© janaka-dharmasena-dreamstime.com
Technologie |
Nowoczesne zasilacze muszą redukować straty mocy, by utrzymać wysoki współczynnik efektywności. Zasilacze impulsowe, jak też kontrolery do przetwornic DC/DC są obecnie bardzo zaawansowanymi produktami, ale jeżeli projekt obwodu oraz layout płytki nie jest przemyślany, efektem może być zwiększona emisja zakłóceń. W poniższym artykule chcielibyśmy poruszyć kwestie dobrze zaplanowanych filtrów wejściowych, służących obniżeniu zakłóceń wejściowych w zasilaczach typu DC/DC. Niezależnie od tego, czy mamy do czynienia z SMPS, czy z innego typu przetwornicą DC/DC, każde kluczowane źródło zasilania jest źródłem szerokopasmowych zakłóceń przybierających formy napięć oraz pól, które mogą negatywnie wpływać np. na pracę otaczających urządzeń. Głównym źródłem napięcia zakłócającego jest prąd wejściowy płynący przez pojemność na wejściu kontrolera w takt sygnału zegara. Powoduje to występowanie napięcia tętnień (VRipple) indukowanego na ESR (zastępczej rezystancji szeregowej). Może być to skorygowane przez filtr wejściowy redukujący amplitudę napięcia zakłócającego, tłumiący harmoniczne i odpowiedzialny za redukcji emitowanych zakłóceń do akceptowalnego poziomu. W procesie projektowania urządzeń musimy dążyć do zgodności sprzętu z obowiązującymi normami. Przykładowo norma EN61000-6-4 dla częstotliwości 150kHz wprowadza limit zakłóceń na poziomie 79dBµV. Na rynku komponentów pasywnych możemy znaleźć szeroki zakres gotowych filtrów obiecujących wysoki poziom tłumienia, niektórzy producenci deklarują 70dB-100dB, lecz w praktyce rzadko uzyskuje się takie wyniki. Dzieje się tak dlatego, że pomiary dla tego typu filtrów przeprowadzane są w systemach 50Ω, natomiast impedancje źródeł zasilania odbiegają od tej wartości. Zalecane jest stworzenie własnego, autorskiego projektu filtra. Powinniśmy zacząć od określenia typu zakłóceń z jakim mamy do czynienia: czy będą to zakłócenia symetryczne, czy niesymetryczne. Filtr umieszczony na wejściu do przetwornicy będzie w naszym przypadku tłumił zakłócenia niesymetryczne. Już na etapie prototypowania można prowadzić badania zakłóceń. Do tego celu używa się obwodu zwanego LISN (Line Impedance Stabilisation Network) oraz analizatora widma. (rys.1) Na rysunku 1 pokazane jest poprawne zestawienie systemu. Bazując na nim
Wyraźnie widoczna jest tu częstotliwość podstawowa odpowiadająca częstotliwości kluczowania. Harmoniczne, rozciągające się aż ku wyższym częstotliwościom, maja niższą amplitudę, lecz wciąż są powyżej wartości granicznej. Wartość maksymalna rzędu 116dBµV jest osiągana dla częstotliwości kluczowania (2 MHz), co odpowiada napięciu tętnień (URipple ) 631mV. Potrzebujemy więc filtra wejściowego.
Przeanalizujmy filtr pasujący do przedstawionego powyżej przypadku. Filtr dolnoprzepustowy jest zbudowany z cewki (WE-PD2, nieekranowanej, L=1µH, SRF=110MHz, RDC=49mΩ) oraz kondensatora (seria FK, elektrolityczny, C=10µF, U=35VDC). Filtr jest umiejscowiony przed kondensatorem wejściowym do przetwornicy DC/DC (rys.3). Rozpoczynając opis filtra, warto zauważyć, że do jego budowy należy użyć cewki posiadającej wysoką częstotliwość rezonansową (SRF). Wynika to z faktu, że cewka zazwyczaj traci swe zdolności do filtracji wraz ze wzrostem wartości częstotliwości, z powodu pojemności pasożytniczej. By uniknąć nasycenia rdzenia cewki, jej prąd nasycenia (Isat) powinien być przynajmniej o 10% wyższy niż szczytowa wartość prądu wejściowego. Należy też uważać na wartość rezystancji cewki (Rdc). Warto wybrać model z jak najniższą wartością tej rezystancji, by zminimalizować spadek napięcia wejściowego. Wartość indukcyjności należy dobrać tak, by graniczna wartość filtra była równa w przybliżeniu jednej dziesiątej wartości częstotliwości kluczowania przetwornicy. Dzięki temu uzyskujemy tłumienie głównej częstotliwości, którą staramy się wyeliminować oraz pozbywamy się znacznej części harmonicznych. Ważne jest, by zachować odstęp pomiędzy częstotliwością odcięcia filtra, a graniczną częstotliwością pracy przetwornicy. Pozwoli to zapewnić bezpieczeństwo pod kątem stabilności układu przetwornicy. W przypadku niezachowania wyżej wymienionego warunku, mogą pojawić się niestabilności w pracy urządzenia i kontroler nie będzie w stanie wystarczająco szybko zareagować np. na zmianę napięcia wejściowego. Jest to spowodowane przez ujemna impedancję wejściową przetwornicy (Zin). W teorii moc wyjściowa = moc wejściowa (Pout=Pin), oznacza to, że jeżeli początkowe warunki pracy przetwornicy są stałe, prąd wejściowy (Iin) powinien spaść w momencie wzrostu napięcia wejściowego (Uin).
