Проектирование помехоподавляющих фильтров с помощью LTpowerCAD

Опубликовано в номере:
PDF версия
В статье приведена краткая информация о возможностях программы проектирования импульсных DC/DC-преобразователей LTpowerCAD по созданию и анализу параметров помехоподавляющих фильтров. На примерах показаны возможности оценки параметров преобразователей с применением и без применения фильтров подавления помех. Программа LTpowerCAD позволяет оценить уровень создаваемых кондуктивных помех, измеренных по стандартам CISPR22, CISPR25 и MIL-STD 461F.

В настоящее время электропитание подавляющей части радиоэлектронной аппаратуры осуществляется от импульсных источников вторичного электропитания. Такие источники имеют высокие значения КПД (до 96% и более) и массогабаритных показателей (удельная мощность 100–400 Вт/дм3 и более).

Импульсные источники питания используются в современных электронных системах в основном благодаря их высокой эффективности преобразования энергии. Одним из побочных эффектов, возникающих при работе таких преобразователей, являются электромагнитные помехи (ЭМП). Импульсы тока, протекающие по проводам и элементам преобразователя при переключении силовых ключей, создают богатый гармониками шум, который распространяется как по проводам (кондуктивные помехи), так и в пространстве (индуктивные помехи).

Проблема заключается в том, что высокочастотный шум может ухудшать характеристики чувствительных аналоговых или аналого-цифровых устройств. Это стало причиной разработки большого числа стандартов, устанавливающих приемлемые ограничения на ЭМП. Чтобы соответствовать подобным ограничениям, в импульсных источниках питания сначала измеряется уровень создаваемых ЭМП и, если необходимо, добавляется фильтр, ослабляющий помехи на входе преобразователя.

К сожалению, анализ электромагнитных помех и проектирование такого фильтра достаточно сложная задача, обычно требующая много времени для итеративного процесса проектирования, сборки и тестирования, и это при наличии надлежащего испытательного оборудования. Чтобы ускорить процесс проектирования фильтра ЭМП, компания Analog Devices предлагает программу LTpowerCAD, позволяющую наряду с проектированием импульсных источников питания провести анализ уровня ЭМП и разработать конструкцию помехоподавляющего фильтра [1, 2]. Программу можно бесплатно загрузить с сайта Analog Devices [3].

Рассмотрим пример проектирования фильтра ЭМП для драйвера светодиодов на основе ИМС Analog Devices. Зададим исходные данные для проектирования драйвера:

  • диапазон напряжения на входе: 4–28 В;
  • выходное напряжение: 36 В;
  • ток нагрузки: 1,5 А.

После запуска LTpowerCAD открывается окно с иконками программных модулей (рис. 1). Для выбора ИМС, позволяющей реализовать драйвер с заданными параметрами, следует нажать иконку Supply Design и в открывшемся окне (рис. 2) ввести требуемые параметры, после чего нажать кнопку Go.

Стартовое окно LTpowerCAD

Рис. 1. Стартовое окно LTpowerCAD

В окно (рис. 2) выводится список всех ИМС, которые позволяют реализовать заданные параметры. Выберем ИМС LTC3899 и нажмем значок LTpowerCAD, расположенный в первом столбце таблицы. Открывается окно System Design с принципиальной схемой преобразователя (рис. 3).

Окно установки параметров драйвера светодиодов Supply Design

Рис. 2. Окно установки параметров драйвера светодиодов Supply Design

Принципиальная схема преобразователя на основе ИМС LTC3899

Рис. 3. Принципиальная схема преобразователя на основе ИМС LTC3899

В приведенной на рис. 3 схеме необходимо дополнительно выбрать:

  • сопротивление резистора датчика тока;
  • тип транзистора силовых ключей.

При выборе сопротивления резистора датчика тока Rsns нужно нажать на прямоугольник Select Rsense Sensing, выделенный красным цветом. При каждом нажатии на этот прямоугольник изменяется величина сопротивления резистора Rsns и в окошко, отображенное красным цветом, выводится значение тока, при котором начинается работа системы защиты от перегрузки по току. Пользователю необходимо только указать требуемую величину тока, перебрав несколько значений, предлагаемых программой.

Для выбора типа транзистора достаточно щелкнуть левой кнопкой мыши по изображению транзистора и в открывшейся таблице выбрать тип транзистора, удовлетворяющий параметрам, требуемым от преобразователя. Фрагмент таблицы приведен на рис. 4. Для выбора транзистора достаточно щелкнуть левой кнопкой мыши в строке нужного элемента. Более подробно о выборе параметров и порядке работы с программой можно прочесть в [4, 5].

Таблица параметров транзисторов

Рис. 4. Таблица параметров транзисторов

Для проектирования помехоподавляющего фильтра необходимо нажать на иконку EMI Filter Design (рис. 3). В открывающемся окне (рис. 5) выводится принципиальная схема фильтра и функциональная схема измерения параметров фильтра.

Принципиальная схема помехоподавляющего фильтра (вверху); функциональная схема измерения параметров фильтра (внизу)

Рис. 5. Принципиальная схема помехоподавляющего фильтра (вверху); функциональная схема измерения параметров фильтра (внизу)

Измерение параметров помехоподавляющего фильтра происходит с помощью эквивалента сети. Пользователю предоставляется возможность выбрать стандарт измерения уровня кондуктивных ЭМП в окне EMI Specifications: CISPR22, CISPR25 или MIL-STD‑461F (рис. 6).

Окно выбора стандарта измерения уровня кондуктивных ЭМП

Рис. 6. Окно выбора стандарта измерения уровня кондуктивных ЭМП

После выбора стандарта измерения ЭМП можно ввести желаемый запас по уровню ЭМП (EMI Margin Desi-red), то есть какое минимальное расстояние вы хотите получить между выбранными стандартными пределами и пиковыми значениями спектральных составляющих помех преобразователя. Обычно достаточно 3–6 дБ. Исходя из заданной величины EMI Margin Desired, для заданного значения емкости конденсатора фильтра Cf и рабочей частоты преобразователя программа рассчитывает необходимую индуктивность катушки фильтра, L Sug (показано в желтой ячейке на рис. 5). По умолчанию программа предлагает запас по уровню ЭМП, равный 0 дБмкВ.

Частотная характеристика синтезированного фильтра помех при EMI Margin Desired, равном 0 дБмкВ, приведена на рис. 7. Кроме АЧХ, программа позволяет построить зависимость выходного сопротивления фильтра от частоты и, главное, зависимость уровня ЭМП при включенном и выключенном фильтре помех.

Частотная характеристика синтезированного фильтра

Рис. 7. Частотная характеристика синтезированного фильтра

На рис. 8 изображены зависимости спектра ЭМП при измерении по стандарту CISPR25 при включенном и выключенном помехоподавляющем фильтре. Красным цветом показаны предельные значения уровня кондуктивных помех по стандарту CISPR25.

Зависимости спектра ЭМП при измерении по стандарту CISPR25 при включенном (синий) и выключенном фильтре подавления помех

Рис. 8. Зависимости спектра ЭМП при измерении по стандарту CISPR25 при включенном (синий) и выключенном фильтре подавления помех

Для того чтобы оценить, как влияет запас по уровню ЭМП на подавление помех, введем в окошко EMI Margin Desired значение 6 дБмкВ. Результат можно увидеть, поставив галочку в окошке USE Suggested Values. Величина индуктивности L Sug увеличилась в 2 раза, а уровень помех снизился (рис. 9).

Зависимости спектра ЭМП при измерении по стандарту CISPR25 при включенном (синий) и выключенном фильтре подавления помех и заданном запасе по ЭМП 6 дБмкВ

Рис. 9. Зависимости спектра ЭМП при измерении по стандарту CISPR25 при включенном (синий) и выключенном фильтре подавления помех и заданном запасе по ЭМП 6 дБмкВ

При выборе емкости конденсатора фильтра Cf, если используются многослойные керамические конденсаторы (MLCC) с диэлектрическим материалом типа X5R, X7R и т. д., следует учесть, что его емкость может значительно снизиться при постоянном напряжении смещения на его обкладках. Поэтому пользователь должен ввести значение реальной емкости конденсаторов при воздействии напряжения смещения постоянного тока (VinA или VinB). Кривая снижения номинальных значений емкости приводится в технических описаниях производителей конденсаторов. Если параметры конденсатора MLCC заданы программой LTpowerCAD, то снижение его емкости при воздействии напряжения смещения постоянного тока учитывается автоматически [2].

При выборе катушки входного фильтра нужно иметь в виду, что значение ее индуктивности может значительно уменьшаться с увеличением тока нагрузки, особенно для катушек с ферритовыми сердечниками. Пользователи должны ввести реальную индуктивность при заданном токе нагрузки для получения точного значения ЭМП.

Как следует из графиков на рис. 8, без применения помехоподавляющего фильтра проектируемый преобразователь не удовлетворяет требованиям CISPR25. Для сравнения на рис. 10 приведены спектры ЭМП при измерении в соответствии со стандартом CISPR22.

Зависимости спектра ЭМП при измерении по стандарту CISPR22 при включенном (синий) и выключенном фильтре подавления помех

Рис. 10. Зависимости спектра ЭМП при измерении по стандарту CISPR22 при включенном (синий) и выключенном фильтре подавления помех

Как видно на рис. 10, без фильтра такой преобразователь не удовлетворяет и стандарту CISPR22.

Вся процедура создания принципиальной схемы и анализа уровня ЭМП занимает не более 15–20 мин, что позволяет достаточно быстро провести исследование возможности создания импульсного преобразователя с различными параметрами и при использовании различных контроллеров преобразователей.

Рассмотрим еще один вариант реализации драйвера светодиодов с помощью ИМС LTC3786 (рис. 11). Как следует из полученных спектров ЭМП, в такой конфигурации (рис. 12) уровень создаваемых преобразователем помех меньше по сравнению с преобразователем на основе контроллера LTC3899.

Принципиальная схема преобразователя на основе ИМС LTC3786

Рис. 11. Принципиальная схема преобразователя на основе ИМС LTC3786

Зависимости спектра ЭМП на основе ИМС LTC3786 при измерении по стандарту CISPR25 при включенном (синий) и выключенном фильтре подавления помех

Рис. 12. Зависимости спектра ЭМП на основе ИМС LTC3786 при измерении по стандарту CISPR25 при включенном (синий) и выключенном фильтре подавления помех

На графике зависимости ЭМП от частоты (рис. 12) наблюдается выброс на частоте 162 кГц, в то время как частота коммутации ключей составляет 765 кГц (рис. 11). Для понимания причин появления этого выброса нужно проанализировать АЧХ помехоподавляющего фильтра (рис. 13), которая приведена на рис. 14.

Фильтр подавления ЭМП для преобразователя на ИМС LTC3786

Рис. 13. Фильтр подавления ЭМП для преобразователя на ИМС LTC3786

Как следует из рис. 14, на частоте 162 кГц наблюдается выброс АЧХ, вызванный высокой добротностью резонансного контура, образованного индуктивностью Lf и емкостью фильтра Cf. В некоторых случаях это может привести к пику ЭМП, превышающему допустимые уровни.

АЧХ фильтра ЭМП для преобразователя на ИМС LTC3786 при различных значениях сопротивления демпфирующего резистора RdA

Рис. 14. АЧХ фильтра ЭМП для преобразователя на ИМС LTC3786 при различных значениях сопротивления демпфирующего резистора RdA

Уменьшить выброс можно за счет демпфирующих элементов фильтра CdA и RdA. В [2] рекомендуется выбирать емкость конденсатора CdA примерно в 2–4 раза больше реального значения емкости Cf фильтра, хотя программа показывает значительно большее значение (рис. 13). Добротность контура можно регулировать, изменяя сопротивление резисторов Rf и RdA. Влияние сопротивления резистора RdA на АЧХ фильтра иллюстрирует рис. 14.

На схеме фильтра (рис. 13) приведены параметры элементов, но не указан их тип и производитель. Чтобы выбрать тип элемента, необходимо (по аналогии с выбором транзисторов преобразователя) нажать левой кнопкой мышки на изображении элемента и в открывшемся окне выбрать элемент с соответствующими параметрами. К сожалению, такой выбор доступен не для всех элементов. Например, можно выбрать тип полярного конденсатора CinB, а конденсаторы других типов выбрать нельзя. То есть задача выбора компонентов должна решаться пользователем с учетом параметров, приведенных на схеме фильтра.

Анализируя полученные результаты, можно сделать выводы, что применение программы LTpowerCAD может быть полезным на этапе выбора технических решений и позволяет значительно сократить время проектирования DC/DC-преобразователей и проверить их параметры на соответствие требованиям различных стандартов по уровням ЭМП.

Литература
  1. www.analog.com/media/en/simulation-models/software-and-simulation/LTpowerCADIIhelp.pdf /ссылка закрыта/
  2. www.analog.com/media/en/analog-dialogue/volume‑54/number‑2/speed-up-the-design-of-emi-filters-for-switch-mode-power-supplies.pdf /ссылка закрыта/
  3. www.ltpowercad.analog.com/software/LTpowerCADII.zip/ссылка закрыта/
  4. www.analog.com/media/en/simulation-models/software-and-simulation/LTpowerCADIIQuickStart.pdf/ссылка закрыта/
  5. www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/ltpowerplanneriii_qsg.pdf/ссылка закрыта/

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *