Ускоряем процесс разработки EMI-фильтров для импульсных источников питания

Введение

Главная проблема заключается в том, что генерируемые источником EMI способны отрицательно воздействовать на другие устройства в системе и даже нарушить работу чувствительных сигнальных цепей. Для того чтобы избежать подобных негативных эффектов и спрогнозировать их появление еще на этапе разработки устройства, были разработаны специальные стандарты, устанавливающие допустимый уровень EMI для компонентов. Чтобы установить соответствие импульсного источника питания данным стандартам, в первую очередь необходимо оценить реальные показатели уровня EMI и уже затем, при необходимости, принять меры для его снижения, в частности добавив специальные фильтры. К сожалению, анализ электромагнитных помех и проектирование фильтров являются далеко не тривиальной задачей и требуют длительного итеративного процесса проектирования, сборки, тестирования и модернизации, а также надлежащего испытательного оборудования. Однако данный процесс можно значительно упростить, используя специальное программное обеспечение ADI LTpowerCAD, позволяющее не только провести анализ уровня EMI для источника питания, но и спроектировать наиболее оптимальную конструкцию фильтра.

Типы электромагнитных помех: индуктивные и кондуктивные (синфазные и дифференциальные)

Существует два основных типа электромагнитных помех: индуктивные и кондуктивные. В импульсных источниках питания индуктивные EMI, как правило, возникают из-за высокого уровня шума dv/dt в узлах коммутации. Стандарты, применяемые для контроля уровня индуктивных EMI, обычно охватывают полосу частот 30 МГц – 1 ГГц. На данных частотах индуктивные EMI возникают главным образом из-за скачков напряжения во время коммутации и достаточно сильно зависят от компоновки печатной платы. За исключением учета уровня EMI компонентов, используемых в компоновке платы, практически невозможно точно определить общий уровень помех источника питания во время разработки схемы. Наиболее оптимальным подходом становится замер уровня EMI уже после сборки устройства, причем желательно проводить такие измерения в лабораторных условиях и при наличии специального оборудования.

Если же говорить о кондуктивных помехах, они подразделяются на дифференциальные (возникают из-за дифференциальных токов в паре проводов: ток покидает источник по одной линии и возвращается по обратной линии дифференциальной пары) и синфазные (возникают, когда ток течет вдоль обеих линий в одном направлении и попадает через паразитные цепи на системную «земляную» шину). Стандарты, определяющие предельные уровни кондуктивных помех, как правило, охватывают более низкий частотный диапазон, чем стандарты для индуктивных EMI, а именно 150 кГц – 30 МГц. На рис. 1 показаны общие пути проводимости синфазных (CM) и дифференциальных (DM) кондуктивных помех импульсного источника питания (на схеме обозначен как тестируемое устройство).

Рис. 1. Схема для замера кондуктивных синфазных и дифференциальных помех импульсного источника питания

Для оценки уровня кондуктивных помех на входе тестируемого устройства, в качестве которого в данном случае выступает источник питания, размещается так называемый эквивалент сети (Line Impedance Stabilization Network, LISN), используемый для задания стандартного импеданса на входе источника.

Синфазные помехи измеряются между каждой входной линией (L, N) и «землей». Такие помехи генерируются в узлах коммутации с высоким значением dv/dt, проходят через паразитную емкость печатной платы на «землю», а затем на вход LISN. Так же, как и с индуктивными EMI, работа коммутационного узла с высоким значением dv/dt и паразитные емкости платы и компонентов не могут быть должным образом смоделированы на этапе разработки схемы.

Дифференциальные помехи измеряются между двумя входными линиями (ноль и фаза). Дифференциальные кондуктивные EMI возникают из-за высокого di/dt и пульсирующего входного тока источника питания. К счастью, в отличие от других типов EMI низкочастотные дифференциальные помехи, возникающие на входных конденсаторах и в цепях LISN, могут быть смоделированы с достаточной точностью еще на этапе разработки схемы с помощью специального программного обеспечения, такого как LTpowerCAD.

На рис. 2 показан график зависимости уровня электромагнитных помех от частоты для понижающего импульсного источника питания без использования входного фильтра. Наиболее высокие EMI возникают на частоте переключения транзисторов и их высокочастотных гармониках, они превышают допустимые пороговые значения, установленные в соответствующем стандарте CISPR 22. Как следствие, для снижения помех до приемлемого уровня необходима установка дополнительного фильтра.

