Проблемы электромагнитной совместимости и помехоустойчивости импульсных источников питания

Импульсные источники питания генерируют электромагнитные помехи, поэтому в случае их использования вопросам электромагнитной совместимости уделяется особое внимание. На коллекторах (стоках) силовых ключей контролеров источников питания присутствует напряжение, близкое по форме к прямоугольному, кроме того, в источниках питания существуют замкнутые цепи, по которым циркулируют импульсные токи с достаточно крутыми фронтами и спадами (0,1..1 мкс).

Импульсные источники питания служат источником интенсивных помех, спектр которых простирается от 16...20 кГц до десятков мегагерц.

Также, импульсные источники питания сами подвержены воздействию электромагнитных помех различного вида. Помехи могут воздействовать из сети электропитания или наводиться внешними высокочастотными магнитными полями. Таким образом ИИП должны быть помехоустойчивыми.

Виды и источники электромагнитных помех

Электромагнитные помехи делятся на непрерывные (длительные) помехи и помехи от переходного процесса. Непрерывные помехи появляются при излучении источником помех непрерывного сигнала, содержащего основную частоту источника и связанные гармоники.

Непрерывные помехи можно разделить по полосе частот. Частоты от нескольких десятков Гц до 20 кГц являются звуковыми частотами. Источниками таких помех являются источники питания и связанные с ними провода, линии передач и подстанции, устройства обработки звука, а также демодуляция несущей высокой частоты.

Высокочастотные помехи возникают в частотном диапазоне свыше 20 кГц. Источниками высокочастотных помех являются радиотрансляция, телевизионные и радиоприемники, промышленное, научное и медицинское оборудование, а также высокочастотные схемы (микропроцессоры, микроконтроллеры и другие высокоскоростные цифровые устройства).

Электромагнитные помехи от переходного процесса возникают при излучении источником коротких импульсов. Источниками помех от переходного процесса являются импульсные электрические схемы (индуктивные нагрузки, реле, электромагниты и электромоторы). Также источниками помех могут быть электростатический разряд, системы освещения, скачки напряжения в сети и т.д.

Каналы проникновения электромагнитных помех в импульсные источники питания

В зависимости от среды распространения электромагнитные помехи могут разделяться на индуктивные и кондуктивные. Индуктивными называют помехи, распространяющиеся в виде электромагнитных полей в непроводящих средах. Кондуктивные помехи представляют собой токи, текущие по проводящим конструкциям и земле, и измеряются в диапазоне частот до 30 МГц.

Кондуктивные помехи принято делить на синфазные (токи частотой выше 5 МГц) и дифференциальные (токи частотой ниже 5 МГц).

Дифференциальные помехи возникают из-за дифференциальных токов в паре проводов: ток покидает источник по одной линии и возвращается по обратной линии дифференциальной пары. Дифференциальные токи протекают между импульсным источником питания и его источником или нагрузкой через выводы питания. На земляной шине дифференциальные токи отсутствуют.

Синфазные помехи вызываются синфазными токами. В этом случае шумовой ток течет вдоль обеих линий в одном и том же направлении и попадает через паразитные цепи на системную земляную шину. Во многих случаях источниками синфазных помех являются паразитные емкости в схеме. Синфазный ток течет в одном направлении от импульсного источника питания через ввод питания и возвращается обратно к источнику по земле. Кроме того, синфазные токи могут передаваться через емкость между корпусом и землей.

Дифференциальные и синфазные токи в системе

Рис. 1. Дифференциальные и синфазные токи в системе

Индуктивные помехи появляются там, где источник и приемник находятся на небольшом расстоянии друг от друга. Индуктивная связь может быть вызвана электрической или магнитной индукцией. Электрическая индукция является следствием емкостной связи, а магнитная индукция обусловлена индуктивной связью. Емкостная связь возникает, когда имеется переменное электрическое поле между двумя соседними проводниками, что вызывает изменение напряжения на соседнем проводнике. Магнитная связь возникает, когда появляется переменное магнитное поле между двумя параллельными проводниками, что вызывает изменение напряжения вдоль принимающего излучаемое поле проводника.

Индуктивная связь встречается реже, чем кондуктивная. Требования к электромагнитным помехам, как излучаемым, так и кондуктивным, применимы ко всей электронной системе. 

Способы уменьшения кондуктивных помех

Для эффективного ослабления негативного воздействие кондуктивных помех, необходимо отдельно рассматривать синфазный и дифференциальный шумы, поскольку методы решения проблем для каждого вида шума различаются. Реализованные решения для дифференциального шума не исключают синфазный шум в схеме и наоборот.

Дифференциальные помехи обычно подавляют включением шунтирующего конденсатора непосредственно между силовой и обратной линиями импульсного источника питания. Силовые линии, которые требуют фильтрации, могут быть расположены на входе или выходе импульсного источника питания. Для наилучшей эффективности шунтирующие конденсаторы на этих линиях необходимо располагать вблизи выводов источника генерации помех. Для эффективного ослабления дифференциальных токов на высоких частотах очень важным является расположение шунтирующего конденсатора. Ослабление дифференциальных токов на более низких частотах вблизи основной частоты переключения источника генерации помех может потребовать применения шунтирующего конденсатора намного большей емкости, что не позволяет использование керамического конденсатора.

