Электромагнитная совместимость импульсных источников питания и ее оптимизация. Часть 1

Электромагнитные шумы импульсных источников питания долгое время вызывали серьезные проблемы, поскольку высокоскоростные переключения напряжения и тока генерируют высокочастотные шумы, которые потенциально вмешиваются в работу системы. Эта статья представляет собой попытку описать наиболее существенные причины электромагнитных шумов в импульсных источниках питания и дать рекомендации по уменьшению их воздействия на систему.

Введение

Импульсные источники питания хорошо известны и ценятся благодаря небольшим физическим размерам и малым потерям мощности, но они представляют большую опасность из-за генерации высокочастотных электромагнитных шумов, обусловленных быстро изменяющимися напряжением и током. Поскольку усовершенствования устройств электропитания привели к увеличению частоты переключения и позволили использовать их на более близких расстояниях от систем, потребляющих эту мощность, то требования к снижению электромагнитных шумов только усилились. Таким образом, требования по электромагнитной совместимости (EMI) стали такими же важными, как и выполнение заданного набора рабочих спецификаций преобразователя мощности. Поэтому цель этого обсуждения — обращение к некоторым из наиболее важных принципов и методов образования и подавления электромагнитных шумов.

Для начала уточним, что, в то время как термины «электромагнитные шумы» и «электромагнитная совместимость» очень часто используются как синонимы, должно быть ясно, что каждый из них является противоположностью другого. Электромагнитный шум — это воздействие одной части оборудования на работу другого посредством электромагнитной передачи энергии. А электромагнитная совместимость (EMC) — отсутствие электромагнитных шумов. Из этих определений следуют две вещи.

Первая — это то, что электромагнитная совместимость — соображение системного уровня. В то время как обычно проверка на порождение электромагнитных шумов от системы электропитания производится автономно, конечные стандарты, которые должны быть обязательно выполнены, обращаются к системе в целом, где электропитание считается внутренним компонентом или подсистемой.

И второй аспект, следующий из определения электромагнитных шумов — это то, что при их рассмотрении одновременно привлекаются три элемента:

• генератор электромагнитной энергии (источник);
• передача энергии между различным оборудованием (средство соединения);
• приемник, на работу которого негативно воздействует переданная энергия (жертва).

Все три элемента обязательно должны присутствовать вместе для того, чтобы имели место EMI, а удаление любого из них приводит к исключению вмешательства. Однако экранирование или размещение помогают решить конкретную проблему вмешательства, влияя на связь или восприимчивость части системы, поэтому оптимальный подход заключается в том, чтобы исключить проблемы в самом источнике. И это является основной темой данной статьи.

Электромагнитные шумы

Электромагнитные шумы — это не черная магия, как иногда считают. Основные принципы вызывающие и исключающие электромагнитные шумы относительно просты. Существенно то, что задача требует распознавания полей, вызванных быстро изменяющимися током и напряжением. В то время как эти характеристики количественно описаны уравнениями Максвелла, необходимо знать, что шум может быть вызван взаимным влиянием элементов схемы посредством магнитных или электрических полей.

Магнитное поле заставляет изменяющийся ток в одном проводнике вызывать напряжение в другом согласно формуле:

где М — взаимная индуктивность между источником и приемником.

Точно так же изменяющееся напряжение заставляет электрическое поле на поверхности возбуждать протекание тока в другом проводнике:

где C — емкость, между источником и приемником.

Эти уравнения говорят о том, что там, где имеются быстро изменяющиеся токи, как, например, в проводниках, включенных последовательно с мощным переключающим устройством, можно ожидать генерирование напряжения в других проводниках, связанных взаимной индуктивностью. И там, где есть высокое значение dv/dt, как на выводах мощных переключающихся полевых транзисторов, любая паразитная емкость может вызвать ток в другой линии. Может быть, это не очень полезно знать, однако необходимо отметить, что один из самых очевидных способов уменьшения электромагнитных шумов состоит в том, чтобы замедлить переходы переключения, но стоимость из-за увеличения потерь на переключения делает это решение нежизнеспособным.

Также следует иметь в виду еще один важный пункт: электромагнитные шумы — очень низкоэнергетическое явление! Поскольку может требоваться чрезвычайно малое количество энергии, вызванной в «нужном» месте в приемнике, чтобы нарушить работу всей системы, то предельные значения шумовых характеристик были установлены на очень маленьких величинах. Например, на частоте 1 МГц требуется только 20 нВт EMI, чтобы превысить требования Федеральной комиссии по связи.

Измерение электромагнитных шумов

Когда описывается возможность генерирования шума в системе, передаче его из системы или сразу обе эти проблемы, то рассматривается энергия, излучаемая из системы посредством магнитных или электрических полей (рассмотрено выше), или энергия, текущая в проводниках на входе, на выходе или в линии управления, подключающих систему к «внешнему миру», где эти линии могут стать вторичными антеннами. Эти шумы в проводниках или излученные шумы считаются отдельными и различными, и при оценке характеристик системы обычно определяются индивидуально.

Однако следует отметить, что эффективность передачи шума прямо зависит от его частоты — чем выше частота, тем потенциально существует больше возможностей для излучения электромагнитных шумов, в то время как на более низких частотах проблемы, скорее всего, будут вызваны шумом в проводниках. Принято считать, что частота 30 МГц является границей между шумом в проводниках и излученным электромагнитным шумом.

Большинство агентств стандартизации во всем мире установили эталоны, определяющие оценку электромагнитных шумов — в проводниках на частотах до 30 МГц, и отдельный набор стандартов для излученных электромагнитных шумов на частотах более 30 МГц. Далее будут отдельно рассмотрены оба типа источников шума, но перед этим рассмотрим еще немного полезной информации.

Шум в проводниках прежде всего определяется током, но измеряется как напряжение с помощью 50-омных токовых шунтов. Кроме того, при рассмотрении только источников питания позицию FCC можно сформулировать так: единственное, на что следует обращать внимание, — это на входные линии подачи АС, так как именно здесь шумовые токи наиболее вероятно могут быть переданы другим системам через сеть электропитания.

В то время как максимальная частота, представляющая интерес для шума в проводниках составляет 30 МГц, минимальная частота может изменяться. В США и Канаде это 450 кГц, но существует много международных стандартов, которые определяют и более низкую частоту 150 кГц, а некоторые телекоммуникационные стандарты требуют проведения испытаний на 10 кГц.

Нижняя частота в стандартах для излучаемых шумов начинается более чем с 30 МГц, а верхние пределы могут составлять от нескольких сотен МГц до 1 ГГц или выше. В то время как для оценки шума в проводниках может потребоваться только спектроанализатор и устройство соединения, измерение излучаемых шумов требует проведения измерений магнитных или электрических полей в свободном пространстве, что делает эти испытания намного более сложными. По этой причине их исследование обычно выполняется отдельными специализированными испытательными средствами, где свойственные среде измерения могут быть проведены и измерены на необходимом уровне.

Каждая страна имеет собственный наборстандартов для определения электромагнитных шумов, но в пределах этих стандартов есть дополнительные различия, определенные типом изделия и его использованием. Например, некоторые стандарты определяют источники питания как «цифровые устройства», в то время как другие объединяют их со спецификациями «информационной технологии». Также задаются «классы», где Класс А определяет характеристики промышленных и коммерческих приложений, а Класс B включает характеристики источников, использующихся в жилых помещениях. Предельные параметры источников Класса B обычно являются более строгими согласно предположениям, что системы, сделанные для дома, вероятно, будут находиться на более близком расстоянии от человека и что пользователи обычно имеют меньше опыта работы и оценки EMI.

В США Федеральная комиссия по связи (Federal Communications Commission — FCC) устанавливает контроль и ответственность за электромагнитные помехи посредством Кода Федерального Регистра (Code of the Federal Register — CFR), Title 47. В этом документе часть 15 определяет характеристики оборудования информационных технологий, часть 18 — индустриального, научного и медицинского оборудования и часть 68 — оборудования, связанного с телефонией.

Проведение спецификации электромагнитных шумов было главной заботой Международной электротехнической комиссии (International Electrotechnical Commission — IEC), которая издала универсальный стандарт европейского союза (EN50081) и франкоязычный стандарт (Comite International Special des Perturbations Radioelectriques — CISPR). Этот комитет выпустил спецификацию CISPR Publication 22, которая получает международное признание и, таким образом, оказывает давление на FCC.

Следует отметить существенные различия в спецификациях FCC и CISPR, которые включают, в дополнение к некоторым различиям в предельных значениях, более низкий частотный диапазон проведения шумовых измерений для CISPR и различия в проведении испытаний излучений, так для CISPR они выполняются на расстоянии 10 метров против 3–30 метров для FCC. Экстраполируя измерения излучений, сделанных по стандарту FCC на 10 метрах (обратно пропорциональны расстоянию), сравним измерения по частотным графикам, показанным на рис. 1 и 2.

Обратите внимание, что модули в этихстандартах даются как дБмкВ для прямых измерений шума в проводниках и дБмкВ/м для измерений силы излученного шума с антенной. Они предоставлены в децибелах и оценивают отношения между фактическим измеренным напряжением и одним микровольтом:

(эта формула относится одновременно и к дБмкВ и к дБмкВ/м).

Наконец, не упомянут весьма важный аспект — эксплуатационные режимы оборудования при испытании. Причина заключается в том, что упоминание этого аспекта поднимает так много других вопросов, что теряется суть основного вопроса. Например, проверка при самом высоком входном напряжении, где dV/dt, весьма вероятно, будет максимальным, или при самом низком напряжении и при максимальной нагрузке, где dI/dt, весьма вероятно, будет наиболее высок. В результате, в большинстве случаев эксплуатационные режимы устанавливают такими, которые изготовитель определяет как «типичные», но поставщики должны определить их как потенциальную проблему соответствия данных.

Электромагнитные шумы в проводниках

Рассмотрим причины и проектные нормы электромагнитных шумов в проводниках, которые измеряются на входных линиях подачи питания. Чтобы наблюдать шум на мощных входных линиях, необходимо устройство, которое отделит высокочастотные шумы от входного тока. Это устройство называют схемой стабилизации импеданса линии или LISN, а его схема показана на рис. 3.

Это устройство позволяет использовать анализатор спектра для измерения шумовых токов на входном сопротивлении 50 Ом. При этом производится отделение результатов измерения от любого высокочастотного шунтирования, которое могло бы существовать в сети. Как правило, LISN добавляется к каждой входной линии и шумы измеряются относительно земли.

Шум в проводниках на входе системы электропитания может быть далее подразделен на два отдельных режима: дифференциальный шум (DM), который измеряется между линией подачи мощности и линией ее возвращения; и синфазный шум (СМ), который измеряется между каждой из линий подачи питания и землей. Источники шумов этих двух режимов свойственны всем импульсным источникам питания и являются следствием основной операции — переключения питания. Действие внутренних ключей вызывает быстрые изменения dI/dt дифференциального тока на входах и выходах источника, как это показано на рис. 4. Конечно, фильтры на входе и выходе идеально бы устранили любой высокочастотный шум, но ни один из них не может сделать это полностью. Так что существуют остаточные помехи и выбросы как дифференциальный источник шума с двунаправленным протекающим током в обоих терминалах.

Существуют также источники с быстро изменяющимся напряжением в пределах входного электропитания, в которых шум может передаваться через паразитные емкости, подключенные к земле. Некоторые из них показаны на рис. 5. Этот синфазный шум можно наблюдать на всех терминалах источника, а измеряется он относительно земли.

Пути шумов DM и СМ на входе системы электропитания в очень упрощенной форме показаны на рис. 6, где также приведено включение двух устройств LISN последовательно с линиями подачи мощности и ее возвращения.

Обратите внимание, что режимы СМ и DM присутствуют в каждом LISN, но LISN, включенная в линию подачи мощности, измеряет СМ + DM, в то время как LISN, включенная в нейтральный провод, измеряет СМ – DM. Обе величины — векторные суммы, и, где это необходимо, есть сети с коммутацией каналов, которые используются для разделения сигналов СМ и DM, но спецификации обычно не дифференцируются. Для определения полного шума должны быть произведены измерения на каждом входе отдельно, потому что существует достаточно путей протекания тока в пределах одной системы, и нет никаких причин предполагать, что вклады СМ и DM на двух разных входах идентичны.

Уменьшение DM-шумов в проводниках

Первая линия защиты от шумов в проводниках — использование фильтров, но, как это часто бывает, — легче сказать, чем сделать. Практические аспекты разработки эффективного фильтра приведены на рис. 7 и 8 и будут рассмотрены ниже.

(Некоторое замешательство могли бы вызвать спецификации, используемые на рис. 7. Но мы анализируем работу фильтра в терми нах ослабления напряжения между входом V_in, который подключается к входному источнику мощности, и выходом V_out, который, в свою очередь, является входом в систему электропитания. В действительности фильтр обеспечивает ослабление шумов между током, поступающим в терминал V_in фильтра из источника мощности, и током, текущим из вывода V_out в систему электропитания, и измеряется на 50-омных резисторах LISN.)

Первое, что следует помнить — если мы будем вести войну с дифференциальными шумами, то фильтр должен быть подключен в разрыв входных дифференциальных линий. Рассмотрим базовую схему на рис. 7 a, на которой показан идеальный LC-фильтр, подключенный к линиям подачи мощности. Здесь V_IN — источник мощности, а к V_OUT подключен вход системы электропитания, причем отрицательный вывод конденсатора должен соединиться с линией возврата мощности и ни в коем случае не соединяться с землей! Однако нет такой вещи, как идеальный фильтр, который имел бы идеальную характеристику ослабления, показанную на рис. 8, a. Реальный фильтр всегда будет иметь паразитные емкости, включенные параллельно катушке индуктивности, а также ESL и ESR конденсатора, включенные последовательно с ним, что и показано на рис. 7, b. Используя типичные значения этих паразитных компонентов, кривая на рис. 8, b показывает, что в действительности характеристики реального фильтра намного хуже, чем идеального, и его ослабление достигает нижнего значения немногим более 60 дБ.

Рассмотрим сначала конденсатор. Можно показать, что запараллеливанием нескольких конденсаторов меньшего номинала вместо одного большого можно уменьшить их паразитные характеристики и достичь некоторого улучшения параметров фильтра, что и видно на рис. 7, c и 8, c.

Следует знать, что тщательный выбор катушки индуктивности может также привести к уменьшению паразитных явлений. На рис. 9 приведены некоторые детали. Паразитные емкости катушки могут быть уменьшены до минимума, если она выполнена однослойной, причем начало и конец катушки располагаются на максимально возможном расстоянии. Однако нужно также учесть расстояние от обмотки до стержня катушки. Так как стержень является также проводником, то неучтенная емкость по отношению к стержню может вызвать тот же самый эффект — шунтировать обмотку. При грамотной и аккуратной намотке катушки часто удается значительно уменьшить паразитные компоненты катушки индуктивности, что приводит к улучшению работы фильтра, что и показано на рис. 7, d и 8, d.

Часто можно получить существенные преимущества за минимальную добавочную цену, например, если добавить маленькую индуктивность между некоторыми конденсаторами, то, по существу, такая операция делает схему двухступенчатой или фильтром второго порядка, что приведет к улучшению его работы. Это показано на рис. 7, e и 8, e.

И, наконец, работа фильтра должна быть исследована на возможность резонанса. Простой LC-фильтр резонирует на частоте

и это потенциально вызывает три дополнительные проблемы:

1. Перепад напряжения на входе фильтра может заставить напряжение на конденсаторах резонировать, причем его величина может приблизиться к двойному входному напряжению, и возможно повреждениеc следующего за ними конвертера.

2. Если на входной шине есть высокочастотные шумы, то любой компонент этого шума может быть усилен на резонансной частоте фильтра в Q раз.
3. Эффективный выходной импеданс фильтра, если он незадемпфирован, повышается на резонансной частоте и совместно с входным импедансом следующего за ним конвертера увеличивает спектр колебаний.

По любым из этих причин, демпфирование фильтра может быть очень важно и полезно. В то время как существует много подходов к оптимизации демпфирования фильтра, хорошей отправной точкой является добавление RC-цепи, включаемой параллельно конденсатору фильтра, как это и показано на рис. 10.

Уменьшение СМ-шумов

Выше было проведено обсуждение возможностей оптимизации фильтра для уменьшения DM-шумов. Те же самые соображения можно применить и к фильтру, предназначенному для подавления СМ-шумов. Как было сказано ранее, СМ-шумы в значительной мере появляются из-за паразитной емкости, подключенной к земле. Упрощенная схема одного из часто применяемых источников показана на рис. 11. На этой схеме показан асимметричный мощный выходной каскад с ключевым полевым транзистором, который переключает обмотку трансформатора. Таким образом, при частоте переключения 200 кГц максимальное напряжение на стоке полевого транзистора составит 2 V_in = 400 В с временем нарастания и спада 100 нс, что и показано на рисунке. Если, например, полевой транзистор упакован в корпус ТО-220 и установлен на заземленном радиаторе с изолирующей шайбой, то паразитная емкость стока относительно земли может лежать в диапазоне 12–32 пФ. Беря емкости с более низким значением и решая уравнение I = C (dV/dt), приходим к пиковому току ±48 мA — довольно значительная величина наведенного на землю шума. На рис. 12 показано, как этот наведенный ток завершает свой путь назад к линиям подачи мощности и, протекая через два 50-омных резистора LISN, таким образом создает напряжение шумов на каждом выходе LISN.

Решение этой проблемы — вставка последовательно СМ-току фильтра и определение его характеристик, что легче всего достигается при использовании эквивалентной схемы для напряжения шумов, которая также показана на рис. 12. Эта эквивалентная схема разработана с учетом того, что на стоке полевого транзистора присутствуют импульсы величиной 400 В_{пик-пик}. Считая, что мы работа ем в режиме с 50-процентным циклом переключения, среднеквадратическое значение этого сигнала равно 200 В на частоте пере ключения 200 кГц. Так как эта частота ниже того минимума, который определил FCC (450 кГц), то можно игнорировать основную частоту переключения и рассматривать только ее третью гармонику — 60 Вскз на частоте 600 кГц, считая ее вклад в спектр шумов наиболее значительным. Этот сигнал приводит к появлению напряжения шумов на резисторах LISN, которое приблизительно равно 68 мВ и, как кажется, имеет довольно маленькое значение, но ее значение должно быть сравнено с предельной величиной уровня шума — 1,0 мВ для изделий Класса АFCC на частоте 600 кГц. (Предел для Класса B устанавливается еще ниже — 250 мкВ.)

Чтобы уменьшить значение 68 мВ ниже порога 1,0 мВ, необходимо вставить фильтр, который и произведет ослабление 37 дБ на частоте 600 кГц. Один из способов достичь этого — добавить последовательно обычную катушку индуктивности. Теперь можно рассчитать требуемую индуктивность для получения значения реактивного сопротивления, в котором мы нуждаемся на частоте 600 кГц, как это показано на рис. 13. Однако анализ этого решения показал, что в то время как требуемая индуктивность будет равна 419 мГн, паразитная емкость этой индуктивности должна быть не более 0,17 пФ. Вряд ли это возможно!

Теперь попробуем шунтировать 25-омную нагрузку конденсатором, как это показано на рис. 14, чтобы понизить ее импеданс и добиться предельного падения напряжения 1,0 мВ. Произведя те же самые вычисления, приходим к необходимости подключения емкости 760 нФ, которая к тому же должна иметь паразитную последовательную индуктивность не более 93 нГн — только при этом все еще будут выполняться требования ослабления. В то время как это решение выглядит достаточно жизнеспособным, мы сталкиваемся с другой проблемой, заключающейся в том, что, если вход этого источника электропитания подключен к линии AC, то обычно спецификации безопасности устанавливают номинал входных конденсаторов не более 10 нФ.

Таким образом, наконец, попробуем найти наилучшее решение для входного СМ-фильтра, включив и индуктивность, и шунтирующую емкость, но с разумными величинами для каждого компонента, причем учтем значения их паразитных параметров. Это решение показано на рис. 15 и обычно выполняется с двухобмоточной индуктивностью на одном сердечнике в такой конфигурации, что постоянный ток, вызванный работой системы DC электропитания, не будет способствовать насыщаемости сердечника. Конечно, в этой схеме все шунтирующие конденсаторы соединены вместе для обеспечения заземления.

Входной СМ-фильтр, вероятно, также придется зашунтировать для предотвращения проблем с резонансом, но так как максимальный номинал выпускаемых емкостей ограничен, то обычно требуемую емкость делят на два конденсатора, а затем помещают резистор соответствующего номинала по следовательно с одним из них. На рис. 16 показана окончательная схема входного фильтра, объединяющая фильтры СМ и DM.

На этом рисунке входная нагрузка проявляет себя как протекание тока слева направо, от АС-линии до входного выпрямителя системы электропитания. Шумовой сигнал, наоборот, течет справа налево, от импульсного источника назад к входам AC-линии.

Работая справа налево, Cd1 и Ld1 представляют собой основной DM-фильтр. Cc1 и Lc1 (каждый из них состоит из 2 частей) формируют СМ-фильтр для шумов в линии заземления, причем две обмотки Lc1 намотаны на одном сердечнике. Cd2 работает с паразитной индуктивностью между этими обмотками и формирует вторичный высокочастотный DM-фильтр. Ln и Cn формируют заграждающий фильтр, работающий на частоте переключения, обеспечивая совместно с Rn и демпфирование, и некоторое расширение полосы заграждения. Наконец, Cd3 и Cc2 (2 шт.) часто используются для последней очистки правого терминала, куда для оценки шумов подключается пара устройств LISN. Работа этих емкостных элементов зависит от неопределенного импеданса AC-линии и труднопредсказуема, хотя и весьма полезна. В состав схемы могут быть включены дополнительные компоненты, такие, как демпфирующие цепи, защита от переходных процессов, плавкие предохранители и другие устройства, необходимые для конкретного приложения.

Дополнительные источники СМ-шумов

Перед завершением обсуждения СМ-шумов необходимо упомянуть, что выводы стока ключевого транзистора, конечно, не единственное место, где сигналы с высоким значением dV/dt могли бы навести шумы. Радиаторы — другая потенциальная проблема, так как требования безопасности не позволяют подключать их к высокому напряжению. Если габариты радиатора достаточно малы, такие, что он не выходит за пределы блока электропитания, то подключение этого радиатора к питанию, а не к заземлению блока может быть приемлемым решением. Использование изолированного от радиатора проводника, например, скобки, подключенной к источнику питания, может позволить использовать большие заземленные радиаторы, шунтируя емкость, передающую шум на общую шину, благодаря чему его проще будет уменьшить. Эти варианты приведены на рис. 17. Тот же самый подход применяется к трансформаторам с помощью установки электростатических экранов между обмотками, как это показано на рис. 18. Во многих случаях выход вторичной схемы заземлен и поэтому отслеживает выбросы AC-линии на первичной стороне, которая подключена через паразитную емкость трансформатора и может вызвать СМ-шумы. Изготовленные должным образом электростатические экраны могут исключить это, подавляя шум, передаваемый в первичную шину. (Экран может сделать это, если будет подключен либо к шине с высоким напряжением, либо к возвратной линии. Как правило, если мощный полевой транзистор имеет значение dV/dt больше при включении, чем при выключении, то необходимо подключить экран к возвратной линии, а если dV/dt больше при выключении, то подключать его необходимо к положительной шине.) Разные конфигурации подключения экранов приведены на рис. 19 и 20.