Рис. 2. График зависимости уровня электромагнитных помех от частоты без использования входного фильтра

EMI-фильтр для подавления дифференциальных кондуктивных помех

На рис. 3 показана схема включения фильтра дифференциальных помех на входе импульсного источника питания. В качестве фильтра в данном случае используется простая LC-цепь, включенная между входными конденсаторами C_IN преобразователя (сторона тестируемого устройства — источника помех) и входным источником сигнала (эквивалент сети LISN). Схема на рис. 3 представляет собой схему стандартного лабораторного стенда для тестирования EMI. Уровень дифференциальных помех измеряется анализатором спектра на резисторе R2 эквивалента сети LISN.

Рис. 3. Включение фильтра EMI для снижения уровня дифференциальных помех от узла B к узлу A

На рис. 4 показан график усиления (затухания) LC-фильтра. На низких частотах индуктивность имеет низкое внутреннее сопротивление и, по сути, оказывается закорочена, в то время как конденсатор, наоборот, имеет сверхвысокое сопротивление и вызывает разрыв цепи. Результирующий коэффициент усиления фильтра таким образом становится равным 1 (0 дБ), что позволяет сигналу проходить через фильтр без изменений. Однако по мере увеличения частоты возникает резонанс и рост усиления сигнала. Когда частота поднимается выше резонансной, коэффициент усиления фильтра принимает отрицательную величину и провоцирует ослабление сигнала величиной 40 дБ/декада. При дальнейшем увеличении частоты усиление фильтра становится скорее функцией паразитных составляющих, а именно ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) и ESL (эквивалентная последовательная индуктивность) конденсатора, а также параллельной емкости катушки индуктивности.

Рис. 4. График зависимости коэффициента усиления LC-фильтра от частоты

Поскольку способность фильтра к ослаблению сигнала достаточно быстро возрастает с увеличением частоты, параметры фильтра определяет величина первых нескольких гармоник EMI, подавление внутренней частоты переключения f_sw является главной целью. Таким образом, при построении схемы следует в первую очередь сосредоточиться на низких значениях коэффициента усиления фильтра электромагнитных помех.

LTpowerCAD и расчет фильтра для импульсного источника питания

LTpowerCAD — это программное обеспечение, позволяющее упростить процесс проектирования источников питания и доступное для бесплатного скачивания по ссылке [1]. Цель разработки данной программы — предоставить возможность инженерам проектировать и оптимизировать параметры источника питания за несколько простых шагов, затратив лишь пару минут.

LTpowerCAD проводит пользователя через весь процесс проектирования источника питания, начиная с выбора его технических характеристик. Применение LTpowerCAD позволяет значительно сузить диапазон подходящих решений, выбрать компоненты для построения силового каскада, а также провести оптимизацию цепи питания для увеличения КПД, рассчитать цепи обратной связи и построить передаточную характеристику.

В контексте данной статьи нас в первую очередь интересует возможность проектирования в LTpowerCAD входных фильтров электромагнитных помех, что позволило бы инженерам быстро выполнить оценку уровня кондуктивных дифференциальных EMI и определить, какие компоненты могут потребоваться для построения наиболее оптимального фильтра для соответствия схемы необходимым стандартам. LTpowerCAD позволяет значительно сократить время проектирования и затраты на разработку за счет получения характеристик схемы, близких к реальным, еще до начала ее построения на печатной плате.

Проектирование EMI-фильтра в LTpowerCAD

В качестве примера использования программы LTpowerCAD построим на основе ее инструментов фильтр дифференциальных EMI. На рис. 5 показано окно программы LTpowerCAD, в котором осуществляется подбор компонентов для источника питания на базе понижающего преобразователя LTC3833 с входным напряжением 12 В и выходом 5 В/10 А, работающим на частоте 1 МГц. Перед построением фильтра следует спроектировать сам понижающий преобразователь, подобрав частоту коммутации, индуктивность силового каскада, конденсаторы и полевые транзисторы.

Рис. 5. Проектирование источника питания на основе понижающего преобразователя в LTpowerCAD

После того как компоненты силового каскада выбраны должным образом, можно перейти к построению EMI-фильтра, для этого следует нажать на соответствующий значок в окне программы. Окно построения EMI-фильтра показано на рис. 6. На схеме, отображенной в окне программы, представлен входной LC-фильтр, устанавливаемый между входными конденсаторами C_INB/C_INC источника питания и LISN. На схеме также отображены дополнительные демпферные цепочки — C_dA/R_dA на стороне LISN, C_dB/R_dB на стороне входного конденсатора источника питания, а также демпфирующий резистор R_fP на катушке индуктивности фильтра. На рис. 6 показан и график рассчитанных кондуктивных EMI и допустимые пределы в соответствии со стандартом CISPR 22.

Рис. 6. Проектирование фильтра дифференциальных кондуктивных EMI в программе LTpowerCAD (L_f = 0, без фильтра)

Выбор стандарта EMI

При построении графика EMI программа LTpowerCAD позволяет отображать допустимые пределы уровня EMI в соответствии с выбранным стандартом: CISPR 22 (для ИT-оборудования), CISPR 25 (для автомобильных устройств), а также MIL-STD‑461G. Для отображения допустимых пределов достаточно выбрать нужный стандарт во вкладке EMI Specification.

Как пример на рис. 6 приведен график EMI при отключенном фильтре (индуктивность фильтра = 0), где в качестве стандарта выбран CISPR 25. Как видно из графика, уровень EMI превосходит предельно допустимые значения CISPR 25, что дополнительно отображается на схеме в виде предупреждения, выделенного красным маркером.

Установка параметров фильтра EMI

После выбора стандарта следует выбрать и величину так называемого запаса — значения, равного разности между пределами, установленными в выбранном стандарте, и пиковой величиной EMI. Как правило, в качестве запаса выбирают величину в пределах 3–6 дБ. На основе выбранных параметров программа сама установит значения конденсатора фильтра C_f и его индуктивности L_f.

На рис. 7 показан результат подбора параметров фильтра: рекомендуемая индуктивность 0,669 мкГн, введенный параметр равен 0,72 мкГн. Преимущества использования в схеме фильтра можно оценить, сравнив графики с EMI-фильтром и без него. Для отображения графика без фильтра достаточно задействовать параметр Show EMI Without Input Filter.

Рис. 7. Подбор параметров компонентов фильтра

С подбором конденсатора фильтра дело обстоит несколько иначе, так как он представляет собой многослойный керамический конденсатор (MLCC) с диэлектрическим материалом типа X5R, X7R и т. д., его емкость может значительно уменьшиться при изменении напряжения. Как следствие, помимо номинальной емкости C(nom) пользователь должен задать значение емкости конденсатора при воздействии напряжения (V_INA или V_INB). Данный параметр можно узнать из документации на соответствующий компонент. Если же MLCC-конденсатор выбран из библиотеки LTpowerCAD, то все его параметры задаются автоматически.

Также следует учитывать, что индуктивность фильтра может иметь непостоянное значение и меняться в зависимости от насыщения током. В частности, значение L_f может значительно уменьшиться с увеличением тока нагрузки, особенно для катушек с ферритовыми бусинами. Для получения точных расчетов пользователи должны вручную ввести реальные параметры индуктивности в соответствующую графу.

Коэффициент усиления (затухания) фильтра

На рис. 7 на графике виден всплеск EMI, возникающий во время резонанса на частоте 245 кГц, что ниже частоты коммутации источника питания. На рис. 8 показан график зависимости коэффициента усиления LC-фильтра от частоты, на котором отчетливо виден всплеск на частоте 245 кГц (для просмотра данного графика из LTpowerCAD необходимо перейти на вкладку Filter Attenuation).

Рис. 8. Зависимость коэффициента усиления (затухания) фильтра EMI от частоты (с демпфированием и без демпфирования на стороне LISN)

В некоторых случаях выброс EMI, происходящий на резонансной частоте, может превысить установленные выбранным стандартом пределы. Для того чтобы ослабить данный выброс, предлагается использовать несколько дополнительных демпфирующих компонентов, например C_dA и R_dA, которые могут быть включены в схему параллельно конденсатору C_f. LTpowerCAD позволяет не только отобразить график затухания фильтра, но и упростить процесс подбора дополнительных демпфирующих компонентов. Емкость C_dA выбирают в 2–4 раза больше C_f, а R_dA программа задает автоматически.

Импеданс фильтра и входное сопротивление источника питания

При включении в схему EMI-фильтра может возникнуть ситуация, когда выходное сопротивление фильтра Z_OF начнет взаимодействовать с входным сопротивлением источника питания Z_IN, вызывая нежелательные помехи (осцилляции). Во избежание данной ситуации величина импеданса выходного фильтра должна быть намного ниже, чем величина Z_IN источника питания. На рис. 9 показан пример соотношения Z_OF и Z_IN.

Рис. 9. Соотношение выходного импеданса фильтра Z_OF и входного импеданса источника питания Z_IN

Для упрощения расчета источник питания можно рассматривать как идеальную нагрузку с постоянной потребляемой мощностью, то есть произведение входного напряжения V_IN и входного тока является постоянным. Как следствие, при увеличении входного напряжения входной ток источника будет уменьшаться, а значит, входной импеданс источника питания будет иметь отрицательное значение и вычисляться по формуле:

Z_IN = –(V_IN ²)/P_IN.

Для упрощения расчета параметров фильтра LTpowerCAD позволяет отобразить график импеданса, на котором будет видно соотношение сопротивлений Z_OF и Z_IN в специальной вкладке (рис. 10). Поскольку входной импеданс источника питания является функцией входного напряжения и входной мощности, то наихудший случай (уровень входного сопротивления минимален) возникает при условии минимального значения V_IN и максимального P_IN источника.

Рис. 10. График импеданса EMI-фильтра LTpowerCAD (с демпфирующей цепочкой для снижения выходного сопротивления и без нее)

Как видно на рис. 10, значение выходного сопротивления фильтра становится максимальным на резонансной частоте, значение которой обусловлено индуктивностью фильтра L_f и входным конденсатором C_IN источника питания. Максимальное значение выходного сопротивления фильтра должно быть ниже, чем минимальное входное сопротивление источника, и иметь при этом достаточный запас. В тех случаях, когда сопротивление фильтра необходимо уменьшить, рекомендуется использовать еще одну пару демпфирующих компонентов: конденсатор C_dB и резистор R_dB, встраиваемые в схему параллельно входному конденсатору C_IN источника питания. Применение данной демпфирующей цепочки может значительно снизить пик выходного сопротивления фильтра, причем рекомендуемые значения C_dB и R_dB выставляются LTpowerCAD автоматически.

Точность расчета фильтра в LTpowerCAD

Точность рассчитанных в LTpowerCAD параметров фильтра можно проверить, построив проект на реальной плате и разместив его на специальном лабораторном стенде для тестирования EMI. На рис. 11 показано сравнение результатов измеренного и рассчитанного EMI для источника питания с входным фильтром, в роли которого выступала модифицированная демонстрационная плата понижающего DC/DC-преобразователя LTC3851, работающего на частоте 750 кГц с входным напряжением 12 В, выходным 1,5 В и током нагрузки 10 А. Как видно на рис. 11, данные, полученные в результате измерений на лабораторном стенде и рассчитанные в LTpowerCAD, совпадают по частоте, однако измеренная амплитуда EMI оказывается несколько ниже рассчитанной.

Рис. 11. Сравнение рассчитанного в LTpowerCAD и измеренного EMI для импульсного источника питания (12 В V_IN, 1,5 В V_OUT/10 А)

При работе на высоких частотах отклонение становится более явным, но это не столь важно, так как влияние кондуктвных EMI наиболее существенно именно при работе на низких частотах. Отчасти данное несоответствие связано со сложностью учета в LTpowerCAD всех паразитных параметров компонентов, а также параметров печатной платы.

Следует отметить, что LTpowerCAD — это программное обеспечение, позволяющее провести лишь первоначальную оценку схемы, оно подходит для создания начальной отправной точки проектирования, но не способно в полной мере заменить лабораторные испытания собранного образца, которые предоставляют разработчику наиболее достоверные данные.

Заключение

Во многих областях промышленности используются компоненты, требующие тщательного контроля излучаемых от соседних устройств EMI. Для упрощения процесса производства были выделены специальные стандарты, определяющие предельно допустимый уровень электромагнитных помех для той или иной сферы. В то же время постоянное стремление к уменьшению площади печатной платы заставляет разработчиков устанавливать источники питания все ближе к чувствительным элементам, и в тех случаях, когда используется импульсный источник питания, воздействие EMI может стать серьезной проблемой. Выходом является включение в схему специальных фильтров, однако их проектирование и тестирование может оказаться довольно длительным и трудоемким процессом.

Программное обеспечение LTpowerCAD предоствляет возможность разработчикам сэкономить время и деньги, частично заменив процесс реального проектирования и тестирования компьютерным моделированием. LTpowerCAD позволяет произвести расчет EMI-фильтра для источника питания и проверить результаты с помощью графиков, а также упрощает расчет разного рода демпфирующих цепей. Результаты лабораторных замеров, приведенные в данной статье, подтверждают точность выдаваемых LTpowerCAD результатов.