Керамические конденсаторы емкостью до 22 мкФ могут подойти для фильтрации дифференциальных помех на низковольтных выходах импульсных источников питания, но их может быть недостаточно для применения на входах импульсных источников питания, где могут наблюдаться 100-В выбросы напряжения. В таких случаях используются электролитические конденсаторы ввиду их высокой емкости и рабочего напряжения.

Дифференциальный входной фильтр обычно состоит из комбинации электролитического и керамического конденсатора, что позволяет эффективно ослаблять дифференциальный ток как на более низкой основной частоте переключения, так и на частотах более высоких гармоник. Дополнительного подавления дифференциальных токов можно достичь с помощью, включенной последовательно с сетевым входом катушки индуктивности, образуя совместно с шунтирующим конденсатором однокаскадный дифференциальный LC-фильтр нижних частот.

Синфазные кондуктивные помехи эффективно подавляются путем включения шунтирующего конденсатора между каждой силовой линией импульсного источника питания и землей. Эти силовые линии могут быть на входе и/или выходе импульсного источника питания. Дополнительного подавления синфазных токов можно достичь с помощью пары связанных дросселей, включенных последовательно с каждым сетевым входом. Высокий импеданс связанных дросселей к синфазным токам обеспечивает передачу этих токов через шунтирующий конденсатор.

Методы уменьшения излучаемых помех

Излучаемые помехи можно подавить путем уменьшения высокочастотного импеданса и сокращения площади антенной петли, что обеспечивается путем минимизации площади замкнутой антенной петли, которая образуется силовой линией и ее обратным каналом (см. рис. 2). Делая ширину печатной платы как можно больше и прокладывая ее параллельно обратному каналу можно значительно снизить значение импеданса проводника данной платы. Уменьшение площади между силовой линией и ее обратным каналом обеспечивает снижение ее импеданса. В пределах печатной платы эта область может быть сокращена путем размещения силовой и обратной линий — одной под другой — на соседних слоях платы. Расположение земляного слоя, расположенного на открытых поверхностях печатной платы (особенно если плата расположена прямо под источником генерации помех) значительно уменьшает излучаемые электромагнитные помехи.

Снижение излучаемых помех за счет уменьшение площади петлевой антенны

Рис. 2. Снижение излучаемых помех за счет уменьшение площади петлевой антенны 

Также, использование металлических экраны (канализируя излучение), способствует дополнительному уменьшению излучаемых помех. Это достигается путем размещения источника генерации помех внутри заземленного проводящего корпуса. Интерфейс с внешней средой осуществляется через проходные фильтры. Более того, необходимо разместить синфазные шунтирующие конденсаторы между проводящим корпусом и земляной шиной.

Дополнительные меры уменьшения помех для импульсных источников питания

Необходимо обеспечить надежное соединение проводов с импульсным источником питания. Следует использовать как можно более короткие провода, а также необходимо минимизировать количество петель. Рекомендуется избегать прокладки входных или выходных проводов вблизи силовых устройств. Все соединения с землей должны быть выполнены надежно. Заземляющие провода должны быть также как можно короче. Если при работе схемы или системы наводятся переходные токовые процессы, очень важно размещать развязывающие конденсаторы таким образом, чтобы импульсы тока не могли передаваться к источнику питания. В качестве таких конденсаторов следует использовать высокочастотные керамические конденсаторы и накопительные конденсаторы большой емкости. Если допускается режимом эксплуатации, то следует уменьшить частоту или увеличить длительность фронта/спада тактового сигнала. Для уменьшения переходных процессы в цепи питания, схемы с более высокой тактовой частотой и более быстрым временем переключения следует располагать вблизи входа силовой линии. Рекомендуется физически изолировать аналоговые и цифровые схемы друг относительно друга, и по источнику питания, и по сигнальным линиям. Следует избегать появления заземляющих контуров в системе, особенно когда система является сложной, что обеспечивается использованием одной точкой подсоединения к земляной шине. На рисунке 3 показан пример подсоединения системы к земляной шине.

Пример исключения петель в шинах питания

Рис. 3. Пример исключения петель в шинах питания

Если в системе имеется множество схемных узлов, то их следует отделить между собой с помощью прокладки отдельных линий питания и/или путем включения катушек индуктивности в линиях питания, как показано на рисунке 4.

Разделение линий питания для отдельных узлов системы

Рис. 4. Разделение линий питания для отдельных узлов системы

Для развязки системы и источника питания по переменному току, можно разместить на линиях DC-питания ферритовые шайбы. Это может быть эффективно при имеющейся угрозе нарушения работы системы из-за появления гармоник при переключении питания или для предотвращения попадание помех из системы в источник питания. В случае необходимости можно установить дополнительный фильтр перед источником питания.

Хотя многие из способов уменьшения помех, приведенных выше, применимы для AC-DC- и для DC-DC-преобразователей, существуют меры, которые касаются только DC/DC-преобразователей.  Поскольку многие DC/DC-преобразователи имеют компактные размеры, они в большинстве случаев не содержат конденсаторов достаточной емкости. Таким образом разработчик должен разместить дополнительные конденсаторы на входе для снижения дифференциальных помех. Для лучшей фильтрации можно использовать П-фильтры, как показано на рисунке 5. Для снижения уровня синфазных помех можно использовать дополнительные конденсаторы.

Типовая схема фильтрации для DC/DC-преобразователя

Рис.5. Типовая схема фильтрации для DC/DC-преобразователя

Автор: Петр Ильин, технический консультант ИД, «Электроника»

Источник:  "Время электроники"