Оптимизация входных ЭМП-фильтров для импульсных источников питания

Опубликовано в номере:
PDF версия
Любому импульсному источнику питания (ИИП) требуется входной фильтр для подавления электромагнитных помех (ЭМП-фильтр) во избежание помех в цепи питания, которые, в свою очередь, могут вызвать шумы в других компонентах или системах, подключенных к этой же цепи. Следовательно, проектирование и оптимизация входного фильтра является важной задачей на этапе разработки ИИП. Хотя необходимо использовать фильтры и для синфазных, и для дифференциальных помех, они редко оптимизируются по отдельности. В частности, при работе с высокими мощностями такой подход может привести к значительно большим размерам ЭМП-фильтра, чем это на самом деле требуется.

 Введение

В этой статье рассматривается простой метод разделения синфазного и дифференциального шума с помощью эквивалента сети питания (эквивалента полного сопротивления сети, LISN) с двумя выходами и осциллографа, имеющего не менее двух каналов. Такой подход позволяет раздельно проводить оптимизацию фильтров для синфазных и дифференциальных помех и получать более точные результаты для оптимизации входного фильтра.

 

Высокие ЭМП у широкозонных полупроводников

По своей природе ИИП работают с большими импульсами тока и, следовательно, генерируют значительное количество шума. Выбор топологии ИИП важен и влияет на конструкцию фильтра; топология двойного чередования повышающих преобразователей создает меньше шума, чем простой повышающий преобразователь. После выбора топологии следует учесть несколько конструктивных параметров, влияющих на уровень шума. Ключевым из них является частота переключения (частота ШИМ) преобразователя. Очень часто для обеспечения компактной конструкции выбирается высокая частота ШИМ. Однако такая частота может стать причиной чрезмерных электромагнитных помех.

Необходимо понимать корреляцию между временем нарастания, спада переключающего элемента и генерируемым шумом. Обычно выбирается быстрый переключающий элемент. В настоящее время для повышения эффективности преобразователей напряжения очень часто используются даже устройства с широкой запрещенной зоной на основе SiC или GaN. Такие быстрые переключающие элементы усиливают генерацию шума, если устройство не было тщательно оптимизировано. Помимо параметров устройства всегда полезно минимизировать паразитные элементы во всей конструкции, включая печатную плату. Например, высоковольтный переключающий элемент в сочетании с подключением к металлическому корпусу для охлаждения создает паразитную емкость, которая может выступать в качестве тракта для выхода синфазного шума из системы.

 

Типовая структура входного ЭМП-фильтра

Входной ЭМП-фильтр обычно состоит из двух функциональных частей: первая часть предназначена для подавления синфазного шума, вторая – дифференциального шума.

Для преобразователя переменного тока в постоянный ключевыми компонентами фильтра дифференциальных ЭМП являются индукторы дифференциального режима и Х‑конденсаторы. Для фильтра синфазных ЭМП — дроссели и Y‑конденсаторы синфазного режима. В некоторых случаях индукторы дифференциального режима исключаются, поскольку дроссели синфазного режима могут работать и в качестве индукторов дифференциального режима.

 

Разделение синфазного и дифференциального шума

Стандарт по ЭМС регламентирует проведение измерения кондуктивного излучения на обеих линиях электропитания, а также устанавливает требования к верхнему пороговому напряжению во всем диапазоне частот. Это измерение выполняется последовательно сначала на одной линии питания, а затем на другой. Хотя этого достаточно для прохождения испытания на соответствие стандарту по кондуктивному излучению, такое измерение не дает никакого представления о механизмах распространения шума, поскольку измерение представляет собой комбинацию синфазного и дифференциального шума на проводниках. Принцип протекания шумового тока в системе показан на рис. 1.

Протекание синфазного/дифференциального шумового тока

Рис. 1. Протекание синфазного/дифференциального шумового тока

Синфазный шумовой ток Icm течет от ИУ (испытуемого устройства) по обеим линиям эквивалента сети и обратно в ИУ через внешний заземляющий тракт, в результате чего на внешнем тракте заземления суммируются две составляющих тока. Амплитуда и фаза одинаковы на обоих проводниках — положительном и отрицательном. Дифференциальный шумовой ток протекает по-другому: ток по положительному проводнику течет в эквивалент сети, а обратным путем для этого тока является отрицательный проводник. Единственная разница состоит в фазе между этими двумя токами: она отличается на 180°, и в идеале они должны компенсировать друг друга. Используя несложные расчеты, можно разделить синфазный и дифференциальный шум. С помощью отдельных токов:

IP = ICMa + IDM;

IN = ICMb – IDM

можно легко рассчитать напряжения на двух проводниках:

VP = (ICMa + IDM) × ZLISN;

VN = (ICMb – IDM) × ZLISN.

На основе соотношений между отдельными напряжениями и синфазным и дифференциальным напряжениями:

VP + VN = VCMa + VCMb

можно рассчитать синфазное и дифференциальное напряжения:

VCM = VP + VN ;

VDM = ½ (VP – VN).

Вычитание дает значение, которое вдвое превышает уровень шума дифференциального режима, или на 6 дБ больше, что учитывается при обработке результатов. Используя эти простые вычисления, можно разделить синфазный и дифференциальный шум (включая вычитание 6 дБ из дифференциального результата). Эти несложные расчеты лучше отражают реальную ситуацию, если установка (кабель, компоненты эквивалента сети и т. д.) максимально симметрична: шум на двух проводниках измеряется одновременно. Простая, но эффективная установка для разделения синфазного и дифференциального шума показана на рис. 2.

Усовершенствованная измерительная установка

Рис. 2. Усовершенствованная измерительная установка

Эквивалент сети с двумя выходами (или два идентичных эквивалента сети) подключается к обеим линиям электропитания, а сигналы захватываются двумя каналами осциллографа. На осциллографе рассчитываются суммарный и разностный сигналы, а также БПФ (быстрое преобразование Фурье). Это позволяет напрямую получить синфазный и дифференциальный шумовые сигналы.

Хотя любая асимметрия между двумя эквивалентами сети в некоторой степени влияет на результат измерения, на практике данный метод обеспечивает достаточно точные результаты. Необходимо учесть следующие моменты: использовать кабели одинаковой длины и достаточно высокого качества во избежание временного сдвига или потери амплитуды, которые напрямую могут повлиять на способность разделять компоненты шума.

Кроме того, следует использовать осциллограф с достаточно малым уровнем шума, прямым вводом частотных параметров, к которым относятся начальная и конечная частота или полоса разрешения, и с быстрой функцией БПФ.

 

Практический пример

ИУ, используемое для демонстрации нового метода, представляет собой понижающий преобразователь. Входной фильтр ИУ является П‑образным LC-фильтром, который очень эффективен для подавления дифференциального шума. Установка позволяет легко установить или удалить П‑образный LC-фильтр. Поскольку на печатной плате синфазные фильтры отсутствуют, синфазный дроссель присоединяется к плате снаружи. Преобразователь не имеет корпуса: печатная плата устанавливается на изолирующий блок на металлической пластине заземления. В этой установке намеренно устраняется генерация чрезмерного синфазного шума.

Первое измерение, показанное на рис. 3, было проведено, чтобы получить максимальный спектр во входных силовых проводниках. Измерение опорного уровня уже установило уровень шума системы при отключенном ИУ. Дополнительные 6 дБ в дифференциальном режиме были компенсированы путем деления суммы пополам перед выполнением БПФ. Для синфазного режима сумма используется напрямую, т. к. общее количество синфазного шума представлено суммой двух каналов измерения.

ЭМП-фильтр не используется

Рис. 3. ЭМП-фильтр не используется

Пик на частоте 300 кГц в опорной линии вызывается системой, а не преобразователем, и им можно пренебречь, по крайней мере до уровня 25 дБмкВ. Сильный дифференциальный шум (порядка 65 дБмкВ) при измерении на частоте 300 кГц вызван частотой ШИМ преобразователя. Первая гармоника и ее более высокие нечетные производные вызваны отраженным пульсирующим током, который доминирует в спектре дифференциального режима. В синфазном спектре также видны некоторые пики; они не фильтруются дифференциальным фильтром.

LC-фильтр рассчитан на подавление основной амплитуды на частоте 300 кГц. Расчетная резонансная частота фильтра составляет 19,3 кГц, что должно привести к подавлению около 40 дБ на частоте ШИМ. Поскольку используется фильтр 2‑го порядка, затухание составляет около 40 дБ/декаду. Результаты измерения на рис. 4 показывают влияние фильтра на спектр.

Используется дифференциальный фильтр

Рис. 4. Используется дифференциальный фильтр

Дифференциальный шум очень заметно снижается на частотах до 10 МГц — он подавляется почти на 30 дБ по сравнению с предыдущим нефильтрованным значением. В частности, основная частота 300 кГц и кратные ей гармоники имеют намного более низкую амплитуду. В области высоких частот фильтр не так эффективен; шум подавляется не более чем на 10 дБ.

Синфазный шум существенно не уменьшается, поскольку фильтр был разработан для подавления дифференциального шума. Для подавления синфазного шума используется дополнительный фильтр. В данном случае установлен синфазный дроссель от компании Würth Electronic.

Синфазный шум уменьшился, в частности, в диапазоне 2–60 МГц. Кроме того, также подавляется дифференциальный шум, поскольку синфазный дроссель неидеален, и результирующая индуктивность рассеяния действует как дифференциальный фильтр. Кроме того, на шум дифференциального режима также может влиять то, что установка не была оптимизирована (на печатной плате отсутствует синфазный дроссель). В результате некоторые асимметричные компоненты могут стать причиной эффекта подавления. Тем не менее, на рис. 5 ясно видно, что синфазный шум очень эффективно подавляется за счет установленного синфазного дросселя.

Используется синфазный фильтр

Рис. 5. Используется синфазный фильтр

 

Выводы

Эффективная конструкция входного фильтра имеет важное значение для соответствия стандартам ЭМП на кондуктивное излучение импульсного источника питания. Часто фильтр для подавления ЭМП состоит из синфазного и из дифференциального фильтров; при этом оба элемента должны быть рассчитаны и оптимизированы. Точная информация о синфазном шуме и, соответственно, о вкладе дифференциального шума в значительной степени облегчает задачу проектирования и оптимизации входного ЭМП-фильтра. С помощью эквивалента сети с двумя выходами (или двух идентичных эквивалентов сети) и некоторых математических расчетов на осциллографе синфазный и дифференциальный шум можно разделить непосредственно на осциллографе. В результате в нашем распоряжении оказывается эффективный инструмент для оптимизации обеих частей ЭМП-фильтра с использованием БПФ-функций осциллографа, который должен иметься у каждого разработчика источников питания.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *