用する電源回路は

インピーダンスが低いので特性通りの結果が得られなくても正常と思われます。

今回の試作基板の絶縁耐圧はノイズ対策優先であまり考慮していません。

20170114_141931

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Quiet switching regulator(MCW03-05S15)+LT3042

Made in TOKYOのLT3042 Round PCBを使用して
+/-13.5V出力の絶縁型電源を試作しました。
前回創ったMIWI06-24D15は両極性出力でTPS7Axxを想定して創りました。

LT3042は負電源用ICがないので入力には分離したソースが必要になります。

LT3042を両極性出力・絶縁タイプにする時にはDC/DC Converterが2個必要になります。

正電源ICをセパレート入力電源で負電圧で使用するのは

正電圧と仕様が同じになるという優位性があります。

以前に試作した回路のリベンジを兼ねて実験しました。

すこぶる良好な結果でした。

20170113_185215

⬆ ミスプリ:13.5Vが135.Vになっている。

DC/DC Converterを銅テープで囲ったシールド効果の確認です。

LT3042 +13.5V出力用のDC/DC Converterにはシールド対策をし

LT3042 -13.5V出力用のDC/DC Converterはシールド対策をしていません。

効果を確認できました。

20170114_101113

入力のコモンモードフィルタの効果を調べてみます。

DC/DCコンバータから発生するスイッチングノイズは入力端子と出力端子の両方に現れます。
コモンモードフィルタは、入力または出力セクションのコモンモードノイズを低減することができます。

下図から+Vinにはスイッチング・スパイクが発生する事は容易に想像できると思います。

そのスパイクは絶縁トランスのストレー・キャパシタを通して出力にも影響すると思われます。

由々しきは+Vinに複数のD/DC Converterが接続されている時です。

それについては別の機会に考察します。

20170113_221042

コモンモードフィルタをパスして入力電源を直接DC/DC Converterの入力へ接続し

DIYしたCurrent Probeで反射ノイズをモニターした電流波形と

Analog Discoveryで測定したLT3042の出力スペクトラムです。

Current Probeでは鋭いスパイクが反射ノイズとして観測されています。
このようなスパイクは高PSRRのLDOもお手上げです。

スイッチング・スパイクは配線以外に輻射ノイズとして隙ある所に回り込み
大変に厄介な奴です。

Analog Discoveryでのスペクトラムの青色は無視して下さい。

赤色がDC/DCコンバータにダイレクトに入力電源を接続した時のスペクトラムです。

20170113_220342

入力にコモンモードフィルタを実装した時は

反射するリップル電流が劇的に軽減されていてスパイクはありません。

Analog Discoveryでのスペクトラムは50KHz to 5MHzです。

赤:+13.5V

青:-13.5V

20170113_220433

通常、DC/DC Converterのノイズ測定は20MHz BWで測定されています。

下図は5MHz to 50MHzのスペクトラムです。

今回のDC/DC Converter回路のスイッチング・ノイズは皆無と言って良いでしょう。

20170113_230029

MCW03-05S15(Dual)+LT3042(Dual) = 6V Input : +/-13.5V output

最終結果は

Measurement Final Output Noise(10Hz~100KHz BPF 60db Amp)

5uVp-p...!!!

0.62uVrms...!!!

20170113_170715

2017年1月11日 (水)

Quiet switching regulator(MIWI06-24D15) Noise Spectrum

EMI対策を施したMIWI06-24D15の Noise Spectrumを
負荷電流100mAで測定しました。
*
備忘録としてスコープでのノイズ波形と
Analog Discoveryでのスペクトラム波形を同居させてみました。
収集したデータは
後になって無条件で読めるように整理するよう自身に言い聞かせています。
スコープ観測はフル帯域の100MHzです。
DC/DC Converterの+/-出力電圧はリップルが対称性を保っていました。
そのせいでしょうか単出力のMCW03-05S15よりノイズが少なくなりました。
単出力と両出力ではスペクトラムが随分と違うという事をしりました。
実測したデータはEMI Filter Deviceの実装効果が現れていると思います。

Spectrum_small

MINMAX MCW03-05S15では10KHz以下のノイズは少なかったのですが

MIWI06−24D15では異なっていました。

Low Pass Filter(33uH+22uF)を追加して効果を確認できました。

この周波数のノイズは後段にLDOを追加すれば容易に取り除けると思います。

CH.1(Yellow) : DC/DC Converterの出力ノイズ

CH.2(Green) : Filter Circuitの出力ノイズ

20170111_201755

LDOで取り除く事が難しい1MHz以上の高調波を
かなりのレベルで減衰させる事ができました。
実験していてWide Band Amp(G=20〜40db)が2台あれば
Analog Discoveryでもっと正確にEMI対策をチューニングできると思いました。

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2017年1月10日 (火)

Quiet switching regulator(MIWI06-24D15)

単出力DC/DC CONVERTERの出力ノイズ除去に納得ができましたので

追試を兼ねて

+/-15V,+/-200mAのMIWI06-24D15を組んでみました。

Pcb_2

つづく

Quiet switching regulator(Noise Spectrum)

先に実験したDC/DCコンバータ(MINMAX MCW03-05S15)のNoise Spectrumです。

青色はDC/DCコンバータの出力で
赤色がフィルター回路を通した出力スペクトラムです。
10KHz以下ではあまり差異はありませんがそれ以上の周波数では大幅に改善されています。
-100dbはAnalog Discoveryの限界なので正確には増幅して
測定しないといけませんがスイッチング・ノイズが低減されている様子は判るとおもいます。

20170110_135953

同じデータを並べ替えて比較してみました。

10Hzから50MHzまでのスペクトラムです。

約300KHzのスパイクはDC/DCコンバータのスイッチング周波数です。

20170110_135839

実験風景です。
測定ポイントからは至近で同軸ケーブルを接続し50Ωのスルー抵抗を介して測定しました。

Photo


2017年1月 7日 (土)

Quiet switching regulator

DC/DCコンバータのスイッチング・ノイズをどこまで取り除けるか実験しました。

使用したDC/DCコンバータはMINMAX MCW03-05S15です。
写真では銅箔で覆われています。
*
MCW03-05S15仕様 : IN 4.5〜9V DC , OUT 15VDC , Iout 200mAmax.
試験条件 : 入力電圧6V(Agilent E3631A)、負荷電流200mA(電子負荷)

7test_pcb

DC/DCコンバータの出力ノイズです。
この条件ではコモンモードノイズフィルタは使用していません。
スイッチング・ノイズが盛大に発生しています。

1dcdc_15v_output

ムラタのEMI Filter BNX016-01を通過させた後のノイズです。
かなり減衰していますがスパイク・ノイズは取り除けていません。

20170106_234618

2bmx01601_out

さらに3端子貫通コンデンサ 1000pFを通した後のノイズです。
ピークが若干下がり高周波成分もわずかながら減衰しています。

20170106_223925

4nfe61_1000pf25v_out

とどめに..?  NFM41P 1.5uFを通過させた後のノイズです。

20170106_234815

若干改善され素直な高調波成分になりました。
DC/DCコンバータのノイズの92mVp-pから1.5mVp-pまで減衰できました。
普段はこれで満足してしまうのですが.....
このスパイク・ノイズはLT3042やTPS7A4700.ADM7150等の
High PSRRのLDOでも処理できずに出力にスルーしてしまいます。
ということでもう少し追求してみる事にしました。

5nfp41_15uf25v_out

DC/DCコンバータからのスパイク・ノイズは信号経路以外に輻射ノイズも発生しています。
低減するためにDC/DCコンバータを銅箔でシールドしました。
Sniffer Probeで観測するとDC/DCコンバータのシールドした銅箔と
ベタ・アースのわずかな隙間からも
スパイク・ノイズが漏れている事を観測できました。
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スパイク・ノイズはすべての部品のストレー・キャパシタを介して出力されてしまいます
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最後の一手としてDC/DCコンバータの入力からの反射ノイズを低減させる目的で
コモンモードノイズフィルタをDIYして接続してみたところ見事にスパイクが消えました。
これが200mA負荷のDC/DCコンバータ出力ノイズ?.....!!!!......嬉しい結果でした。
負荷電流を変化させてもノイズ特性に変化はありませんでした。

6add_common_mode_trans

これにLT3042,TPS7A4700,ADM7150等を接続すると
超高性能の絶縁型電源ができると思います。
追試として+/-15V出力のDC/DCコンバータを実験して再現性を試みる予定です。
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DIYしたコモンモードノイズフィルタ(チョークコイル)を秋月さん扱いの
日立金属製ファインメット FM03D382MPF でも動作確認しました。
勿論余裕で最後のスパイクを消去してくれました。
これは格安で良い製品だと思いました。
透磁率が小さいコアのコモンモードノイズフィルタは今回の目的には適しません。
それらは往々にして巻数が多くて線間容量が大きいです。
写真はDIYしたコモンモードノイズフィルタです。
使用したコア材はこちら

8test_pcb

Reference:..........この記事のためにお正月に読みあさった資料です。1がお薦めです。
1.Application Manual for Power Supply Noise Suppression
2.A Monolithic Switching Regulator with 100uV Output Noise
3.Minimizing Switching Regulator Residue in Linear Regulator Outputs
4.Designing Second Stage output Filter for Switching Power Supplies
5.Measuring Output Ripple and Switching Transients in Switching Regulators
 

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