Применение помехоподавляющих входных фильтров

Введение

Как и прежде, входные фильтры являются необходимым средством для успешной сертификации конечных изделий на соблюдение требований к электромагнитной совместимости (ЭМС). Эта сертификация, в первую очередь, касается устройств на базе импульсных источников питания, причем независимо от мощности компонента, используемого для преобразования напряжения переменного тока. Импульсные преобразователи генерируют промышленные и электромагнитные помехи при наводке напряжения переменного тока на линии подключения и излучение независимо от индивидуальной топологии и области применения. Некоторые изготовители компонентов, предназначенных для импульсного преобразования напряжения, оптимизируют силовые модули, чтобы уменьшить помехи в линиях подключения и излучаемые помехи.

Поскольку остаточные пульсации по выходным цепям этих модулей обычно имеют крайне малые значения, в большинстве приложений выходной фильтр может быть рассредоточен. Однако поскольку входной ток понижающего преобразователя тоже является импульсным, в конечном приложении могут возникать кондуктивные и радио­частотные помехи.

Для уменьшения пульсаций входного тока сильноточных приложений используются многофазные преобразователи, в которых фазы рабочей частоты сдвинуты на 360°/N (N — число фаз). Такая мера помогает уменьшить пульсации, но не избавляет от коммутационных помех, которые проникают в провода питающей сети. Разработчик оборудования с использованием импульсных преобразователей должен принять взвешенное решение, куда установить входной фильтр — непосредственно перед силовым модулем или вблизи точек ввода напряжения.

В первую очередь, мы обсудим, как возникают шумы и помехи в дифференциальном режиме — в системе с симметричным прямым и обратным током между источником и нагрузкой в линиях подключения импульсного преобразователя (рис. 1).

Рис. 1. Симметричная система

Частота пульсаций напряжения во входной цепи совпадает с рабочей частотой преобразователя, а форма входного тока — с током через накопительную индуктивность (дроссель) силового модуля. Входной ток протекает через конденсатор C_IN. Реальные конденсаторы, как известно, обладают резистивным (ESR) и индуктивным компонентами (ESL) (рис. 2). Из-за ESR входного конденсатора и конечного импеданса линий подключения силового модуля наличие компонента переменного тока приводит к возникновению на них нежелательного падения напряжения.

Рис. 2. Эквивалентная полная схема для определения напряжения помех

В этой модели напряжение шума проявляется как дифференциальный сигнал. Амплитуда напряжения помех, возникающая на входном конденсаторе, существенно зависит от значения ESR используемого конденсатора. Электролитические конденсаторы имеют относительно высокий уровень ESR, величина которого может варьироваться от нескольких мОм до нескольких Ом. Как следствие, напряжение помех находится в диапазоне между несколькими мВт и несколькими Вт. С другой стороны, у керамических конденсаторов ESR очень мал — всего несколько мОм и, следовательно, шумовое напряжение не превышает нескольких мВт. Кроме того, большое влияние на напряжение помех оказывает расчет печатной платы силового модуля.

Для уменьшения дифференциального шума на входе преобразователя устанавливается, по крайней мере, один простейший LC-фильтр, который минимизирует составляющую переменного тока в линии. В высоко­импедансных системах, т. е. в случае, когда входной импеданс каскада не влияет на выходной импеданс предыдущего каскада, такой входной фильтр теоретически обеспечивает ослабление напряжения в полосе затухания 40 дБ/декаду. Но на практике достигаются меньшие уровни подавления. Так происходит, во‑первых, потому, что нагрузка фильтра имеет малый импеданс и влияет на передаточную характеристику фильтра. Во‑вторых, компоненты такого фильтра неидеальны и имеют собственные неизбежные потери.

При определении параметров LC-фильтра частота среза f_C выбирается так, чтобы она была ниже коммутационной частоты f_SW силового модуля. Если отношение этих частот составляет 1/10, теоретически на частоте переключения, амплитуда которой является основной в общем спектре помех, уровень вносимых потерь достигает 40 дБ. Таким образом, будем исходить из следующего условия:

Частота среза LC-фильтра определяется так:

В качестве примера для расчета фильтра примем индуктивность равной 10 мкГн. В этом случае:

При принятии решения о размещении элементов фильтра, который показан на рис. 3, конденсатор фильтра устанавливается со стороны источника напряжения или силового модуля. При этом, если используется несколько включенных параллельно конденсаторов, конденсатор с лучшими частотными свойствами следует установить ближе к источнику помех. Решающим фактором для ослабления тока импульсного источника напряжения является индуктивность катушки индуктивности фильтра.

Рис. 3. Размещение элементов фильтра

Если добротность фильтра слишком велика, в случае резкого изменения входного напряжения могут появиться паразитные колебания, подлежащие подавлению. Примем, что для обеспечения стабильности выходной импеданс входного фильтра Z_{OUT, FILTER} в широком частотном спектре должен быть ниже полного входного сопротивления силового модуля Z_{IN, CONVERTER}:

Кроме того, частота среза f_C входного фильтра должна быть намного ниже частоты f_CO среза силового модуля:

Из рис. 4 видно, что это достигается путем установки шунтирующего звена — керамического многослойного конденсатора, параллельного входу силового модуля.

Рис. 4. Увеличение затухания входного фильтра

Шунтирующий элемент уменьшает добротность входного фильтра и, следовательно, его выходное сопротивление на резонансной частоте. Формула (6) применяется для расчета сопротивления затуханию R_D при добротности фильтра Q_F = 1:

Величина емкости шунтирующего конденсатора C_D, снижающего добротность фильтра до вполне приемлемого значения, находится в диапазоне между пяти- и десятикратными значениями номинальной емкости конденсатора фильтра C_F:

В качестве альтернативного варианта ослабления фильтра можно выбрать электролитический конденсатор, установив его параллельно выходу фильтра вместо шунтирующего звена. Как правило, величины ESR электролитного конденсатора достаточно для ослабления добротности фильтра.

Выбор компонентов LC-фильтра

Оба элемента фильтра — и конденсатор, и катушка индуктивности в действительности обладают не только емкостными, но и индуктивными свойствами. Как известно, фильтрующий эффект катушек индуктивности в наибольшей мере проявляется на их собственной резонансной частоте SRF (Self-Resonant Frequency). Значение SRF катушек в большой мере зависит от их индуктивности и конструкции, которая определяет емкостную связь между витками обмотки. Довольно подробно особенности выбора дросселей описаны в [2–3].

Конденсаторы тоже имеют собственную резонансную частоту SRF. Она, в свою очередь, в значительной мере зависит от емкости, технологии, конструктивного исполнения и, особенно, от длины выводов конденсатора. Следовательно, при выборе компонентов фильтра желательно удостовериться, что SRF обоих компонентов находится в самой верхней части частотного диапазона, в котором напряжение радиочастотных помех имеет максимальный уровень, или, соответственно, в той полосе частот спектра, в которой фильтр должен быть активным. Некоторые особенности работы конденсаторов в импульсных цепях и выбора этих компонентов рассматриваются, например, в [4].

Определяющим компонентом для уменьшения дифференциального шума является катушка индуктивности, поскольку именно она противодействует быстрому нарастанию и падению тока во входной цепи. На рис. 5 показаны графики зависимости полного сопротивления от частоты для трех индуктивностей, выполненных на стержневых сердечниках, из семейства WE-SD компании Würth Elektronik.

Рис. 5. Пример зависимости импеданса от частоты и конструктивного исполнения трех катушек индуктивности серии WE-SD компании Würth Elektronik

Поскольку чем выше индуктивность, тем меньше SRF, рекомендуется выбирать катушку, численное значение индуктивности которой меньше емкости конденсатора фильтра. На практике максимальное значение индуктивности фильтра выбирается равным 10 мкГн, т. к. в зависимости от конструкции собственная резонансная частота этой индуктивности достигает 30 МГц. По существующим стандартам это максимальная частота для оценки кондуктивных помех.

Кроме того, необходимо учитывать, что большой рабочий ток, значительно превышающий номинальный ток катушки индуктивности фильтра, может привести к повреждению изоляции провода ее обмотки. Если КПД импульсного преобразователя обозначить как η, эффективный входной ток силового модуля можно вычислить с помощью уравнения (8):

Из соображений безопасности в качестве номинального тока катушки фильтра следует выбрать большее значение тока. В качестве конденсатора фильтра можно задействовать электролитический конденсатор с жидким электролитом, полимерный или даже керамический конденсатор. При этом необходимо, чтобы добротность фильтра на частоте среза была достаточно малой, как уже упоминалось.

При использовании π-фильтра следует принимать дополнительные меры. В оптимальном случае входной фильтр требуется устанавливать как можно ближе к входу силового модуля. Если этот фильтр расположен дальше, исходя из геометрических и других соображений, на высоких частотах линии подключения могут работать как антенна между входным фильтром и силовым модулем. Однако индуктивность этих линий связи можно также использовать вместе с керамическим конденсатором как дополнительный LC-фильтр с более высокой частотой среза (рис. 6). Из-за его ничтожно малого ESR керамический многослойный конденсатор может закорачивать токи, возникающие от высокочастотных помех, на землю.

Рис. 6. Входной π-фильтр

Собственная резонансная частота конденсатора должна находиться примерно в области спектра рабочей частоты силового модуля. На рис. 7 показаны кривые полного сопротивления керамических конденсаторов WCAP-CSGP типоразмера 0805 от компании Würth Elektronik.

Рис. 7. Пример зависимости импеданса от частоты конденсаторов WCAP-CSGP типоразмера 0805 от компании Würth Elektronik

Из компонентов, характеристики которых показаны на рис. 7, на тактовой частоте 2 МГц для рассматриваемой задачи подходит, например, конденсатор емкостью 1 мкФ (кривая красного цвета). Даже керамический конденсатор емкостью 100 нФ (кривая оранжевого цвета), который используется в качестве блокирующего конденсатора во многих электронных схемах, является вполне подходящим кандидатом для указанных целей. Однако заметим, что по сравнению с конденсатором емкостью 1 мкФ, у 100‑нФ конденсатора величина ESR в девять раз выше.

Выбор выходного фильтра и его особенности

Поскольку силовые модули MagI³C от компании Würth Elektronik характеризуются ничтожно малыми остаточными пульсациями выходного напряжения, необходимость в выходном фильтре в таких случаях отсутствует. Однако если компоненты с питанием от импульсного преобразователя используют коммутируемые интерфейсы (например, мультиплексоры датчиков, аналоговые коммутационные схемы и т. д.), то для фильтрации выходного напряжения требуется выходной фильтр.

Схема выходного фильтра, представленная на рис. 6, сопоставима со схемой на рис. 8. Однако, как правило, невозможно сделать окончательный вывод о необходимости и эффективности такого выходного фильтра, поскольку для каждого конкретного приложения требуется свой расчет. Выходной фильтр позволяет уменьшить остаточные пульсации выходного напряжения силового модуля до минимума или подавить нежелательные субгармонические колебания. Фильтр рассчитывается тем же способом, которым мы воспользовались выше, но принимать меры для ухудшения его добротности уже не требуется.

Рис. 8. Выходной фильтр

Измерение напряжения шумов и помех в цепях питания и излучаемых радиопомех

Измерение напряжения шумов и помех выполняется в соответствии с основным стандартом IEC CISPR 16-2-1 [5]. В этом стандарте описываются типы измеряемых помех, оборудование, которое должно использоваться для разных измерений, и измерительная установка для настольных и напольных устройств. Уровень помех в проводах питающей сети оценивается в диапазоне частот 9 кГц…30 МГц. К измерительным приборам помимо приемника электромагнитных помех относятся схемы стабилизации полного сопротивления линии LISN (Line Impedance Stabilizing Network), пробники напряжения, токовые клещи и емкостные пробники напряжения. Длина кабеля между тестируемым устройством и LISN не должна превышать 80 см. Приемник электромагнитных помех оценивает асимметричное шумовое напряжение, которое разделяется в LISN для отдельных проводов кабеля.

Метод измерения излучаемых радиопомех с частотой выше 30 МГц описан в базовом стандарте IEC CISPR16-2-3 [6]. Измерительная среда представляет собой полностью безэховую комнату с токопроводящим полом или в меньших масштабах — полностью безэховую камеру.

Анализ результатов измерения шумов и помех

В этом разделе мы опишем измерение напряжения шумов и помех на примере оценочной платы семейств MagI³C модулей питания WPMDH1200601JEV от компании Würth Elektronik (рис. 9). Плата оснащена модулем понижающего DC/DC-пре-образователя стабилизатора напряжения WPMDH1200601JT [1] с диапазоном рабочего входного напряжения 6–42 В и током нагрузки до 2 A при регулируемом выходном напряжении в пределах 0,8–6 В.

Рис. 9. Структурная схема оценочной платы WPMDH1200601JEV для модуля питания MagI3C от компании Würth Elektronik

Уже на предварительном этапе можно измерить с помощью осциллографа составляющую переменного тока на входе силового модуля. Таким образом, выполняя анализ во временной области, спектр помех можно оценить перед расчетом фильтра.

На рис. 10 показана составляющая — переменное напряжение величиной 80 мВ, измеренное при входном напряжении силового модуля 7,5 В, среднем входном токе 1,2 А и среднем токе нагрузки 2 А. Известно, что импульсные преобразователи представляются по отношению к источнику питания как отрицательное дифференциальное сопротивление, поскольку при постоянной нагрузке их входной ток возрастает с уменьшением входного напряжения. По этой причине напряжение шума измеряется для «наихудшего случая», т. е. при минимальном входном напряжении и максимальном токе нагрузки.

Рис. 10. Сигнал во временной области с широкополосным спектральным наполнением, характерный для понижающего DC/DC-преобразователя WPMDH1200601JT семейства MagI3C от компании Würth Elektronik

Однако определяющим фактором при анализе помех остается измерение, которое выполняется только в лаборатории, специализирующейся на проблемах ЭМС. На рис. 11 показан результат измерения напряжения кондуктивных помех модуля без входного фильтра. Целью измерения было установить соответствие оценочной платы требованиям Class В стандарта EN55022 (CISPR‑22) относительно кондуктивных помех, который дает частичную презумпцию соответствия Европейской директиве 2014/30/ЕС (2004/108/EC) по электромагнитной совместимости.

Рис. 11. Уровень кондуктивных помех понижающего DC/DC-преобразователя WPMDH1200601JT семейства MagI3C от компании Würth Elektronik без входного LC-фильтра. Измерения выполнялись согласно EN55022 (CISPR-22)

Рассматриваемый в качестве примера силовой модуль работает на тактовой частоте 370 кГц. В общем спектре помех максимальная амплитуда (пик красного цвета: 68 дБ (мкВ)) достигается именно на этой частоте. Амплитуда плотности шумового напряжения падает со скоростью около 40 дБ/декаду, что означает отсутствие значительного уровня помех выше 15‑й гармоники от тактовой частоты преобразователя. Однако видно, что только выше 9‑й гармоники уровень помех падает более чем на 10 дБ ниже предела при измерении с помощью среднеквадратичного детектора (синяя линия).

Для расчета подходящего входного LC-фильтра воспользуемся уравнением (3). Учитывая относительно низкую рабочую частоту преобразователя, выбираем катушку индуктивности с малым значением SRF, индуктивностью 4,7 мкГн и рассчитываем емкость конденсатора нашего фильтра:

Выбираем емкость конденсатора фильтра равной 10 мкФ, чтобы учесть допустимые отклонения и технологический запас. Максимальный входной ток рассчитывается с помощью уравнения (8). Для этого вычисления требуется учесть КПД оценочной платы, который определяется путем измерения и в этом случае равен 91%. Входной ток с учетом КПД равен:

На основе выбранной индуктивности фильтра и входного тока можно определить подходящую катушку индуктивности. С этой целью выбираем неэкранированную катушку индуктивности 744 774 50 47 типоразмера 5820 из серии PD2 от Würth Elektronik. На рис. 12 показан результат измерения уровня радиопомех с учетом согласованного фильтра.

Рис. 12. Уровень кондуктивных помех понижающего DC/DC-преобразователя WPMDH1200601JT семейства MagI3C от Würth Elektronik с входным фильтром. Измерения согласно EN55022 (CISPR-22) выполнялись с помощью оценочной платы с входным LC-фильтром (4,7 мкГн + 10 мкФ)

Величина радиопомех, измеренных на рабочей частоте переключения 370 кГц, составила 30 дБ (мкВ). Уровни всех гармоник находятся ниже 20 дБ (мкВ), так что они достаточно ослаблены. Средний уровень на частоте 370 кГц соответствует пиковому значению и на 18 дБ ниже среднего предела 47 дБ (мкВ). С точки зрения величины отношения сигнал/шум, это вполне удовлетворительные результаты, чтобы подтвердить соответствие изделия требованиям к ЭМС.

Цель измерения напряжения шума состоит в том, чтобы показать применимость анализа потенциала помех во временной области. Однако анализ в частотной области по-прежнему остается необходимым.

Наконец, требуется определить шунтирующее звено фильтра R_D–C_D (рис. 4). С этой целью для определения R_D используется уравнение (6). Сопротивление R_D, необходимое для уменьшения добротности рассчитанного нами фильтра, определяется следующим образом:

Как уже упоминалось, чем выше значение шунтирующего резистора, тем выше частота, на которой обеспечивается критическое затухание резонанса фильтра. В данном случае можно выбрать следующее более высокое сопротивление номиналом 1 Ом из ряда E12.

Учитывая уравнение (7), для подавления резонанса воспользуемся конденсатором C_D номиналом 47 мкФ. В качестве этого компонента можно выбрать, например, керамический конденсатор eiCap (885 012 108 004) серии WCAP-CSGP от Würth Elektronik.

Особенности измерений на соответствие требованиям IEC CISPR 22

Указанные измерения проводились в соответствии со стандартом IEC CISPR16-2-1. Использование LISN позволило развязать асимметричное напряжение и приравнять к асимметричному (синфазному) напряжению, которое затем сравнивалось с предельными значениями, установленными стандартом IEC CISPR 22 для устройств частного и коммерческого применения (Class B). Для компонентов электропитания, к которым относятся все типы импульсных преобразователей, нет прямого стандарта, устанавливающего требования к ЭМС. Таким образом, любое приложение, в котором применяется такой преобразователь, должно быть отнесено к определенной категории устройств, а уже затем протестировано в соответствии со стандартом, действующим применительно к конкретному семейству изделий. В рассматриваемом случае мы воспользовались стандартом IEC CISPR 22 для ИТ-устройств с учетом предельных уровней, которые также приведены в общем стандарте IEC 610006-3. Общие стандарты могут применяться в случаях, если не существует конкретного стандарта для типа рассматриваемого устройства.

Выводы

Как и прежде, входные фильтры независимо от уровня переменной составляющей являются необходимым средством для успешной сертификации конечных изделий на соответствие требованиям к электромагнитной совместимости (ЭМС). Для самостоятельного расчета такого входного фильтра можно использовать достаточно простые формулы. Грамотный подход к проектированию фильтра с учетом его импедансов и импульсного преобразователя позволяет избежать возникновения паразитных колебаний, а также обеспечивает стабильность контура управления и самого импульсного преобразователя.

Поскольку целенаправленный выбор компонентов фильтра закладывает основы для его оптимальной конструкции, входной фильтр, созданный с учетом всех требований, гарантирует определенный успех при тестировании конечного оборудования на соответствие ЭМС. Разработчик конечного оборудования может при необходимости создать собственный импульсный преобразователь и с помощью несложной методики расчета, представленной в этой статье, скорректировать фильтр для решения конкретной задачи.