Измерение напряжения кондуктивных помех импульсных преобразователей

Кондуктивные помехи на проводах питающей сети

Кондуктивные помехи можно разделить на две составляющие: дифференциальные и синфазные. Входной ток импульсного регулятора, имеющий форму близкую к треугольной, при идеально сбалансированных линиях питания порождает только дифференциальные помехи. Однако из-­за несимметричных линий питания и паразитных емкостей дифференциальные помехи могут проникнуть в земляной провод по паразитным емкостям и вызвать синфазные помехи.

Рис. 1. Действие синфазных (CM) и дифференциальных помех (DM)

Схематично действие синфазных (CM) и дифференциальных помех (DM) показано на рис. 1. Происхождение дифференциальных помех разъяснять не требуется, а вот о синфазных помехах скажем несколько слов. Причиной их возникновения обычно служат паразитные емкости, через которые происходит утечка тока. Пример возникновения синфазных помех показан на рис. 2.

Рис. 2. Механизм возникновения синфазных помех

Как видно из рис. 2, паразитные помехи создаются из-­за наличия меж­обмоточных паразитных емкостей и паразитных емкостей. Экранирующая обмотка между первичной и вторичной обмотками трансформатора позволяет существенно уменьшить межобмоточные паразитные емкости. Экранирующую обмотку необходимо подключить к фазе входного напряжения, а не к корпусу прибора. На рис. 2 можно также видеть и дифференциальные помехи – входной и выходной шум. Дифференциальные помехи передаются через трансформатор, как и полезный сигнал.

На рис. 3 показана в общем виде схема линии питания первичной стороны преобразователя с ЭМП-­фильтрами. В большинстве случаев гораздо удобнее использовать покупные ЭМП-­фильтры, благо их великое множество на отечественном рынке и подобрать требуемый для конкретного проекта не составит труда. При выборе фильтров следует обязательно уточнить, есть ли в них разрядное сопротивление. Чаще всего такое сопротивление отсутствует, и тогда необходимо ввести в схему дискретный резистор, иначе после отключения разъема от сети на выводах вилки может оставаться высокое напряжение.

Рис. 3. Схема линии питания первичной стороны с ЭМП-­фильтрами

Особенности измерения кондуктивных помех

Для того чтобы выполнить требования стандартов электромагнитной совместимости (ЭМС) требуется приложить немало усилий. И хотя основные правила обеспечения ЭМС известны, при проведении сертификационных испытаний нередко можно столкнуться с неприятным сюрпризом, когда изделие не соответствует требованиям стандартов.

Основная проблема заключается в том, что заранее нельзя рассчитать или смоделировать уровень помех, а испытания на ЭМС макетных образцов и прототипов нецелесообразны, т. к. они конструктивно отличаются от готового изделия. Таким образом, единственный способ удостовериться в соответствии изделия требованиям стандартов заключается в предварительных испытаниях готового изделия.

Рассмотрим испытания на соответствие нормам по кондуктивным помехам в проводах питающей сети. Эти помехи измеряются в диапазонах частот 9 кГц…30 МГц или 150 кГц…30 МГц. Общая схема испытаний приведена на рис. 4. Устройство LISN (Line Impedance Stabilization Network) на рис. 4 представляет собой схему стабилизации полного сопротивления. Иногда вместо LISN встречается термин AMN (Artificial Mains Network) – эти два термина эквивалентны [1].

Рис. 4. Общая схема измерений кондуктивных помех на проводах питающей сети

Основная цель LISN/AMN заключается в том, чтобы исключить влияние на результаты измерения нестабильности полного сопротивления сети и помех с ее стороны. Однако следует иметь в виду, что если приходится работать с «грязной», зашумленной сетью, необходимо использовать сетевой ЭМП-­фильтр. При использовании LISN/AMN и ЭМП-­фильтра можно быть уверенным, что измеряются помехи, создаваемые испытуемым устройством, а не случайные помехи сети. Значение полного сопротивления LISN/AMN в зависимости от частоты указаны в [1]. Другие примеры сетей LISN/AMN см. в [2].

Предполагается, что кондуктивные помехи свыше 30 МГц значительно ослабляются из-­за поверхностного эффекта, а также за счет паразитных индуктивностей рассеяния проводов, и этими шумами можно пренебречь. Помехи свыше 30 МГц представляют собой радиопомехи и также нормируются стандартами. В статье рассматриваются испытания, в процессе которых измеряются только кондуктивные помехи. Упрощенная структурная схема измерения кондуктивных помех показана на рис. 5.

Рис. 5. Упрощенная структурная схема измерения кондуктивных помех на проводах питающей сети

Практический пример измерения кондуктивных помех

Рассмотрим процесс измерения кондуктивных помех на примере DC/DC-­преобразователя. На рис. 6 показан типовой входной ток импульсного DC/DC-­регулятора с частотой следования импульсов 2 МГц. Входной ток с частотой следования импульсов импульсного регулятора схож с током, который протекает через накопительную индуктивность регулятора. Переменная составляющая входного тока величиной 260 мА в рассматриваемом примере определяет помехи в дифференциальном режиме. Ее необходимо минимизировать с помощью входного фильтра. Из-­за паразитных эффектов линий питания и компонентов входной цепи при нарастании и спаде входного тока возникают высокочастотные колебания в диапазоне 1 МГц.

Рис. 6. Входной ток импульсного преобразователя

При протекании входного тока через эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) входного конденсатора и импедансы линий питания импульсного регулятора возникает падение напряжения. Это нежелательная переменная составляющая на входном конденсаторе импульсного регулятора. Во‑первых, из-­за нее возникает нагрев конденсатора, что сокращает срок его службы; во‑вторых, это пульсирующее напряжение порождает помехи.

Осциллограмма напряжения на конденсаторе показана на рис. 7 [3]. В этом примере используется электролитический конденсатор с неизвестным, но достаточно высоким ESR, в результате чего возникает нежелательная переменная составляющая с размахом около 2,8 В. Из-­за паразитных эффектов возникают также ВЧ-­колебания. В данном случае частота этих колебаний составляет 71 МГц.

Рис. 7. Осциллограмма напряжения на входном конденсаторе

На рис. 8 показана LISN-­схема для цепи постоянного тока, соответствующая требованиям стандарта CISPR 25. Нормы и методы измерений CISPR 25, которые определяют защиту радиоприемных устройств, размещенных на подвижных средствах, могут применяться для тестирования ЭМС на этапе разработки импульсных DC/DC-­регуляторов. Назначение схемы стабилизации полного сопротивления (импеданса) линии состоит в устранении наводки от напряжения помех как чисто переменной величины V_Diff. Оно измеряется с помощью внутреннего сопротивления 1 кОм. Собственный НЧ-­фильтр схемы стабилизации импеданса предотвращает возникновение помехи на другом электрическом оборудовании, подключенном к источнику питания. Источник напряжения V_Supp соединен с входными выводами этой схемы. В случае использования импульсного регулятора на испытуемый образец тоже подается напряжение V_DC/DC. На рис. 9 представлен результат измерения пикового значения напряжения помехи с помощью анализатора спектра.

Рис. 8. Схема LISN для цепи постоянного тока

Рис. 9. Результат измерения пикового значения напряжения помехи с помощью анализатора спектра при полной нагрузке

Как и испытуемый образец, понижающий DC/DC­-преобразователь тестировался без входного фильтра на коммутационной частоте 2 МГц при входном напряжении 10 В и входном эффективном токе 0,7 А. Напряжение помехи определяется в разных частотных диапазонах в зависимости от метода стандартизации. В рассматриваемом случае измерение проводилось в соответствии с нормами CISPR 25 при начальной частоте 150 кГц и конечной 108 МГц. На осциллограмме хорошо видно колебание с частотой равной рабочей частоте преобразователя. Амплитуда гармонических составляющих падает по мере увеличения частоты в диапазоне сотен МГц. Максимальная амплитуда этого колебания составляет 128 дБмкВ. Уровень помехи V_Diff, как правило, определяется с помощью следующего выражения:

После преобразования уравнения (1) получаем приблизительный результат измерения напряжения помехи VRipple с помощью формулы (2):

Таким образом, напряжение помехи V_Ripple равно 2,6 В, что примерно соответствует размаху напряжения ранее измеренного напряжения на входном конденсаторе (рис. 7). Очевидно, что для подавления этой помехи требуется входной фильтр.

Международный стандарт CISPR 24 Class 1 определяет предельную величину амплитуды 66 дБмкВ для узкополосной помехи на частоте 2,0 МГц. Однако предельные значения согласно CISPR 25 и другим стандартам неприменимы для измерений на этапе проектирования, поскольку измерение дифференциальной помехи не установлено нормами ЭМС. Их можно использовать для грубой оценки излучаемых помех в источниках питания. Максимальная амплитуда паразитного излучения, как правило, определяется в наихудшем случае. Таким образом, измерения характеристик импульсных регуляторов выполняются при полной нагрузке и минимальном входном напряжении. На рис. 10 представлен результат измерения того же испытуемого образца с током нагрузки всего 50 мА.

Рис. 10. Результат измерения пикового значения напряжения помехи с помощью анализатора спектра при малой нагрузке

Из рис. 10 можно определить амплитуду паразитных излучений при малой нагрузке в ВЧ­-диапазоне. В рассматриваемом случае максимальная амплитуда колебания составляет 112 дБмкВ, что всего на 16 дБ ниже, чем при полной нагрузке.

Заметим, что для измерения помех не годится стандартный анализатор спектра – он отражает неправильный результат. Стандартный анализатор спектра покажет пиковые значения, в то время как нормируются квазипиковые и средние значения. Следовательно, необходимо использовать либо специальный анализатор ЭМС, либо передавать данные в компьютер и с помощью ПО обрабатывать их.

Для приблизительной оценки можно удовольствоваться упрощенными схемами детекторов. На рис. 11 представлена базовая схема детектора средних значений. В нем усиленное напряжение сигнала промежуточной частоты V_IF сначала выпрямляется диодом, который заряжает накопительный конденсатор C_S до величины огибающей. Резистор R_D используется при последующем разряде этого конденсатора. Затем напряжение огибающей сглаживается с помощью НЧ-­фильтра из R_M и C_M, после чего среднепиковое значение V_M поступает на конденсатор C_M. Такой режим отображения выбирается для того, чтобы определить модулированные несущие частоты, которые применяются в работе импульсных регуляторов.

Рис. 11. Схема среднепикового детектора

В случае применения квазипикового детектора, схожего со среднепиковым детектором, заряжается накопительный конденсатор C_S. На рис. 12 показана базовая схема квазипикового детектора.

Напряжение сигнала промежуточной частоты сначала выпрямляется с помощью диода. Накопительный конденсатор CS заряжается при постоянной времени R_LC_S через нагрузочный резистор R_L. Затем разряжается накопительный конденсатор C_S с постоянной времени R_DC_S. Анализатор спектра (прибор М на рис. 9) отображает квазипиковые значения импульсов заряда и разряда накопительного конденсатора.

Рис. 12. Схема квазипикового детектора

Выводы

На представленных в этой статье примерах мы убедились в необходимости проведения испытаний импульсных преобразователей на ЭМС еще на этапе разработки. По полученным осциллограммам можно заранее оценить уровень электромагнитных помех на входе импульсного регулятора. Однако определяющими по-­прежнему остаются измерения напряжения помехи с помощью анализатора спектра и схемы стабилизации импеданса линии. Если на этапе проектирования импульсного регулятора уже учитывается наличие входного фильтра, его влияние можно проверить с помощью анализатора спектра. Применяя этот метод, разработчик получает возможность установить уровни нежелательных помех в импульсном регуляторе. Селективное использование фильтрующих элементов позволяет приложению успешно пройти финальный тест на электромагнитную совместимость.