Для любого импульсного источника питания (ИИП) необходим входной фильтр подавления электромагнитных помех (ЭМП-фильтр), чтобы не вызывать помех в цепи питания, которые, в свою очередь, могут вызвать помехи в других компонентах или системах, подключенных к этой цепи питания. Следовательно, проектирование и оптимизация входного фильтра является важной задачей на этапе разработки ИИП. Хотя необходимо использовать фильтры и для синфазных, и для дифференциальных помех, они редко оптимизируются по отдельности. В частности, при работе с высокими мощностями такой подход может привести к значительно большим размерам ЭМП-фильтра, чем это на самом деле необходимо.
Маркус Зонст (Marcus Sonst), отдел прикладных разработок, компания Rohde & Schwarz, г. Мюнхен
В этой статье рассматривается простой метод разделения синфазного и дифференциального шума с помощью эквивалента сети питания (эквивалента полного сопротивления сети, LISN) с двумя выходами и осциллографа, имеющего не менее двух каналов, что позволяет раздельно проводить оптимизацию фильтров для синфазных и дифференциальных помех и получать более точные результаты для оптимизации входного фильтра.
ЭМП становятся еще более важными для широкозонных полупроводников
По своей природе ИИП работают с большими импульсами тока и, следовательно, генерируют значительное количество шума. Выбор топологии ИИП важен и влияет на конструкцию фильтра; топология двойного чередования повышающих преобразователей создает меньше шума, чем простой повышающий преобразователь. После выбора топологии существует несколько конструктивных параметров, влияющих на уровень шума. Ключевым параметром является частота переключения (частота ШИМ) преобразователя. Очень часто для получения компактной конструкции выбирается высокая частота ШИМ. Однако высокая частота ШИМ может быть причиной чрезмерных электромагнитных помех. Очень важно понимать корреляцию между временем нарастания и спада переключающего элемента и генерируемым шумом. Обычно выбирается быстрый переключающий элемент. В настоящее время даже устройства с широкой запрещенной зоной на основе SiC или GaN очень часто используются при разработке преобразователей напряжения для повышения эффективности. Такие быстрые переключающие элементы усиливают генерацию шума, если устройство не было тщательно оптимизировано с целью устранения этого эффекта. В дополнение к параметрам устройства всегда полезно минимизировать паразитные элементы во всей конструкции, включая печатную плату. Например, высоковольтный переключающий элемент в сочетании с подключением к металлическому корпусу для охлаждения создает паразитную емкость, которая может выступать в качестве пути для выхода синфазного шума из системы.
Типовая структура входного ЭМП-фильтра
Входной ЭМП-фильтр обычно состоит из двух функциональных частей; первая часть — для подавления синфазного шума, вторая — для подавления дифференциального шума.
Для преобразователя переменного тока в постоянный ключевыми компонентами фильтра дифференциальных ЭМП являются индукторы дифференциального режима и Х-конденсаторы. Для фильтра синфазных ЭМП — дроссели и Y-конденсаторы синфазного режима. В некоторых случаях индукторы дифференциального режима могут быть исключены, поскольку дроссели синфазного режима могут работать и в качестве индукторов дифференциального режима.
Разделение синфазного и дифференциального шума
Стандарт по ЭМС регламентирует проведение измерения кондуктивного излучения на обеих линиях электропитания, а также устанавливает требования к верхнему пороговому напряжению во всем диапазоне частот. Это измерение выполняется последовательно сначала на одной линии электропитания, а затем на другой. Хотя этого достаточно для прохождения испытания на соответствие стандарту по кондуктивному излучению, такое измерение не дает никакого представления о механизмах распространения шума, поскольку измерение представляет собой комбинацию синфазного и дифференциального шума на проводниках.
Синфазный шумовой ток Icm течет от ИУ (испытуемого устройства) по обеим линиям эквивалента сети и обратно в ИУ через внешний путь заземления, в результате чего на внешнем пути заземления образуется сумма двух составляющих тока. Амплитуда и фаза одинаковы на обоих проводниках, положительном и отрицательном. Дифференциальный шумовой ток протекает по-другому: ток по положительному проводнику течет в эквивалент сети, а обратным путем для этого шумового тока является отрицательный проводник. Единственная разница состоит в фазе между этими двумя токами; она отличается на 180° и в идеале эти токи должны компенсировать друг друга. Используя несложную математику, можно разделить синфазный и дифференциальный шум. С помощью отдельных токов:
IP = ICMa + IDM
IN = ICMb – IDM
можно легко рассчитать напряжения на двух проводниках:
VP = (ICMa + IDM) * ZLISN
VN = (ICMb − IDM) * ZLISN
На основе соотношений между отдельными напряжениями и синфазным и дифференциальным напряжениями:
VP + VN = VCMa + VCMb
можно рассчитать синфазное и дифференциальное напряжения:
VCM = VP + VN
VDM = ½ (VP − VN)
Простое вычитание дает значение, которое вдвое превышает уровень шума дифференциального режима или на 6 дБ больше, что необходимо учитывать при обработке результатов. Используя эти простые вычисления, можно разделить синфазный шум и дифференциальный шум (включая вычитание 6 дБ из дифференциального результата). Эта несложная математика лучше отражает реальную ситуацию, если установка (кабель, компоненты эквивалента сети и т.д.) максимально симметрична; шум на двух проводниках необходимо измерять одновременно. Простая, но эффективная установка для разделения синфазного и дифференциального шума показана на рисунке 2. Эквивалент сети с двумя выходами (или два идентичных эквивалента сети) используется для подключения к обеим линиям электропитания, а сигналы захватываются двумя каналами осциллографа. На осциллографе рассчитываются суммарный и разностный сигналы, а также БПФ (быстрое преобразование Фурье). Это позволяет напрямую получить синфазный и дифференциальный шумовые сигналы.
Хотя любая асимметрия между двумя эквивалентами сети будет иметь некоторое влияние на результат измерения, на практике этот метод обеспечивает достаточно точные результаты. Важно учесть следующие моменты: использовать кабели одинаковой длины, а также использовать кабели достаточно высокого качества, чтобы избежать сдвига во времени или потери амплитуды, которые напрямую повлияли бы на способность разделять компоненты шума.
Кроме того, следует использовать осциллограф с достаточно низким уровнем шума, прямым вводом частотных параметров, таких как начальная и конечная частота или полоса разрешения, и достаточно быстрой функцией БПФ.
Практический пример
ИУ, используемое для демонстрации нового метода, представляет собой простой понижающий преобразователь. Входной фильтр ИУ представляет собой простой П-образный LC-фильтр, который очень эффективен для подавления дифференциального шума. Установка позволяет легко установить или убрать П-образный LC-фильтр. На печатной плате нет синфазных фильтров, поэтому синфазный дроссель присоединяется к плате снаружи. Преобразователь не имеет корпуса; печатная плата просто помещается на изолирующий блок на металлической пластине заземления. В этой установке намеренно устраняется генерации чрезмерного синфазного шума.
Первое измерение, показанное на рисунке 3, было проведено, чтобы показать максимальный спектр во входных силовых проводниках. Измерение опорного уровня уже установило уровень шума системы при отключенном ИУ. Дополнительные 6 дБ в дифференциальном режиме были компенсированы путем деления суммы пополам перед выполнением БПФ. Для синфазного режима сумма используется напрямую, так как общее количество синфазного шума представлено суммой двух каналов измерения.
Пик на частоте 300 кГц в опорной линии вызывается системой, а не преобразователем, и им можно пренебречь, по крайней мере до уровня 25 дБмкВ. Сильный дифференциальный шум (порядка 65 дБмкВ) во время измерения на частоте 300 кГц вызван частотой ШИМ преобразователя. Первая гармоника и ее более высокие нечетные производные вызваны отраженным пульсирующим током, который доминирует в спектре дифференциального режима. В синфазном спектре также видны некоторые пики; они не фильтруются дифференциальным фильтром.
LC-фильтр рассчитан на подавление основной амплитуды на частоте 300 кГц. Расчетная резонансная частота фильтра составляет 19,3 кГц, что должно привести к подавлению около 40 дБ на частоте ШИМ. Используется фильтр второго порядка, поэтому затухание составляет около 40 дБ/декаду.
Дифференциальный шум очень эффективно снижается на частотах до 10 МГц, он подавляется почти на 30 дБ по сравнению с предыдущим нефильтрованным значением. В частности, основная частота 300 кГц и кратные ей гармоники имеют намного более низкую амплитуду. В области высоких частот фильтр не так эффективен; шум подавляется не более, чем на 10 дБ.
Синфазный шум существенно не уменьшается, поскольку фильтр был разработан для подавления дифференциального шума. Для подавления синфазного шума используется дополнительный фильтр. В данном случае установлен синфазный дроссель от компании Würth Electroniсs.
Синфазный шум уменьшился, в частности, в диапазоне от 2 МГц до 60 МГц. Кроме того, также подавляется дифференциальный шум, поскольку синфазный дроссель неидеален, и результирующая индуктивность рассеяния действует как дифференциальный фильтр. Помимо этого, на шум дифференциального режима также может влиять то, что установка не была оптимизирована (на печатной плате отсутствует синфазный дроссель) и поэтому некоторые асимметричные компоненты могут привести к этому дополнительному эффекту подавления. Тем не менее, на рисунке 5 ясно видно, что синфазный шум очень эффективно подавлялся за счет установленного синфазного дросселя.
Заключение
Эффективная конструкция входного фильтра имеет важное значение для соответствия стандартам ЭМП на кондуктивное излучение импульсного источника питания. Часто фильтр подавления ЭМП состоит как из синфазного, так и из дифференциального фильтров, оба элемента должны быть спроектированы и оптимизированы. Точная информация о синфазном шуме и, соответственно, о вкладе дифференциального шума в значительной степени облегчает задачу проектирования и оптимизации входного ЭМП-фильтра. С помощью эквивалента сети с двумя выходами (или двух идентичных эквивалентов сети) и некоторых математических расчетов на осциллографе синфазный и дифференциальный шум можно разделить непосредственно на осциллографе. В результате мы имеем эффективный инструмент для оптимизации обеих частей фильтра подавления ЭМП с использованием БПФ-функций осциллографа, который должен иметь каждый разработчик источников питания.
