Дизеринг рабочей частоты преобразователя напряжения для снижения уровня электромагнитных помех

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2019

Bob Bell

EDN

Разработчики импульсных DC/DC преобразователей энергии сталкиваются с проблемой электромагнитных излучений, создаваемых устройствами при их нормальной работе. Если уровень этих излучений достаточно высок, они проникают в шины питания или создают кондуктивные помехи в других внутренних узлах системы и могут существенно ухудшить характеристики системы. Обычно пики излучения возникают на основной частоте переключения преобразователя напряжения и постепенно уменьшаются по амплитуде по мере увеличения номера гармоники, при этом бóльшая часть излучаемой энергии ограничивается первой и низшими гармониками. Модуляция, или дизеринг рабочей частоты преобразователя может снизить пиковый уровень выбросов, распределив энергию электромагнитных помех в более широкой полосе частот.

В большинстве современных контроллеров ШИМ рабочая частота устанавливается внешним резистором, и, как правило, увеличивается с уменьшением его сопротивления. Например, внутренний генератор микросхемы LM5020 формирует на выводе программирования частоты RT стабилизированное напряжение 2 В, с помощью которого подключенный к этому выводу резистор устанавливает ток, идущий во внутренний времязадающий конденсатор. Период нарастания и спада тока времязадающего конденсатора определяет частоту генератора.

Схема внешнего дизеринга на Рисунке 1 содержит простой автономный генератор на основе компаратора, настроенный для работы на частоте примерно 800 Гц. При включении питания выход компаратора IC₂ находится в низком состоянии. Резисторы R₁, R₂ и R₃ устанавливают напряжение на неинвертирующем входе компаратора, которое изначально составляет 2.9 В. Напряжение на конденсаторе C₃ начинает расти.

Рисунок 1.	Низкочастотный генератор треугольных импульсов модулирует частоту генератора ШИМ-контроллера.

Когда напряжение на инвертирующем входе компаратора достигает уровня положительного порога, уровень выходного сигнала компаратора становится низким и уменьшает пороговое напряжение на неинвертирующем входе до 2.1 В. Затем начинается спад напряжения на конденсаторе C₃ до нового, нижнего порога, и после того, как оно сравняется с ним, цикл повторяется. Напряжение на C₃ аппроксимирует последовательность треугольных импульсов с минимальным и максимальным уровнями, равными, соответственно, 2.1 В и 2.9 В.

Генерируемые микросхемой IC₂ треугольные импульсы модулируют ток, вытекающий из вывода RT, который, в свою очередь, модулирует частоту ШИМ-генератора контроллера LM5020. Глубину модуляции задает резистор R₅. Правая сторона R₅ подключена к фиксированному стабилизированному потенциалу 2 В вывода RT, а на левую сторону через конденсатор C₂ подаются низкочастотные треугольные импульсы, формируемые IC₂. Если сопротивление резистора R₅ равно 64.9 кОм, пиковый размах тока, проходящего через резистор, равен приблизительно 12 мкА. При отключенной схеме дизеринга из вывода RT вытекает постоянный ток примерно 121 мкА. Таким образом, ток дизеринга 12 мкА пик-пик обеспечивает глубину модуляции 10%.

Эффективность дизеринга оценивалась с помощью схемы обратноходового DC/DC преобразователя на основе ШИМ-контроллера LM5020 (IC₁). Рабочая частота схемы определяется сопротивлением резистора RT, подключенного к входу контроллера, и составляет 250 кГц. Красная кривая на Рисунке 2 показывает уровень кондуктивной помехи на входной положительной шине питания схемы, работающей без использования дизеринга. Измеренный пик излучения, сосредоточенный в узкой полосе вокруг основной частоты колебаний генератора 250 кГц, имеет уровень –24 дБ.

Рисунок 2.	Пиковый уровень кондуктивной помехи, измеренный на входе DC/DC преобразователя без модуляции рабочей частоты (красная кривая), уменьшается на 10 дБ после подключения схемы дизеринга (синяя кривая).

После подключения схемы дизеринга к входу RT контроллера спектр помехи приобретает вид, представленный синей кривой на Рисунке 2. Теперь энергия помехи распределена вокруг основной частоты, и ее максимальная амплитуда уменьшилась на 10 дБ до –34 дБ.

Материалы по теме