Борьба с шумом и электромагнитными помехами

December 5, 2011 by admin Комментировать »

Борьба с генерированием и излучением высокочастотного шума — это самый "черный" из всех "черных ящиков" в проектировании импульсных источников питания и конечного изделия. Эта тема, которая является последним барьером для вывода изделия на рынок, сама по себе заслуживает отдельной книги, и данное приложение не может полностью ее охватить — будут затронуты только главные аспекты, которые следует учитывать при проектировании.

Большинство компаний не выделяют средств на обустройство лабораторий по тестированию изделий на предмет помех, которые соответствовали бы требованиям регулятивных ведомств. Оборудование слишком дорого, а операторы должны иметь специальную подготовку. Рекомендовано, чтобы компании обращались в специализированные тестовые консультационные лаборатории для получения помощи на этой стадии своих разработок. Большинство изделий с первого раза не проходят тестирования на предмет излучаемых или наводимых электромагнитных помех. Почти всегда проект требует доработок с тем, чтобы пройти тестирование, а инженеры-консультанты ранее уже много раз сталкивались с подобными проблемами и знакомы с возможными путями их решения.

Мы надеемся, что благоцаря данному приложению, а также разделам 3.12 и 3.14, проект читателя будет иметь, по крайней мере, приемлемую компоновку печатной платы, входной фильтр электромагнитных помех и корпус, которые послужат основой лишь для незначительных модификаций на этапе тестирования. Первое, что может сделать проектировщик для минимизации воздействия шумов, — это правильно скомпоновать печатную плату; второе — использовать методики формирования сигналов, и третье — правильно спроектировать корпус. Обобщенное правило звучит так: чем строже требования на этапе проектирования, тем легче на этапе тестирования.

Большинство стран мира "согласовали" свои спецификации с тестовыми ограничениями. Если в проекте используется спецификация EMI/EMC одной страны, то можно быть уверенным, что изделие будет удовлетворять соответствующим спецификациям и других стран.

Д.1. Природа и источники электрического шума

Шум создается везде, где имеют место быстрые переходы в сигналах напряжения и/или тока. Многие сигналы, особенно в импульсных источниках питания, являются периодическими, то есть, сигнал, содержащий импульсы с высокочастотными фронтами, повторяется с предсказуемой частотой следования импульсов (pulse repetition frequency, PRE). Для импульсов прямоугольной формы обращение этого периода определяет основную частоту самой волны. Преобразование Фурье волны прямоугольной формы создает множество гармоник этой основной частоты. Обращение двойного значения времени переднего или заднего фронта импульсов является оценкой спектральной основной частоты этих фронтов. Это типично в мегагерцевом диапазоне, и гармоники могут достигать очень высоких частот.

В импульсных источниках питания с ШИМ ширина импульсов прямоугольной формы непрерывно изменяется в ответ на рабочее состояние источника. В результате получаем почти распределение энергии белого шума с отдельными пиками и уменьшением амплитуды с повышением частоты. На рис. Д.1 показан спектр, излучаемый вблизи автономного обратноходового импульсного источника питания с ШИМ без демпфирования.

Рис. Д.1. Спектр шума, излучаемого типичным автономным обратноходовым преобразователем с ШИМ

Как видим, спектральные компоненты распространяются дальше 100 МГц (вправо) и, если их не фильтровать и не экранировать, будут создавать помехи для бытовой электронной аппаратурой.

Квазирезонансные и резонансные импульсные источники питания имеют гораздо более привлекательную форму спектра излучения. Это связано с тем, что, благодаря резонансным элементам, переходные процессы происходят на более низких частотах, и таким образом в спектре присутствуют только низкочастотные компоненты (менее 30 МГц). Высокочастотные спектральные компоненты почти отсутствуют. Спектр излучения вблизи квазирезонансного обратноходового преобразователя показан на рис. Д.2. Семейства квазирезонансных преобразователей, а также преобразователей с плавным переключением гораздо более "тихие" и легче поддаются фильтрации.

Кондуктивный шум (то есть, шумовые токи, выходящие из корпуса изделия через линии электропитания и любые входные и выходные линии), может проявляться в двух формах: синфазных помех (common-mode) и помех при дифференциальном включении (differential-mode). Синфазные помехи — это шум, который исходит из корпуса только по линиям электропитания, а не по линиям заземления, и может быть измерен по отношению к силовым линиям (рис. Д.З, а). Помехи при дифференциальном включении — это шум, который можно измерить только от линии заземления к одному из выводов питания. Шумовые токи фактически вытекают через вывод заземления. Соответствующая модель показана на рис. Д.З, б.

Каждым шумовым режимом можно управлять с помощью особых фильтрующих топологий, и в каждом проекте источника питания может потребоваться два типа входной фильтрации. Такие фильтры содержат индукторы и конденсаторы, которые называются элементами "X" и "Y" соответственно. Элементы X размещаются на линиях электропитания, фильтруя искажения синфазных помех, а элементы Y — между линиями электропитания и заземлением, фильтруя искажения помех при дифференциальном включении.

Рис. Д.2. Спектр шума, излучаемого автономным квазирезонансным обратноходовым преобразователем

с переключением при нулевом напряжении

Рис. Д.З. Модели возникновения ломех: а — синфазных; б — лри дифференциальном включении

При сертификационном тестировании проверяются как излучаемый, так и кон- дуктивный шум. Излучаемый шум определяют путем размещения калиброванной антенны и приемника на определенном расстоянии (1 метр) от изделия и исследования результирующего шумового спектра вплоть до гигагерцовой области. Излучаемый мешает работе другого оборудования, но кондуктивный шум использует для излучения шума линии электропитания, а также линии ввода/вывода, и потому тоже анализируется. Кондуктивный шум определяют путем подсоединения к линиям электропитания через высокочастотный токовый трансформатор и исследования полученного спектра за пределами 1 ГГц.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты