Как убрать помехи от импульсного блока питания на радио
Перейти к содержимому

Как убрать помехи от импульсного блока питания на радио

  • автор:

Подавление помех от импульсных источников питания

Импульсные блоки питания в большинстве случаев создают основную электромагнитную «пелену» помех в полосе частот 1. 100 МГц, т. е. во всех КВ-диапазонах и в начале УКВ. Дело осложняется и тем, что число таких блоков исчисляется сегодня десятками в одном жилище (компьютеры, мониторы, освещение, различные зарядные устройства и т. п.) и сотнями в одном доме — в ближней зоне КВ-антенны любительской радиостанции.

Даже если предположить идеальный случай — соответствие нормам на паразитное излучение всех близлежащих блоков питания, то сумма нескольких десятков паразитных полей явно будет выше нормы. И в своём КВ-приёмнике вы услышите массу паразитных сигналов, которые, по нерушимому закону «падающего бутерброда», окажутся на частоте DX. В реальности же среди десятков окружающих вас импульсных блоков питания найдутся и те, в которых фильтрация помех сделана плохо, а то и вовсе отсутствует. Один такой блок может закрыть возможность приёма во всей полосе КВ в радиусе десятков метров. Поэтому важно знать, как подавлять паразитное излучение кабелей импульсного блока питания, чтобы правильно дорабатывать существующие устройства и выбирать новые.

На рис. 1 приведена упрощённая схема импульсного блока питания. Точнее, узел преобразования напряжения показан предельно упрощённо, а вот цепи подавления помех, наоборот, полностью. И общий случай питания — от трёхпроводной (с отдельным проводом электротехнического заземления) розетки.

Схема импульсного блока питания

Рис. 1. Схема импульсного блока питания

Дроссели L1 и L2 подавляют синфазные помехи, идущие от блока питания и подключённого к нему устройства (например, трансивера с антенной) в сетевой провод и далее в линии электропитания. Обмотки дросселя L1 обычно имеют индуктивность около 30 мГн. Это основные элементы подавления помех в питающей сети. Поэтому они должны быть качественными и обладать высоким импедансом во всей подавляемой полосе, начиная от частоты переключения транзистора блока питания (десятки-сотни килогерц) до нескольких мегагерц.

А в ответственных случаях (чувствительные приёмники и их антенны рядом) — до десятков-сотен мегагерц. Один дроссель это сделать не может. Поэтому в таких случаях последовательно с L1 и L2 включают такие же дроссели, но с индуктивностью в 50. 500 раз меньшей, чем указано на рис. 1. Эти дополнительные дроссели должны иметь высокую собственную резонансную частоту, чтобы эффективно подавлять верхние частоты требуемой полосы.

Конденсатор С1 подавляет низкочастотные дифференциальные помехи, идущие от блока питания в сеть. Высокочастотные синфазные помехи подавляют керамические конденсаторы малой ёмкости С2 и С3, включённые параллельно С1.

Но это не единственная функция С2 и С3. Они также замыкают синфазную составляющую импульсов переключения на корпус устройства.

Разберёмся с этим подробнее. На стоке силового транзистора присутствуют прямоугольные импульсы с размахом около 300 В (выпрямленное и отфильтрованное напряжение сети) с частотой несколько десятков-сотен килогерц. Фронты этих импульсов короткие (меньше микросекунды). Во время этих фронтов ключевой транзистор находится в активном режиме и греется, поэтому фронты стараются сделать короче. Но это расширяет полосу создаваемых помех. И всё равно в мощных блоках питания транзистор нагревается. Для охлаждения его закрепляют на теплоотводе, в качестве которого в некоторых случаях используют металлический корпус блока питания (про экранирование не забываем). Транзистор изолируют от корпуса прокладкой. Ёмкость стока на корпус может достигать нескольких десятков пикофарад.

А теперь посмотрим, что у нас получилось: транзисторный генератор прямоугольных импульсов с размахом 300 В через конденсатор в несколько десятков пикофарад (конструктивный между стоком охлаждаемого транзистора и корпусом устройства на рис. 1 показан штриховыми линиями) подключён к корпусам и блока питания, и питаемого им устройства. Мы считаем, что это корпус с нулевым потенциалом, а на самом деле там протекает большой ВЧ-ток через конструктивную ёмкость теплоотвода. Это приведёт к появлению большого синфазного тока (а значит, и помех) на корпусах всех устройств, подключённых к нашему источнику питания.

Чтобы такого не было, установлены конденсаторы C2 и С3. Фронты импульсов со стока транзистора, просочившиеся через конструктивную ёмкость теплоотвода, через эти конденсаторы и диоды моста (точнее, через диод, открытый в данный момент) замыкаются на исток транзистора. Этот путь для них оказывается проще, чем синфазно растекаться по корпусам.

Но проблемы с высоковольтными короткими фронтами импульсов на стоке силового транзистора не заканчиваются с установкой конденсаторов С2 и С3. Есть ещё одна паразитная ёмкость — между обмотками трансформатора (тоже показана на рис. 1 штриховыми линиями). Через неё импульсы тока поступают в выходную цепь блока питания. Сразу в оба провода, т. е. как синфазная помеха. Конденсатор С4 замыкает эти токи на исток транзистора, создавая им более лёгкий путь для протекания.

Конденсаторы С2-С4 оказываются включёнными между безопасными для человека цепями (выходами и корпусом источника) и силовой сетью 230 В. Для обеспечения безопасности людей номинальное напряжение этих конденсаторов делают очень высоким (несколько киловольт), а их конструкцию такой, чтобы в случае аварии они обрывались, а не замыкались. Конденсаторы, устанавливаемые на месте С2-С4, выпускаются как отдельный тип и называются Y-конденсаторами. Конденсаторы с маркировкой Y1 рассчитаны на импульсы напряжения до 8 кВ, Y2 — до 5 кВ.

С точки зрения подавления помех, ёмкость конденсаторов С2-С4 желательно иметь побольше. Но надо иметь в виду, что при двухпроводной сети (или обрыве провода заземления в трёхпроводной) выходы и корпус источника через конденсаторы С2-С4 оказываются соединёнными с сетевым фазным проводом. Поэтому их суммарная ёмкость должна выбираться так, чтобы ток частотой 50 Гц на корпус не превышал 0,5 мА (неприятно, но не смертельно). С учётом возможного максимального напряжения в сети, разброса, температурных уходов и старения получается не более 5000 пФ.

Рассмотрим теперь ошибки, допускаемые в фильтрации помех импульсных источников.

Иногда, для экономии, ставят только один из двух конденсаторов С2 или С3. Идея, на первый взгляд, кажется разумной: всё равно ведь они соединены параллельно через большую ёмкость конденсатора С1. Но на высоких частотах конденсаторы большой ёмкости совсем не являются коротким замыканием, а имеют заметный индуктивный импеданс. Поэтому такая экономия может привести к тому, что на десятках мегагерц (выше резонансной частоты С1, которая окажется невелика, поскольку это конденсатор большой ёмкости) заметно снизится подавление синфазного тока, протекающего на корпус.

Встречается отсутствие конденсатора С4 — или производитель решает, что можно С4 не устанавливать, так как в его трансформаторе ёмкость мала, или пытливый потребитель выкусывает, чтобы от источника не пощипывало током утечки 50 Гц через этот конденсатор. Внешними цепями эта проблема не лечится (хотя хороший внешний развязывающий дроссель по выходным цепям снижает остроту проблемы), надо ставить С4 на его законное место.

Отсутствие С2, С3 может быть допустимо, но только если выполняются все три следующих условия сразу: сеть двухпроводная, корпус блока питания не имеет контакта с корпусами питаемых устройств (пластмассовый, например), силовой транзистор установлен не на теплоотводе-корпусе. Если хотя бы одно из условий нарушено, С2 и С3 должны быть.

Установка перемычек вместо основного развязывающего дросселя L1 редко, но всё же встречается в дешёвых источниках плохих производителей. Экономят, видимо. Лечится это установкой нормального дросселя. В крайнем случае такой дроссель можно сделать, намотав сетевой шнур на большом ферритовом магнитопроводе.

Перемычка вместо L2 встречается, увы, часто, даже у приличных производителей. Видимо, полагают, что раз в двухпроводной сети этот дроссель не нужен (а там он действительно не требуется, току некуда течь), то без него можно обойтись и в трёхпроводной. Увы, нет, поскольку это открывает прямую дорогу в сеть для синфазных помех (и помех из сети на корпус). Исправляется установкой L2 в разрыв провода между разъёмом сети и платой. На худой конец допустим внешний дроссель на сетевом шнуре.

В завершение рассмотрим частую ошибку, которая относится не только к импульсным, но и ко всем блокам питания. Нередко слева (по рис. 1) от L1 устанавливают дополнительные конденсаторы, как показано на рис. 2. Они должны блокировать чужие помехи, идущие из сети в источник питания. Конденсатор С1 блокирует дифференциальные помехи и нам не мешает. А вот конденсаторы С2 и С3, замыкающие синфазные помехи в сетевых проводах на земляной провод, могут стать причиной соединения по ВЧ корпуса устройства и силовых (фазы и нуля) проводов сети. Это произойдёт, если среднюю точку С2 и С3 соединить с корпусом устройства, как показано штриховой линией красного цвета на рис. 2. Делать так нельзя (хотя печально, часто именно так и подключают). ВЧ синфазные помехи из сети пойдут через С2 и С3 на корпус устройства. И назад: синфазные токи устройства (например, трансивера с антенной) потекут в сеть. Правильное подключение средней точки С2 и С3 должно быть только к выводу заземления трёхпроводной розетки, но не к корпусу устройства, т. е. к левому выводу дросселя L2, как показано линией зелёного цвета на рис. 2.

Схема блока питания

Рис. 2. Схема блока питания

Если используется двухпроводная питающая сеть, то проверьте, нет ли в вашем блоке питания конденсаторов с проводов сети на корпус устройства. И если есть, удалите их, так как это прямая дорога для ВЧ синфазных токов из сети в ваше устройство и назад.

А если сеть трёхпроводная, то установите дроссель L2 между корпусом своего устройства и землёй сети (он разорвёт путь для синфазных токов между ними), а среднюю точку входных конденсаторов (С2, С3 по рис. 2) переместите на землю сети.

Сетевой фильтр, показанный на рис. 2 с конденсаторами С1-С3, является общим случаем для питания любых устройств, генерирующих радиочастотные помехи, например КВ-передатчиков.

Автор: Игорь Гончаренко (DL2KQ), г. Бонн, Германия

Мнения читателей
  • admin / 27.02.2020 — 18:26 Поправили.
  • Николай / 27.02.2020 — 02:19 Исправьте в конце-концов фамилию автора на Гончаренко.
  • Перець / 16.03.2019 — 10:57 Нічого не запутано.На мал.1 С2 і С3 знаходяться після дросселя L1. А на мал.2 C2 і C3 знаходяться до дросселя L1. Тому і точка заземлення різна. P.S. Прізвище автора статті — Гончаренко, а не Гочарко.
  • Андрей / 15.05.2018 — 02:55 Запутанно как-то, на рис.1 С2,С3 идут на корпус прибора, а на рис.2 они идут землю. Как правильно?

Способы борьбы с помехами в импульсных блоках питания

Импульсные блоки питания и способы борьбы с помехами

Импульсные блоки питания (ИБП), построенные на основе преобразователей постоянного (выпрямленного сетевого) напряжения в переменное, генерируют нежелательные помехи. На коллекторах (стоках) силовых ключей контролеров ИБП присутствует напряжение, близкое по форме к прямоугольному, размахом, достигающим 600. 700В. Кроме того, в ИБП существуют замкнутые цепи, по которым циркулируют импульсные токи с достаточно крутыми фронтами и спадами (0,1. 1 мкс) и амплитудой до 3. 5А и более.

Поэтому ИБП служит источником интенсивных помех, спектр которых простирается от 16. 20 кГц до десятков мегагерц. Эти помехи распространяются в питающую сеть переменного тока и в нагрузку блока питания, создавая интерференционные полосы на экранах телевизоров, мониторов, снижая отношение сигнал-шум в трактах записи-воспроизведения видеозаписывающей аппаратуры и т.д. Величина этих паразитных сигналов зависит от частоты преобразования, качества входных и выходных фильтрующих цепей, а на частотах свыше 1 МГц — от конструкции и монтажной схемы преобразователя.

Вообще говоря, ШИМ-преобразователи, которые работают с постоянной частотой переключений, генерируют помехи в известной полосе частот, что облегчает задачу их подавления и является одной из причин их широкого применения в схемах импульсных БП бытовой техники.

Однако, импульсные блоки питания, независимо от типа применяемого ШИМ-преобразователя, должны быть оснащены схемами подавления двух основных видов помех. Этими помехами являются входная несимметричная (дифференциальная) и входная симметричная (синфазная) помехи.

Механизмы возникновения, распространения и методы борьбы в импульсных блоках питания с данными помехами рассмотрим на примере соответствующих эквивалентных схем преобразователей.

Возникновение несимметричной помехи

Рис.1 Возникновение несимметричной помехи

Входная несимметричная помеха является шумовым током, протекание которого обусловлено разностью напряжений Vin между двумя входными проводниками (рис. 1). Ключевой транзистор преобразователя представлен на рисунке в виде переключателя Fs, который последовательно включается и выключается с частотой пдэекточения преобразователя. Нагрузка изображена в виде переменного резистора RL, сопротивление которого изменяется в зависимости от тока нагрузки. Пассивные элементы L и С соответствуют входному фильтру, встроенному в преобразователь. Кроме того, практически все преобразователи оснащены входным конденсатором Cь, а некоторые также имеют, по крайней мере, небольшую последовательную индуктивность (дроссель), учитываемую в импедансе источника Zs (в Zs также учтена собственная индуктивность сглаживающего электролитического конденсатора сетевого выпрямителя).

Эффективное подавление несимметричной помехи достигается посредством шунтирующего действия конденсатора Сь, который должен иметь высокое качество и характеризоваться малыми эквивалентными последовательными индуктивностью (ЭПИ) и сопротивлением (ЭПС) в соответствующем диапазоне частот (обычно в области частот переключения и выше). В реальных схемах Сь обычно представляет собой конденсатор постоянной емкости 0,1. 1,0 мкф, шунтирующий электролитический конденсатор сетевого выпрямителя. В выпрямителе одновременно стремятся применять высококачественные, как правило, танталовые, электролитические конденсаторы с малыми ЭПИ и ЭПС.

Возникновение паразитной помехи

Рис.2 Возникновение паразитной помехи

Симметричная помеха возникает следующим образом. В преобразователе ключевой транзистор, как правило, устанавливается таким образом, чтобы обеспечивался хороший тепловой контакт между его корпусом и шасси БП (радиатором). С целью обеспечения максимальной теплопередачи толщина электрической изоляции между коллектором или стоком ключевого транзистора и шасси делается как можно меньше. В результате между стоком или коллектором транзистора и шасси образуется паразитная емкость Ср (рис.2). Когда транзисторный ключ замыкается или размыкается, возникает ток помехи, протекающий от переключателя через паразитную емкость Ср, RL и С, а затем через заземление обратно к шасси. Этот ток довольно мал, поскольку паразитная емкость невелика (ее типичное значение меньше 10 пф). В то же время, используемый в преобразователе LC фильтр совершенно неэффективен против этого вида тока помехи, поскольку он протекает не через фильтр, а в обход его.

Симметричная помеха подавляется с помощью симметрирующего трансформатора, который представляет собой катушку индуктивности с двумя обмотками, имеющими одинаковое число витков. Она обладает высоким импедансом для симметричного тока, но практически нулевым для несимметричного.

Несимметричный ток (включающий потребляемый ток) втекает в верхнюю обмотку трансформатора и вытекает из нижней. Поскольку токи через эти обмотки равны по величине и противоположны по направлению, а число витков в обмотках одинаково, результирующий магнитный поток в сердечнике, обусловленный несимметричным током, оказывается равным нулю, хотя величина потребляемого тока может быть очень велика. Благодаря этому в симметрирующем трансформаторе обычно используют сердечник с высокой магнитной проницаемостью без воздушного зазора. Причем он имеет достаточно высокую индуктивность для симметричного тока при использовании обмоток всего в несколько витков. Значительно меньший по величине ток симметричной помехи протекает в основном через нижнюю обмотку, а также и через верхнюю в одном и том же направлении. Следовательно, симметрирующий трансформатор обладает высоким импедансом для токов симметричной помехи.

В качестве дополнительных мер подавления помех в импульсных БП применяются следующие:

уменьшение паразитных емкостных связей между цепями первичного (сетевого) напряжения и вторичными цепями; выбор оптимальных режимов переключения транзисторов и диодов, предотвращающих резкие перепады напряжения; сокращение площади контуров, охватываемых цепями, по которым протекают большие импульсные токи. Важное значение имеет конструкция импульсного трансформатора ИБП. Первичную обмотку, как правило, разбивают на две равные секции, одна из которых наматывается в первых слоях катушки, а другая — в последних. Таким образом, все остальные области располагаются между этими секциями. Кроме того, первичные и вторичные обмотки обычно разделяются внутренним экраном. Достаточно эффективным является применение общего экрана в виде короткозамкнутого витка из медной фольги, охватывающего импульсный трансформатор.

Перечисленных мер, как правило, оказывается достаточно, и поэтому в бытовой аппаратуре импульсные БП обычно применяются без экранирующих кожухов.

Типовая схема сетевого фильтра и выпрямителя

Рис.3 Типовая схема сетевого фильтра и выпрямителя

Некоторые из рассмотренных способов борьбы с помехами в ИБП иллюстрируются на примере типовой схемы сетевого выпрямителя (рис. 3), применяемого в конструкциях ВМ и ТВ. Конденсаторы С5. С8, установленные параллельно диодам Д1. Д4 мостового выпрямителя сетевого напряжения служат для подавления несимметричных помех. Эту же роль выполняют конденсаторы С1,2, которые симметрируют потенциалы сетевого провода относительно шасси радиоэлектронной технике.

Как убрать помехи от импульсного блока питания на радио

  • Главная
  • О компании
  • Проекты
  • Услуги
    • Испытания на ЭМС
    • Защита информации
    • ЦКП “СОТИС”
    • Экранированная камера SAC-3
    • Палатки экранированные
    • Магнитометры цифровые
    • Имитаторы разрядов
    • Мониторинг грозовой активности
    • Главная
    • О компании
    • Проекты
    • Услуги
      • Испытания на ЭМС
      • Защита информации
      • ЦКП “СОТИС”
      • Экранированная камера SAC-3
      • Палатки экранированные
      • Магнитометры цифровые
      • Имитаторы разрядов
      • Мониторинг грозовой активности
      1. Главная
      2. Библиотека
      3. Подавление помех от импульсных блоков…

      Помехи от импульсных БП

      Все импульсные блоки питания создают электромагнитные помехи во всех КВ диапазонах и в начале УКВ. Количество таких блоков исчисляется десятками в одном жилище (компьютеры, мониторы, освещение, различные зарядные устройства и т.п.) и сотнями в одном доме, т.е. в ближней зоне КВ антенны. Один блок может закрыть возможность приёма во всей полосе КВ в радиусе десятков метров. Поэтому имеет смысл знать, как подавлять паразитное излучение кабелей импульсного блока питания, чтобы правильно дорабатывать существующие и выбирать новые.На схеме показана упрощенная схема импульсного блока питания. Узел преобразования напряжения показан предельно упрощенно, а вот цепи подавления помех – полностью. Это общий случай питания от трехпроводной (с отдельным проводом электротехнического заземления) розетки..

      С1 – конденсатор. Он подавляет низкочастотные дифференциальные помехи, идущие от блока питания в сеть.

      С2 и С3 – керамические конденсаторы малой емкости С2 и С3, включенные параллельно С1. Они подавляют высокочастотные синфазные помехи и помехи синфазной составляющей импульсов переключения на корпус устройства. Но это не единственная функция С2 и С3. Они подавляют синфазную составляющую импульсов переключения на корпус устройства.

      Разберемся с этим подробнее. На стоке силового транзистора присутствуют прямоугольные импульсы с размахом 300 В (выпрямленное и отфильтрованное напряжение сети) с частотой несколько десятков – сотен Кгц. Фронты этих импульсов короткие (меньше микросекунды). Во время этих фронтов ключевой транзистор находится в активном режиме и греется (поэтому фронты стараются сделать короче). Но это расширяет полосу создаваемых помех. И все равно в мощных блоках питания транзистор греется. Для охлаждения его сажают на радиатор, в качестве которого почти всегда используется металлический корпус блока питания (про экранирование не забываем). Транзистор изолируют от корпуса тонкой слюдяной прокладкой. Емкость стока на корпус получается заметной, несколько десятков пикофарад.

      Tr1 и L1 – синфазные дроссели, которые подавляют синфазные помехи, идущие от нашего блока питания и подключенного к нему устройства (например, трансивера с антенной) в сетевой провод и далее в линии электропитания. Это основные элементы подавления помех в питающей сети. Они должны быть качественными и обладать высоким импедансом во всей подавляемой полосе, начиная от частоты переключения транзистора (десятки, сотни Кгц) нашего блока питания до нескольких Мгц, а иногда (чувствительные приемники и их антенны рядом) – до десятков и сотен Мгц. Один дроссель это сделать не может, поэтому последовательно с Tr1 и L1 включают такие же дроссели, но с индуктивностью в 50-500 раз меньшей, чем указано на рис. 1. Эти дополнительные маленькие дроссели должны иметь настолько высокую собственную резонансную частоту, чтобы эффективно подавлять верхние частоты требуемой полосы.

      И так, у нас получилось: транзисторный генератор прямоугольных импульсов с размахом 300 В и короткими фронтами через конденсатор в несколько десятков пикофарад (конструктивный между стоком охлаждаемого транзистора и корпусом устройства на рис. 1 показан штриховыми линиями) подключен к корпусам и блока питания, и питаемого им устройства. Мы считаем, что это корпус с нулевым потенциалом, а на самом деле там текут большие ВЧ токи от фронтов переключения транзистора через конструктивную емкость радиатора. Это приведет к появлению большого синфазного тока (а, значит, и помех) на корпусах всех устройств, подключенных к нашему источнику питания.

      Для устранения этой проблемы и установлены конденсаторы C2 и С3. Фронты импульсов со стока транзистора, просочившиеся через конструктивную емкость радиатора через эти конденсаторы и диоды моста (точнее, через один диод, открытый в данный момент), замыкаются на исток транзистора. Это путь для них оказывается проще, чем синфазно растекаться по корпусам. Но проблемы с высоковольтными короткими фронтами импульсов на стоке силового транзистора не кончаются с установкой С2 и С3.

      Конденсаторы С2, С3, С4 оказываются включенными между безопасными для человека цепями (выходами и корпусом источника) и силовой сетью 220 В. Для обеспечения безопасности людей пробивное напряжение этих конденсаторов делают очень высоким (несколько киловольт), а их конструкцию такой, чтобы в случае аварии они обрывались, а не замыкались. Конденсаторы, устанавливаемые как С2, С3, С4 выпускаются как отдельный тип и называются Y-конденсаторами. Конденсаторы с маркировкой Y1 рассчитаны на импульсы до 8 кВ, Y2 – до 5 кВ.

      С точки зрения подавления помех, емкость С2,С3, С4 должна быть побольше. Надо иметь в виду, что при двухпроводной сети (или обрыве земли в трехпроводной), выходы и корпус источника через С2, С3, С4 оказываются соединенными с фазой сети, поэтому их суммарная емкость должна выбираться так, чтобы утечка тока 50 Гц на корпус не превышала бы 0,5 мА. С учетом возможного максимального напряжения в сети, разброса, температурных уходов и старения, получается не более 5 нФ.

      Ошибки в фильтрации помех импульсных источников:

      1). Иногда, для экономии, ставят только один из двух конденсаторов С2 или С3. Идея, на первый взгляд, кажется разумной, ведь они соединены параллельно через большую емкость С1. Но, как мы видели в п. 5.4.1 на высоких частотах конденсаторы большой емкости имеют заметный и индуктивный импеданс, поэтому такая экономия может привести к тому, что на десятках Мгц (выше резонансной частоты С1, которая будет невелика, т.к. это конденсатор большой ёмкости) заметно снизится подавление синфазного тока, затекающего на корпус. Отсутствие С2, С3 может быть переносимо, но только если выполняются все три следующих условия сразу: сеть двухпроводная, силовой транзистор не на радиаторе, корпус блока питания не имеет контакта с корпусами питаемых устройств (пластмассовый, например). Если хотя бы одно из условий нарушено, С2 и С3 надо иметь.

      2). Встречается отсутствие С4, если производитель решает что можно С4 не ставить, т.к. в его трансформаторе емкость мала, или пытливый потребитель выкусывает, чтобы от источника не пощипывало током утечки 50 Гц через этот конденсатор. Это неправильное решение, С4 необходим на своем рабочем месте.

      3). Установка перемычек вместо основного развязывающего дросселя Tr1. Редко, но встречается в дешевых источниках плохих производителей. Эта экономия компенсируется установкой нормального дросселя. В крайнем случае, такой дроссель делается снаружи сетевым шнуром на большом феррите.

      4). Перемычка вместо L1. Встречается, увы, часто. Даже у приличных производителей. Видимо, полагают, что раз в двухпроводной сети этот дроссель не нужен (а там он действительно не требуется, току некуда течь), то обойдется и в трехпроводной. Увы, нет, т.к. это открывает прямую дорогу в сеть для синфазных помех (и помех из сети на наш корпус). Исправляется установкой L1 в разрыв провода между разъемом сети и платой. На худой конец допустим внешний дроссель на сетевом шнуре

      Наиболее частая ошибка, которая относится не только к импульсным, а ко всем блокам питания:

      нередко слева (по рис. 1) от Tr1 устанавливают дополнительные конденсаторы, как показано на рис. 2 (нумерация деталей совпадает и продолжает рис. 1). Они должны блокировать чужие помехи, идущие из сети в наш источник питания. С5 блокирует дифференциальные помехи и нам не мешает. А вот С6 и С7, блокирующие синфазные помехи в силовых проводах сети на её земляной провод, могут стать причиной соединения по ВЧ корпуса нашего устройства и силовых (фазы и нуля) проводов сети. Это произойдёт, если среднюю точку С6 и С7 вывести на корпус устройства, как показано штриховой линией на рис. 2. Делать так нельзя, хотя печально часто именно так и подключают. ВЧ синфазные помехи из сети пойдут через С6 и С7 на корпус нашего устройства и назад: синфазные токи нашего устройства (например, трансивер с антенной). Правильное подключение средней точки С6 и С7 должно быть только к земле трехпроводной розетки, но не к корпусу устройства, т.е. к левому выводу дросселя L1, как показано утолщенной линией на рис. 2.

      При использовании двухпроводной питающей сети проверьте, нет ли в вашем блоке питания конденсаторов с проводов сети на корпус устройства. И если есть, удалите их, т.к. это прямая дорога для ВЧ синфазных токов из сети в ваше устройство и назад. Если сеть трехпроводная, то установите дроссель L1 между корпусом своего устройства и землей сети (он разорвёт путь для синфазных токов между ними), а среднюю точку входных конденсаторов (С6, С7 по рис. 2) переместите на землю сети.

      Если сеть трехпроводная, то установите дроссель L1 между корпусом своего устройства и землей сети. Он разорвёт путь для синфазных токов между ними), а среднюю точку входных конденсаторов (С6, С7 по рис. 2) переместите на землю сети.

      Сетевой фильтр, показанный на рис. 2 с конденсаторами С1-С3 с рис 1 является общим случаем для питания любых устройств, генерирующих радиочастотные помехи, например КВ передатчиков.

      Как подавлять электромагнитные помехи в импульсных источниках питания

      Электромагнитные помехи являются настоящим бедствием при проектировании силовой электроники, а подавлять их можно множеством способов. Добавление помехоподавляющего фильтра вначале может показаться самым очевидным выбором, но, возможно, имеются более хорошие решения.

      Структуры современных электронных силовых систем становятся все более насыщенными, с огромным количеством взаимосвязей. Соответственно, борьба с электромагнитными помехами в таких системах становится все более трудной задачей.

      Одним из главных источников электромагнитных помех (ЭМП) является импульсный источник питания. Он может находиться вне проектируемой системы или печатной платы (ПП), или же быть частью проекта и устанавливаться на ПП. В любом случае, уровень электромагнитных помех должен быть снижен для прохождения стандартных испытаний на электромагнитную совместимость (ЭМС), а также для исключения влияния на работу окружающей электроники. Эта статья познакомит проектировщиков схем с несколькими из лучших способов борьбы с электромагнитными помехами в их проектах.

      Импульсный блок питания

      Благодаря заметно более высокому КПД по сравнению с линейными регуляторами, импульсные блоки питания стали ключевыми компонентами в конструкциях многих систем. Основной причиной помех, способных повлиять на их надежную работу, является процесс переключения мощных кремниевых MOSFET или GaN транзисторов, сопровождающийся протеканием в схеме прерывистых токов (Рисунок 1). В следующих разделах будут затронуты некоторые из лучших способов ослабления различных видов электромагнитных помех [5].

      Рисунок 1. На этой схеме показаны источники помех импульсного блока питания.

      Способы подавления кондуктивных помех

      Кондуктивные помехи [6] анализировать легче, чем излучаемые; разработчики могут использовать для этого стандартные методы анализа цепей. Однако многие элементы в анализе ЭМП являются паразитными и не будут представлены на принципиальной схеме.

      Вследствие открывания и закрывания мощных полупроводниковых переключательных приборов в схеме появляются значительные прерывистые токи. Эти токи проникнут на входы понижающих преобразователей, на выходы повышающих преобразователей, а также на входы и выходы обратноходовых и понижающе-повышающих преобразователей.

      Прерывистые токи создадут пульсации напряжения, которые могут проникнуть в другие части системы через гальванические связи между цепями. Такие токи должны быть отфильтрованы на входе преобразователя для уменьшения пульсаций напряжения. На выходе мощного преобразователя также может потребоваться фильтр, чтобы облегчить прохождение испытаний на соответствие стандартам ЭМС.

      Синфазную помеху, как правило, труднее анализировать, поскольку обычно она обусловлена зарядом/разрядом паразитных ёмкостей, из которых самые значительные – это ёмкость радиатор — мощный полупроводниковый прибор или межобмоточная ёмкость трансформатора.

      Способы подавления излучаемых помех

      Излучаемую помеху можно оценить двумя способами [5]:

      • По электромагнитному полю, измеряемому с помощью антенны на расстоянии нескольких метров от источника помехи.
      • По магнитному полю, измеряемому с помощью пробника вблизи индуктивных компонентов схемы.

      Источником электромагнитного поля обычно является ток, протекающий по какому-либо контуру и содержащий высокочастотные гармоники. Уменьшение площади этого контура, снижение скорости изменения тока (di/dt) или его амплитуды способствуют ослаблению излучаемой помехи.

      Модуляция частоты переключения в импульсных источниках питания

      Принудительное изменение рабочей частоты импульсного преобразователя (дизеринг) для расширения спектра снизит уровень электромагнитных помех и облегчит разработчикам сертификацию на соответствие стандартам ЭМС в тех случаях, когда фильтров и оптимизированной компоновки может быть недостаточно. Суть дизеринга [1] в неглубокой модуляции частоты переключения импульсного стабилизатора. Рассмотрим его подробнее.

      Электромагнитное излучение от импульсного источника занимает широкую полосу частот, поскольку форма импульсов в его цепях близка к прямоугольной, но наибольшая энергия приходится на основную гармонику. Небольшая модуляция рабочей частоты (типичная глубина – 3% или около того) распределит большую часть пиковой энергии помех в более широкой полосе частот. Общая энергия электромагнитного излучения останется прежней, но часть её, излучаемая в узкой полосе, уменьшена, а электромагнитные помехи, соответственно, эффективно снижены.

      Пример на Рисунке 1 показывает подавление пикового уровня помехи на 5 дБ, что может играть решающую роль при выборе между быстрым выводом устройства на рынок после прохождения испытаний на ЭМС или длительной работой над снижением уровня помех ниже допустимых стандартами пределов (Рисунок 2).

      Рисунок 2. График квазипикового уровня помех вблизи частоты 330 кГц показывает
      подавление уровня помех на 5 дБ при модуляции частоты переключения.

      Конструкция корпуса и расположение выводов ослабляют ЭМП

      Многие разработчики могут и не задумываться о роли корпуса полупроводникового прибора, тоже способного помочь подавлению помех. Одним из замечательных примеров является корпус мощных MOSFET для быстродействующих импульсных источников питания. В преобразователях такого рода имеются быстро изменяющиеся напряжения (dv/dt) и токи (di/dt), увеличивающие уровень электромагнитных помех в системе.

      Разработчики могут решить проблему, добавив фильтр. Однако прежде чем делать это, увеличивая габариты конструкции (и тем самым, снижая плотность мощности), обратите внимание на технологии корпусирования, которые также могут помочь подавлению помех. Далее приводится несколько примеров того, как специальные корпуса мощных MOSFET могут улучшить подавление ЭМП.

      Параллельное расположение сильноточных выводов питания и «земли» такого корпуса позволит симметрично разместить блокировочные конденсаторы, шунтирующие вход по высокой частоте. Кроме того, эквивалентная паразитная индуктивность петли из двух равных и параллельных индуктивностей уменьшается вдвое.

      Проволочные соединения кристалла с выводной рамкой корпуса QFN в некоторых случаях можно исключить, заменив их медными столбиками и перевернув кристалл (Рисунок 3).

      Рисунок 3. В обычном корпусе QFN используются проволочные соединения кристалла с внешними
      выводами, вызывающие значительный звон при переключении (а). В корпусе улучшенной
      конструкции «перевёрнутый кристалл» соединён с внешними выводами медными
      столбиками, что исключает звон (б).

      Токи, протекающие по входной цепи, создадут встречно направленные магнитные поля, что компенсирует магнитную компоненту поля и ослабит излучаемые помехи. Таким образом, благодаря симметричной компоновке тех контуров входной цепи, в которых имеются быстро изменяющиеся токи, создаваемые ими магнитные поля взаимно компенсируются.

      Ещё один способ снижения уровня электромагнитных помех, связанных с корпусом, – размещение сплошного «земляного» полигона для обратного тока непосредственно под двумя контурами дросселя на другом слое печатной платы, например, на втором слое, расположенном непосредственно под силовыми цепями верхнего слоя.

      Помехоподавляющий фильтр

      Такие фильтры могут иметь дискретную или модульную конструкцию. Разработчикам силовой электроники придется выбирать вариант, наилучшим образом удовлетворяющий требованиям их проекта с точки зрения затрат времени, габаритов и стоимости.

      Фильтры ЭМП в структуре мощного блока питания

      Важно свести к минимуму габариты помехоподавляющего фильтра в мощном импульсном блоке питания [7]. Конструкция фильтра, не содержащая индуктивных компонентов, гораздо компактнее классической и обеспечивает хорошую плотность мощности.

      Например, в конструкции активного фильтра, показанной на Рисунке 4, используется компенсация напряжения помехи инжекцией заряда в линию питания без применения индуктивных компонентов. Чтобы увеличить силу тока и мощность на выходе фильтра, а также снизить вносимые потери, после ОУ используется двухтактный усилительный каскад. Эта конструкция фильтра достаточно устойчива, чтобы заменить пассивный помехоподавляющий фильтр.

      Рисунок 4. Такая усовершенствованная конструкция фильтра без индуктивных компонентов
      может работать с выходными токами порядка 60 А.

      Экранирование фильтра ЭМП как последняя попытка побороть кондуктивные помехи

      Фильтр дифференциальной помехи (Рисунок 5) сам способен создать кондуктивные помехи в системе электропитания.

      Рисунок 5. Схема П-образного фильтра ЭМП.

      В такой ситуации может помочь медный экран под дифференциальным фильтром (Рисунок 6а). Когда все остальные методы не дают удовлетворительного результата, добавьте полигоны сверху и снизу ПП, а также два вертикальных медных экрана со стороны входа и выхода фильтра (Рисунок 6б).

      Рисунок 6. Два варианта конструктивного исполнения П-образного фильтра: (а) – на
      односторонней ПП, (б) – на двусторонней ПП с вертикальными экранами
      из меди. Расстояние между компонентами фильтра везде 3.5 мм.

      Подведём итоги

      Разработчикам необходимы понимание и инструменты для минимизации влияния кондуктивных и излучаемых электромагнитных помех как на проектируемое устройство, так и на соседнее оборудование. В этой статье основное внимание уделено импульсным блокам питания, дающим значительный прирост КПД по сравнению с линейными источниками, но способным потребовать много времени для борьбы с электромагнитными помехами. Представленные здесь методы и средства предлагают способы улучшения конструкции импульсного источника питания, облегчающие прохождение испытаний на ЭМС и сокращающие затраты времени на проектирование.

      Ссылки

      1. Understanding Noise-Spreading Techniques and their Effects in Switch-Mode Power Applications, TI Power supply design seminar
      2. An overview of conducted EMI specifications for power supplies
      3. An overview of radiated EMI specifications for power supplies
      4. Enhanced HotRod QFN Package: Achieving Low EMI Performance in Industry’s Smallest 4-A Converter
      5. Reducing EMI in switch mode power supplies
      6. Simple success with conducted EMI from DC-DC converters
      7. Research of active EMI suppression strategy for high power density power supply, IEEE Xplore
      8. Time-Saving and Cost-Effective Innovations for EMI Reduction in Power Supplies
      9. Effect of shielding and component placement in DM EMI filters on a power supply’s conducted EMI, IEEE Xplore

      Electronic Design

      Перевод: Вишняков Кирилл по заказу РадиоЛоцман

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *