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.
Способы борьбы с помехами в импульсных блоках питания
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.
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.
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.
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.
Тема: Импульсник и помехи
Не сочтите за флуд, просто некоторые аспекты использования "дешёвых" импульсников с трансивером. Которые всплыли в моей практике,может кому поможет.
Как правило такие ИБП "массово продающиеся на наших рынках" не предназначены для использования с приемно передающей техникой! Их клепают для светодиодной рекламы и тому подобное.
В интернете, встречаются многостраничные темы о переделке всевозможных "компьютерных" ИБП и борьба с ихними высокочастотными наводками.
Как от простого редактирования номиналов обвязки ШИМ и транзистора преобразователя, до координальной переделки ИБП с применением всевозможных фильтров.
В свое время, я тоже столкнулся с огромной проблемой ИБП.
Купил платку:PS-65-13,5 (4,7A; 13,5V) от Mean Well 
Поместил в железную коробку от советского тестера. Впаял керамические емкости, параллельно каждому электролитическому конденсатору.
Включил свои миник и опечалился. Широкополосная помеха "выхлоп" гуляла по 160 до 10 м. Но самое интересное — она была явно выражена только на определенных диапазонах!
Почесав репу, решил убрать по далее ИБП и заземлить! Но это не решило всей проблемы, помеха упала в среднем на бал. Но 8 бальные трели и шум по диапазонам остался.
Опять почесав репу, понял что высокочастотная помеха лезет на выходе ИБП, по проводам питания 13,5V "потом вспомнил, что данная проблема широко обсуждалась на спец форумах, как и борьба с помехой"
Выпаял из старого сгоревшего компьютерного ИБП, колечко Т200-52 "но можно и ферритовое от старого телевизора" 
Намотал запорный дроссель — подключил к выходу ИБП, удивился тем что помехи идущие по проводам питания 13,5, остались только на определенных диапазонах!
Намотал кольцо до заполнения, можно и синфазно "в два провода + и -" и получил приличную индуктивность. Этот дроссель, в обще убрал помехи ШИМ ИБП, идущие по проводам питания 13,5 Вольт.
Поместив эту конструкцию обратно в металлическую коробку от советского тестера и заземлил — помехи исчезли полностью. Сама плата БП перестала наводить и по проводам не чего не лезет. Но такой способ последнее дело,все ИБП разные и надо экспериментировать с номиналами обвязки, парой простой диод вносит ужасную картину.
ЗЫ. В данный момент не использую металлический корпус — сильно большой и плохо вентилируемый. Поместил ИБП в пластиковый корпус — но чтоб избавится от помехи "наведенки" самой платки. Поместил ИБП под стол в удаленном от трансиверов месте)
Пользую больше года, живу за городои и все ВЧ диапазонны чистые от индустриальных помех.
