Входные фильтры – ключевое средство для успешной проверки ЭМС

Дифференциальные шумы

Для начала посмотрим, как появляются дифференциальные шумы – сигналы помех в симметричной системе с токами, протекающими в противоположных направлениях по линиям импульсного преобразователя между источником и нагрузкой (рис. 1).

Рис. 1. Симметричная система

Во входной цепи в сигнал тактовой частоты силового модуля входит переменная составляющая тока, которая накладывается на полезный ток. Ее конфигурация схожа с током через накопительный дроссель силового модуля. Входной ток течет во входной конденсатор C_IN. На практике у конденсаторов имеются паразитные составляющие — эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) (рис. 2). Из-­за резистивной составляющей по переменному току входного конденсатора и импеданса линий силового модуля возникает нежелательный перепад напряжения.

Рис. 2. Появление напряжения шума

В таком виде напряжение шума выглядит как дифференциальный сигнал. Амплитуда напряжения помехи на входном конденсаторе, по сути, зависит от величины ESR используемого конденсатора. У электролитических конденсаторов эта величина относительно высока и находится в диапазоне от нескольких мОм до нескольких Ом. Следовательно, напряжение помехи заключено в пределах от нескольких мВ до нескольких В. С другой стороны, поскольку у керамических конденсаторов этот показатель составляет всего несколько мОм, напряжение помехи равно нескольким мВ. Кроме того, на это напряжение оказывает большое влияние схема монтажа платы силового модуля.

Чтобы уменьшить дифференциальные шумы, на вход преобразователя устанавливается, по меньшей мере, один простой LC-­фильтр, который минимизирует высокочастотную составляющую тока в линии. В высокоимпедансных системах такой входной фильтр теоретически позволяет уменьшить напряжение в полосе подавления со спадом 40 дБ/декаду, но на практике ослабление меньше из-­за невысоких значений входных и выходных импедансов ненагруженной схемы, а также из-­за потерь в компонентах. При определении параметров LC-­фильтра выбирается частота среза f_C. Ее величина меньше коммутационной частоты f_SW силового модуля. Если она меньше в 10 раз, вносимая потеря составляет 40 дБ на частоте коммутации, на которой амплитуда помехи наиболее велика.

Частота среза LC-­фильтра определяется следующим образом:

Для примера того, как рассчитывается фильтр, выберем индуктивность равной 10 мкГн, а затем преобразуем уравнение (1) в следующий вид:

Как видно из рис. 3, емкость фильтра можно установить на стороне источника напряжения или на входе силового модуля. Определяющим фактором в ослаблении пульсирующего тока от источника напряжения является катушка индуктивности фильтра.

Рис. 3. Компоненты входного фильтра

Если резонансный эффект фильтра очень велик, при изменениях входного регулируемого напряжения могут возникать колебания. Критерием устойчивости в данном случае является условие, что выходной импеданс входного фильтра Z_{OUT, FILTER} в широком частотном спектре должен быть меньше входного импеданса силового модуля Z_{IN, CONVERTER}:

Кроме того, частота среза входного фильтра f_C должна быть намного меньше частоты среза f_CO силового модуля.

На рис. 4 показано, как эти условия реализуются путем установки RC-­цепочки (аттенюатора) параллельно входу силового модуля.

Рис. 4. Способ уменьшения выходного сопротивления фильтра

Аттенюатор ухудшает добротность входного фильтра и, следовательно, его входной импеданс на частоте резонанса. Величина резистора R_D аттенюатора при добротности фильтра Q_f = 1 рассчитывается следующим образом:

Из практики известно, что емкость конденсатора C_D аттенюатора должна удовлетворять следующему условию:

5C_f < C_D < 10C_f .     (5)

Добротность фильтра можно также ухудшить с помощью электролитического конденсатора, установленного параллельно входу фильтра вместо аттенюатора. Как правило, для ослабления резонансного эффекта достаточно величины ESR этого конденсатора.

Выбор компонентов LC-­фильтра

И конденсаторы, и катушки индуктивности обладают и индуктивными, и емкостными свойствами. Фильтрующий эффект катушек индуктивности наиболее заметно проявляется на их собственной резонансной частоте колебаний (SRF), которая в большой степени зависит от индуктивной и емкостной связи между витками обмотки. У конденсаторов собственная частота колебаний в значительной мере зависит от емкости и длины их выводов. Таким образом, при выборе компонентов фильтра следует убедиться в том, что собственная резонансная частота равна верхнему пределу частотного диапазона, где напряжение помех принимает максимальное значение, а фильтр, соответственно, должен быть активен.

Определяющую роль в уменьшении дифференциального шума является катушка индуктивности фильтра, поскольку она противодействует быстрому нарастанию и спада тока во входной цепи. На рис. 5 показаны частотные характеристики импеданса трех дросселей со стержневыми сердечниками семейства WE­SD от компании Wurth Elektronik.

Рис. 5. Примеры частотной зависимости импеданса дросселей со стержневыми сердечниками семейства WE-SD

Чем больше индуктивность, тем меньше собственная частота колебаний. Рекомендуется выбирать катушку, у которой численное значение индуктивности меньше емкости конденсатора фильтра. На практике выбирается индуктивность фильтра с максимальным значением 10 мкГн, поскольку (в зависимости от схемы) у такой индуктивности собственная частота колебаний приблизительно равна 30 МГц.

Если величина тока превышает номинальную для индуктивности фильтра, обмотка может повредиться. Взяв за основу эффективность импульсного преобразователя, можно рассчитать эффективный входной ток силового модуля с помощью уравнения (6):

Из соображений безопасности следует выбирать большее значение, равное номинальному току катушки фильтра. В качестве конденсатора фильтра можно использовать конденсатор с жидким электролитом, полимерный или даже керамический конденсатор. При этом необходимо, чтобы добротность фильтра на частоте среза была достаточно низкой.

Далее следует определить параметры П-­фильтра. В оптимальном случае входной фильтр устанавливается как можно ближе к входу силового модуля. В том случае если этот фильтр расположен дальше от входа из-­за своих размеров, проводники между фильтром и входом могут работать на высоких частотах как антенны. Индуктивность проводников, однако, можно использовать с емкостью керамического конденсатора, чтобы получился дополнительный LC-­фильтр с более высокой частотой среза (рис. 6). Из-­за пренебрежимо малого значения ESR керамический конденсатор закорачивает ВЧ­-напряжения на землю при собственном малом импедансе.

Рис. 6. Входной П-­фильтр

Собственная частота колебаний этого конденсатора должна находиться примерно в полосе коммутационной частоты силового модуля. На рис. 7 показаны кривые импеданса керамических конденсаторов WCAP-­CSGP типоразмера 0805 от Wurth Elektronik.

Рис. 7. Импеданс керамических конденсаторов WCAP-CSGP

Из компонентов, чьи характеристики представлены на рис. 7, в рассматриваемом примере при тактовой частоте 2 МГц подойдет конденсатор емкостью 1 мкФ (красная кривая). Даже керамический конденсатор на 100 нФ (с резонансной частотой, выделенной синим цветом), который применяется как разделительный во множестве электронных схем, – достаточно хороший кандидат при этих значениях параметров. Заметим, однако, что по сравнению с конденсатором на 1 мкФ у конденсатора емкостью 100 нФ эквивалентное последовательное сопротивление в девять раз больше.

Выбор выходного фильтра

Поскольку у некоторых силовых модулей, например MagI³C от Wurth Elektronik, пренебрежимо малая остаточная пульсация на выходе, выходные фильтры не требуются. В том случае, когда компоненты (например, сенсорные переключатели, аналоговые коммутационные цепи), получающие питание от импульсного преобразователя, используются для развязки сигналов помех между интерфейсами, появляется необходимость в выходном фильтре для выходного напряжения.

В электрической схеме на рис. 6 выходной фильтр представлен в виде опции, как и в схеме на рис. 8. Как правило, нельзя точно установить необходимость в таком выходном фильтре и определить его эффективность безотносительно конкретного приложения. Выходной фильтр позволяет уменьшить остаточную пульсацию силового модуля до минимума или подавить нежелательные субгармонические колебания. Этот фильтр выбирается по аналогии с приведенным выше описанием. Необходимость в ослаблении резонансного эффекта фильтра в таком случае отсутствует.

Рис. 8. Выходной фильтр

Измерение напряжения шума

Напряжение шума измеряется в соответствии с базовым стандартом IEC CISPR 16–2-­1, который описывает типы измеряемых переменных шума, используемое оборудование для разных интерфейсов и измерительную установку для настольных и напольных устройств. Помехи анализируются в диапазоне 9 кГц…30 МГц. В состав измерительных устройств помимо приемника электромагнитных помех входит ряд схем стабилизации импеданса линии (LISN), датчики напряжения, токоизмерительные клещи и емкостные датчики.

В измерительной установке для настольных устройств испытываемое устройство устанавливается на непроводящий стол, который находится на заземляющей поверхности. Высота этого стола должна быть 40 см. В том случае, если используется и вертикальная заземляющая поверхность, высота стола равна 80 см (рис. 9). Схема стабилизации импеданса линии соединяется с заземляющей плоскостью, что обеспечивает хорошую проводимость. Испытуемое устройство и любые подключенные к нему кабели должны располагаться на расстоянии 40 см от заземляющей поверхности.

Рис. 9. Испытательная установка для измерения кондуктивных помех в силовых линиях

Длина кабеля между испытуемым устройством и схемой стабилизации импеданса линии не должна превышать 80 см. Приемник ЭМП анализирует асимметричное напряжение шума, которое поступает на него через схему LISN и соединительный кабель.

Измерение излучаемых помех

Метод измерения излучаемых помех частотой выше 30 МГц описан в базовом стандарте IEC CISPR16–2-3. Для измерений такого рода, как правило, используется безэховая комната с проводящим полом или безэховая камера. И в этом случае испытуемое устройство помещается на непроводящий стол (для переносных или настольных устройств) или на пол. Чтобы иметь возможность во время измерений поворачивать испытуемое устройство вокруг его собственной оси в исходном состоянии, оно помещается на поворотный стол (рис. 10). В сравнительно больших безэховых помещениях приемная антенна устанавливается на расстоянии 10 м от испытуемого устройства на высоте, которая соответствует максимальной величине электрического поля на каждой частоте измерения. Кроме того, ориентация этой антенны меняется, что обеспечивает горизонтальную и вертикальную поляризацию. В небольших безэховых камерах расстояние между антенной и испытуемым устройством составляет 3 м. Высота антенны должна быть фиксированной, а пол между испытуемым устройством и антенной покрыт поглощающим материалом.

Рис. 10. Установка для измерения излучаемых помех в безэховых комнатах или камерах

Пример измерения напряжения шума

В этом разделе мы посмотрим на практическом примере, как измеряется напряжение шума с помощью макетной платы силового модуля MagI³C от Wurth Elektronik и понижающего преобразователя 171 020 601.

Уже на предварительном этапе следует измерить с помощью осциллографа ВЧ-­составляющую напряжения на входе силового модуля. Расчетный спектр помехи можно проанализировать во временной области в самом начале проектирования фильтра.

На рис. 11 показана импульсная составляющая сигнала напряжения величиной 80 мВ, измеренная на входе силового модуля 7,5 В при среднем входном токе 1,2 А и среднем нагрузочном токе 2 А. Поскольку входной ток нарастает при уменьшении входного напряжения, возникает эффект отрицательного входного напряжения импульсного преобразователя. По этой причине напряжение шума измеряется для случая наихудших условий — при минимальном входном напряжении и максимальном токе.

Рис. 11. Сигнал во временной области с широкополосным спектральным составом

Однако определяющим фактором в анализе этого типа излучаемого шума остается измерение напряжения шума, которое выполняется в испытательной лаборатории технических средств по требованиям ЭМС. На рис. 12 представлен результат измерения напряжения шума без входного фильтра.

Рис. 12. Анализ напряжения шума без входного фильтра

Этот силовой модуль работает на тактовой частоте 370 кГц. В спектре помех можно измерить максимальную амплитуду величиной 68 дБмкВ (пик красного цвета). Амплитудная плотность напряжения шума уменьшается приблизительно со скоростью 40 дБ/декаду. Это значит, что выше 15-й гармоники шум очень мал. Однако только начиная с 9-й гармоники и выше уровень шума опускается ниже предельного значения более чем на 10 дБ для детектора среднеквадратичных значений (темно-синяя кривая).

Для расчета подходящего LC-­фильтра воспользуемся уравнением (2). Поскольку коммутационная частота сравнительно мала, выбираем дроссель с низкой частотой собственных колебаний и катушку индуктивности на 4,7 мкГн, после чего рассчитываем емкость фильтра:

У выбранного конденсатора фильтра емкость выше – 10 мкФ. Максимальный входной ток рассчитывается с помощью уравнения (6). Для расчета требуется знать КПД макетной платы, который определяется путем измерения. В данном случае он равен 91%:

На основе расчетов индуктивности фильтра и входного тока выбирается соответствующий дроссель. Таковым оказался неэкранированный дроссель серии PD2 от Wurth Elektronik типоразмера 5820. На рис. 13 показаны результаты измерения напряжения шума с согласованным фильтром.

Рис. 13. Анализ напряжения шума с входным фильтром

Уровень измеренных помех на коммутационной частоте 370 кГц составил 30 дБмкВ. Уровни всех гармоник ниже 20 дБмкВ, т. е. они стали значительно меньше. Среднеквадратичный уровень на частоте 370 кГц соответствует пиковому значению и на 18 дБ ниже предельного среднеквадратичного значения 47 дБмкВ. При измерении таких кондуктивных помех вполне достаточно исходить из отношения сигнала к шуму, чтобы подтвердить адекватность этого измерения. Цель измерения шумового напряжения состоит в том, чтобы убедиться в полезности анализа возможных помех во временной области. При этом анализ в частотной области по-прежнему незаменим.

Наконец, воспользовавшись приведенными выше уравнениями для расчета ослабляющего сопротивления, получим:

Чем больше величина сопротивления аттенюатора, тем лучше подавляется резонанс фильтра. В данном случае выбирается 1 Ом — ближайшее большее значение резистора серии E12. Для ослабляющего конденсатора выбирается емкость величиной 47 мкФ. Эти компонентом вполне может оказаться керамический конденсатор  eiCap серии WCAP-CSGP от Wurth Elektronik.

Измерения согласно стандарту IEC CISPR 22

Рассмотренные выше измерения были выполнены согласно стандарту IEC CISPR16–2-1. Благодаря схеме стабилизации импеданса линии асимметричное напряжение было изолировано и приравнено к синфазному напряжению, которое затем сравнивалось с предельным значением из стандарта IEC CISPR 22 на устройства для индивидуального и коммерческого применения (Class B). В отношении компонентов источника питания (в т. ч. к импульсным контроллерам всех типов) непосредственно действующие стандарты по ЭМС отсутствуют.

Необходимо установить категорию всей системы, в которой применяется импульсный преобразователь, и испытать ее в соответствии со стандартами, которые действуют в отношении изделия или семейства изделий. В рассмотренном примере за основу был взят стандарт IEC CISPR 22 для ИТ-приложений. Предельные значения из CISPR 22 также указаны в общем стандарте IEC 61000–6–3. В случаях отсутствия стандартов для конкретных устройств применяются общие стандарты.

Выводы

Какой бы величины ни была ВЧ-­составляющая в линиях питании преобразователя, входной фильтр является в настоящее время необходимым средством для проверки на со­ответствие требованиям к ЭМС. Для расчета такого входного фильтра используются простые уравнения. Учитывая в них значения импедансов фильтра и импульсного контроллера, можно избежать нежелательных колебаний, а также обеспечить устойчивость управления самого импульсного преобразователя. Тщательный выбор компонентов фильтра определяет эффективность работы его схемы. У инженера, достаточно хорошо разбирающегося в методах испытаний на электромагнитную совместимость, имеются все возможности реализовать эффективно функционирующий контроллер и регулировать в широких пределах параметры фильтра.