Как подавлять электромагнитные помехи в импульсных источниках питания

Steve Taranovich

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.

Выбираем схему BMS для заряда литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов

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.