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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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