スイッチング電源用フィルタ

この間の、DDSファンクションジェネレータの波形
をオペアンプ使ったフィルタやクリッピング回路
に通したら、妙な発振を起こしちゃったっぽい、
この間の話
http://brown.ap.teacup.com/nekosan0/2108.html
について、何とかしたいなぁってことで、まずは
綺麗な電源を使おうって言う方向に。



このとき使っていたのは、秋月のスイッチングAC
アダプタ5V版なので、何の対応もしなければ、当然
スパイクやリプルがバリバリ含まれていることに
なるので、それを、どうやって削り取っていくか
ということでもがく方向。


やりかた。とりあえず、1kΩ抵抗を5Vスイッチング
ACアダプタに直接繋いで見る。波形はこんな感じ。


常に160mVPP程度のスパイクが載っていて、時々
さらにこの測定レンジ（±100mV）をはみ出るノイズ
も出てくるといった感じ。


まず、0.1uFのコンデンサを繋いでみる。


およそ、スパイクの成分が綺麗になっている感じ。
代わりに、リプルがはっきり見えてくる。リプルの
振幅は、大体20mVppくらいかな。


次に、このリプルを軽減する為に、1000uFのデカップリング
コンデンサをパラで取り付けてみる。



うん。リプルが少し軽減されている。されているけど、
これじゃぁなぁ…


というわけで、さらにコイツを削っていく。

このリプルは、（負荷にもよるかもしれないけど）
およそ500～600Hz。

600Hzと仮定して、コイツを-20db（1/10）程度に減衰
させるには、LCRフィルタのカットオフ周波数をだいたい
150Hzにすればいいみたい。

で、このくらいのカットオフ周波数となるリプル除去用
のLCRフィルタの定数を計算してみる。
L=1000uH、C=1000uF、R=1Ω、といった感じの数値に
なるみたい。

（結構、部品サイズがでかいなぁ）

本当は、電力効率とか、大電流時の電圧降下とか、
共通インピーダンスになっちゃうとか考えると、
R=1は付けたくないとか考えちゃうんだけど
（なにしろ、1A流すと1V低下する）、まぁ、せいぜい
100mAとか200mAとか小電流で使うと仮定しつつ、
そもそも1000mHインダクタの直流抵抗がそのくらい
あるので、インダクタの内部抵抗を有効利用する。

つまり、1000mHをシリーズに、1000uFをデカップリング
に使う…みたいなイメージ。さっきの0.1uFは、1000uF
のコンデンサとパラにしておく。


結果はこんな。



リプル自体は、ほぼ見えないくらい（1～2mVpp程度？）
まで追い込めた。
10m秒ごと（50Hzの半周期）ごとに出てくる「お髭」は
0.1uFのパスコンだけでは綺麗に削れて無いので、ここ
はもうちょっとなんとかする必要がありそう。


負荷を小さめにしてみた。負荷抵抗を3.3kΩにして
みたんだけど、とりあえず、このままの回路でも
結果は同じくらいに綺麗になった。


つづけて、負荷を大きくしてみる。負荷抵抗を100Ω
にしてみた。フィルターの定数はこのまま。

まずはノーフィルター。



やっぱりギコギコの状態。リプルの周波数はおよそ1.2kHz
になっているみたい。負荷を上げると周波数はやっぱり
上がるんだな。

リプルの周波数が上がれば、定数はそのままでも効きは
むしろ良くなるはずなので、さっきの定数のままで
動かしてみると、こんな感じ。



うん。想像通り。やっぱり10m秒ごとのお髭が出ちゃう
んだけど、大きなリプルやスパイクは大体消えた。


残ったお髭は、レンジを変えて見てみると、だいたい
高周波成分なわけなので、もう1段、高周波用のLCR
フィルタをかければ、やっつけることは出来そうなん
だけど、オイラの考えている目的から考えると、
ちょっと大掛かり過ぎかな。まぁ、とりあえずは
このあたりで様子見か。


ちなみに、今回の実験で使ったインダクタは、


太陽誘電の11mm径ラジアル型インダクタ。

内部抵抗はともかく、重畳できる電流は480mAしか
ないので、スイッチングACアダプタの性能すべては
発揮できません。同社9mm系のラジアル型インダクタ
だとさらに350mAと小さいので、要注意。

本当は、低負荷のときの方が、リプルの周波数が低く
なっちゃって、インダクタやコンデンサは容量が
大きいのが必要になっちゃうので、それも要注意。


んで、ここまでわかったので、こういうフィルタを
専用ミニ基板にしちゃったら便利かなと思ったん
だけど…

http://einstlab.web.fc2.com/Filter/Filter.html

同じようなことを考えている人は、やっぱりいる
んだよな。あと、ポテチの袋で、スイッチングAC
アダプタ本体から放射される電波ノイズがシールド
出来るとは、知らなかったな。


それにしても、LCRフィルタを使って、5V電源に
こだわるのと、9Vくらいの使ってシリーズ
レギュレータで5V作り出すのだと、どっちが
ラクチンなんだろうな。

シリーズレギュレータ自体は、低周波のノイズは
削れても、高周波は結局一緒なんだよな。
電池＋シリーズレギュレータが最強なのかな…


（追記）

フィルター動作のシミュレーション用に、LTSpice
で描いたテスト用の回路図。


20mV、600Hzのsin波で、1kΩ抵抗をドライブする
ときを想定。

この左の1オーム抵抗は、インダクタ内部のR成分
で代替してるので、実際の部品には実装無し。