Правильное электропитание без помех

Задумывались ли вы когда-нибудь, как питание влияет на качество вашей жизни? Она не будет полноценной, а в работе организма начнутся перебои, если питание не является качественным. Так и в радиоэлектронной аппаратуре: питание, а в данном случае электропитание (далее — питание), является одним из ключевых показателей должного функционирования любого устройства. Имея богатый опыт доработки устройств до соответствия требованиям стандартов по электромагнитной совместимости (ЭМС), можно с уверенностью сказать, что более 90% случаев превышения допустимых уровней электромагнитных помех (ЭМП), как кондуктивных, так и излучаемых, связано именно с отсутствием достаточного внимания к схемам электропитания устройства.

При проектировании источника питания зачастую единственным параметром, интересующим разработчика, становится КПД. С другими вопросами, особенно если это касается электромагнитной совместимости, приходится сталкиваться, когда возникают проблемы. Существует два вида проблем, связанных с качеством питания, — влияние на функционирование самого проектируемого устройства и на устройства, которые должны работать совместно с ним. И хорошо, если эти проблемы разработчику удается выявить у себя на столе, с помощью измерительных приборов. Гораздо хуже, когда это приводит к доработкам, переделкам и повторным затратам на дорогостоящие испытания в аккредитованной лаборатории, где не всегда можно принять быстрые меры по устранению нежелательного электромагнитного излучения либо доработать устройство в сжатые сроки. Безусловно, для инженера, который еще не сталкивался с вопросами сертификации, на этапе разработки дополнительная фильтрация может показаться чем-то бесполезным, потребляющим лишние ватты мощности и уменьшающим КПД. Но с точки зрения ЭМС — это компоненты, без которых, как правило, не удастся обеспечить допустимый стандартами уровень кондуктивных, то есть передаваемых по проводам или излучаемых ЭМП в виде радиоволн.

Кроме того, довольно часто эти ЭМП приводят к тому, что некоторые узлы устройства сами страдают от генерируемых ими помех и функционируют нестабильно. Можно возразить, что импульсные источники питания зачастую работают на довольно-таки низкой частоте преобразования, и на первый взгляд это никоим образом не должно сказываться на работе портов передачи данных либо контроллеров и датчиков. Однако подобное утверждение справедливо разве что для преобразователей, действующих на частотах ниже 20–40 кГц, которые достаточно редко используются в современных устройствах, поскольку такие низкие частоты преобразования требуют применения индуктивностей и конденсаторов довольно больших размеров. Последнее, учитывая тенденции миниатюризации в электронике и борьбу за снижение себестоимости, привело к использованию в импульсных источниках питания частот преобразования от 300–500 кГц вплоть до 2–5 МГц.

Если рассмотреть типичные интерфейсы передачи данных, такие как RS‑485 или USB, то их типовая частота передачи данных лежит в диапазоне 200 МГц — 1 ГГц, а типичные частоты работы контроллеров принадлежат диапазону 4–207 МГц. Казалось бы, эти частоты располагаются значительно выше рабочих частот типовых DC/DC-преобразователей и даже тех, что работают на частотах 600 кГц либо 2 МГц. Но стоит помнить, что любой импульсный сигнал, кроме основной рабочей частоты, содержит гармоники — третья, пятая, седьмая и другие более высокого порядка. А если мы рассмотрим все чаще встречающиеся 2 МГц в качестве частоты переключения? В этом случае гармоники высокого порядка могут достигать 20 МГц и выше, и здесь их спектр уже точно находится на территории работы контроллеров и может негативно влиять на качество функционирования устройства в целом. Помимо высших гармоник частоты преобразования не следует забывать, что все компоненты, будь то транзисторы или простые конденсаторы и катушки, обладают паразитными параметрами такими, как емкость p‑n‑перехода, паразитные индуктивности и емкости пассивных компонентов. Они, в свою очередь, могут образовывать резонансные цепи с частотами от нескольких мегагерц вплоть до гигагерц, а дорожки на печатных платах, при определенной длине, ведут себя для этих частот как весьма эффективные антенны. Учитывая, что излучаемые ЭМП, согласно, например, требованиям межгосударственного стандарта ГОСТ 30805.22–2013 «Совместимость технических средств электромагнитная, Оборудование информационных технологий. Радиопомехи индустриальные. Нормы и методы измерений» (является модифицированным по отношению к международному стандарту CISPR 22:2006 «Оборудование информационных технологий. Характеристики радиопомех. Нормы и методы измерений»), подлежат измерению по полю в полосе частот 30 МГц — 1 ГГц (имеются требования и по диапазону, расширенному до 6 ГГц), очень часто именно эти ЭМП и превышают допустимую норму.

Для большей наглядности стоит рассмотреть реальный пример, что мы и сделали в этой статье. Ниже вы найдете измерения, выполненные с помощью осциллографа с функцией быстрого преобразования Фурье (БПФ), который, несмотря на свою небольшую цену, позволяет сразу определить «проблемные частоты», с которыми вам, возможно, придется столкнуться в лаборатории.

В качестве опытного образца была использована отладочная плата понижающего DC/DC-преобразователя с рабочей частотой преобразования 500 кГц одного популярного производителя контроллеров DC/DC-преобразователей. Как известно, в отладочных платах крайне редко установлены фильтрующие цепи, так как данные платы не подлежат сертификации и должны лишь продемонстрировать исключительно работу того или иного контроллера. К сожалению, все чаще мы сталкиваемся с тем, что инженеры, разрабатывающие реальные устройства, используют схемы и компоненты, указанные лишь в опорных дизайнах (reference designs), призванные обеспечить правильное функционирование устройства, при этом будет затрачено минимум времени на разработку. А если рассматривать отладочные платы с точки зрения шумов (не все, есть ряд дизайнов, где фильтрация предусмотрена), то это идеальный пример того, как делать не стоит. Так что, если рассматривать отладочные платы с точки зрения ЭМП и собственных шумов, это идеальный пример того, как делать не стоит.

Большинство ЭМП и собственных шумов DC/DC-преобразователей, которые возможно проявятся при измерении в лаборатории, измеряются непосредственно на столе с помощью оборудования, сегодня имеющегося практически у каждого разработчика, и как уже было сказано выше, основной из них — осциллограф с функцией БПФ. На рис. 1 представлены снимки с экрана осциллографа на выводе микросхемы DC/DC-преобразователя.

Рис. 1. Сигнал на микросхеме DC/DC-преобразователя и паразитный переходной процесс («звон») на фронтах импульса

Как известно, два основных испытания при сертификации по ЭМС — это оценка уровня кондуктивных ЭМП (они измеряются на сетевых зажимах через специальный эквивалент сети) и измерение излучаемых ЭМП. Полоса частот для измерения кондуктивных ЭМП определена стандартом, например уже упомянутым ГОСТ 30805.22–2013, в пределах 150 кГц — 30 МГц (для некоторой РЭА специального назначения нижняя полоса частот может составлять 9 кГц), а полоса частот оценки уровня излучаемых ЭМП составляет 30 МГц — 1 ГГц, иногда до 6 ГГц.

В первом случае, как и было сказано ранее, причиной превышений допустимых уровней ЭМП станут именно гармонические составляющие сигнала рабочей частоты, которые можно измерить на входе понижающего DC/DC-преобразователя. Их хорошо видно на рис. 2. Они находятся в полосе низких частот, соразмерных с частотой переключения.

Рис. 2. БПФ сигнала в полосе частот 150 кГц — 30 МГц

Но не нужно забывать, что, кроме фундаментальной (основной) частоты, у нас есть переходные процессы, которые в момент замыкания и размыкания силового ключа преобразователя формируют затухающие гармонические колебания с частотой паразитного резонанса, намного превышающей рабочую частоту преобразования. Такой переходной процесс, называемый на инженерном сленге «звон», представлен на рис. 1.

Несмотря на то, что здесь частота преобразования контроллера составляет всего 500 кГц, мы наблюдаем пики спектра помех на довольно высоких частотах, в данном случае это диапазон 100–120 МГц. Частоты этих помех не только лежат в одном диапазоне с рабочими частотами микропроцессоров и интерфейсов передачи данных, но и попадают в частотный диапазон ЭМП, который нормируется в диапазоне 30 МГц — 1 либо 6 ГГц. И к чему это приводит? Зачастую подобные помехи значительно превышают допустимый стандартами по ЭМС уровень и могут негативно сказываться на работе других чувствительных узлов как самого устройства, так и рядом расположенной аппаратуры (рис. 3), поскольку они могут излучаться, например, дорожками на платах или кабелями.

Рис. 3. БПФ сигнала в полосе частот 30–300 МГц

Далее на рис. 4 и 5 приведены графики помех, полученные в ЭМС-лаборатории при сертификации понижающего DC/DC-преобразователя — кондуктивные и излучаемые соответственно.

Рис. 4. Результаты измерения кондуктивных ЭМП понижающего DC/DC-преобразователя на сетевых зажимах в полосе частот 150 кГ — 30 МГц без доработки

Рис. 5. Результаты измерения излучаемых ЭМП понижающего DC/DC-преобразователя в полосе частот 30 МГц — 1 ГГц без доработки

Исходя из выше сказанного, можно сделать вывод, что о предстоящей сертификации устройства и о применении помехоподавляющих фильтров разработчику стоит задумываться на самых ранних этапах проектирования. А если вы уже столкнулись с тем, что устройство завершено, а его сертификация не прошла успешно, то специалисты нашей компании разработали широкое портфолио фильтров (см. табл.), которые можно успешно использовать как для сигнальных цепей, так и для цепей питания.

Доступны для заказа фильтры практически для любых применений, начиная от простых LC-цепочек и синфазных фильтров для низкого напряжения, фильтров 2‑го порядка для сети переменного тока и до фильтров для трехфазной сети. Кроме того, нами разработан ряд решений для сигнальных цепей таких линий, как Ethernet, RS‑485 USB C и другие. Компактный размер и широкое разнообразие параметров предлагаемых нами фильтров позволяют подобрать оптимальное решение практически для выполнения любой задачи, в том числе в случае необходимости быстрой доработки изделия, непосредственно в измерительной лаборатории, с последующим переносом компонентов на платы устройства для дальнейшего использования уже в условиях серийного выпуска.

Эти решения были применены при заказе на доработку DC/DC-преобразователя от одного из наших клиентов. Графики приведены ранее на рис. 4 и 5. Конечный результат после доработки показан на рис. 6 и 7.

Рис. 6. Результаты измерения кондуктивных ЭМП понижающего DC/DC-преобразователя на сетевых зажимах в полосе частот 150 кГ — 30 МГц после доработки

Рис. 7. Результаты измерения излучаемых помех понижающего DC/DC-преобразователя в полосе частот 30 МГц — 1 ГГц после доработки

Заключение

В заключение хочется сказать, что чем раньше при разработке вы задумываетесь о вопросах подавления ЭМП и изучите нормативные документы, в которых описывается, что вас ожидает при дальнейшей сертификации по ЭМС вашего продукта, тем легче и быстрее можно подобрать наиболее оптимальное для вас решение (рис. 8–13). Но даже если вы этого не сделали, специалисты нашей компании с радостью помогут вам на всех этапах разработки или производства электронного устройства. С примерами уже выполненных работ можно ознакомиться на сайте www.emc-a.su.

Рис. 8. Фильтр для цепи ETHERNET 100/1000 BASE-T (1136)

Рис. 9. Сетевой фильтр 2-го порядка для линий электропитания 220 В переменного тока (1131)

Рис. 10. Дифференциальный фильтр для DC/DC-преобразователей с частотой преобразования в пределах 100 кГц — 1 МГц (1137)

Рис. 11. Фильтр для интерфейса USB-C (1132)

Рис. 12. Фильтр для интерфейса RS-485 (1133)

Рис. 13. Фильтр для интерфейса USB 2.0 (1135)