Jest to podejście wielkosygnałowe, jednakże z powodu zależności parametrów komponentów od częstotliwości, rezystancja wejściowa jest dynamiczna i wymaga analizy niesygnalizowanej. Praktycznym podejściem do problemu jest zachowanie impedancji wejściowej filtra (Zfilter) na poziomie znacznie niższym niż wejściowa impedancja samej przetwornicy (Zin).
Zfilter << Zin
Generalnie możemy założyć, że cewka użyta w omawianym filtrze nie powinna być źródłem zakłóceń promieniowanych, stąd możliwość użycia nieekranowanej rodziny WE-PD2.
Dobierając kondensator trzeba się upewnić, że maksymalne napięcie pracy kondensatora przewyższa co najmniej o 25% napięcie wejściowe. Wynika to z faktu, że należy przewymiarować wartość pojemności, która spada wraz ze wzrostem napięcia, co powoduje pogoroszenie efektywności działania naszego filtra. By zapewnić wysoką częstotliwość rezonansu własnego możemy użyć stosunkowo niskiej wartości indukcyjności. Powinniśmy też dążyć do stosunkowo wysokiej wartości ESR (zastępczej rezystancji szeregowej), gdyż wysokie ESR redukuje nam tutaj wartość dobroci (Q) filtra i przez to obniża przeregulowanie rezonansu filtra dolnoprzepustowego. Wybór stosunkowo dużej pojemności oraz niskiej indukcyjności jest zalecany, ponieważ wzrost indukcyjności obniża częstotliwość rezonansu własnego. Najlepszym wyborem wydaje się więc kondensator elektrolityczny. By uniknąć niedopasowania impedancji ważne jest, by poprawnie zaprojektować wzajemne położenie elementów filtra. Z racji umiejscowienia kondensatora wejściowego, impedancja wejściowa przetwornicy jest niższa niż impedancja źródła zasilania, tak więc cewka filtra powinna być ulokowana pomiędzy źródłem zasilania oraz wejściem przetwornicy. Kondensator filtra podłączamy za cewką oraz równolegle do źródła zasilania. Zadaniem cewki jest tu przeciwdziałanie prądom tętnień, natomiast kondensator odprowadza napięcia zakłóceń do masy (rys.4).
Projektowanie filtrów wejściowych przetwornicy DC/DC
Jak zaprojektować filtr wejściowy dla impulsowej przetwornicy DC/DC prewencyjny pod kątem kompatybilności EMC? Zapraszamy do lektury!
Nowoczesne zasilacze muszą redukować straty mocy, by utrzymać wysoki współczynnik efektywności. Zasilacze impulsowe, jak też kontrolery do przetwornic DC/DC są obecnie bardzo zaawansowanymi produktami, ale jeżeli projekt obwodu oraz layout płytki nie jest przemyślany, efektem może być zwiększona emisja zakłóceń. W poniższym artykule chcielibyśmy poruszyć kwestie dobrze zaplanowanych filtrów wejściowych, służących obniżeniu zakłóceń wejściowych w zasilaczach typu DC/DC. Niezależnie od tego, czy mamy do czynienia z SMPS, czy z innego typu przetwornicą DC/DC, każde kluczowane źródło zasilania jest źródłem szerokopasmowych zakłóceń przybierających formy napięć oraz pól, które mogą negatywnie wpływać np. na pracę otaczających urządzeń. Głównym źródłem napięcia zakłócającego jest prąd wejściowy płynący przez pojemność na wejściu kontrolera w takt sygnału zegara. Powoduje to występowanie napięcia tętnień (VRipple) indukowanego na ESR (zastępczej rezystancji szeregowej). Może być to skorygowane przez filtr wejściowy redukujący amplitudę napięcia zakłócającego, tłumiący harmoniczne i odpowiedzialny za redukcji emitowanych zakłóceń do akceptowalnego poziomu. W procesie projektowania urządzeń musimy dążyć do zgodności sprzętu z obowiązującymi normami. Przykładowo norma EN61000-6-4 dla częstotliwości 150kHz wprowadza limit zakłóceń na poziomie 79dBµV. Na rynku komponentów pasywnych możemy znaleźć szeroki zakres gotowych filtrów obiecujących wysoki poziom tłumienia, niektórzy producenci deklarują 70dB-100dB, lecz w praktyce rzadko uzyskuje się takie wyniki. Dzieje się tak dlatego, że pomiary dla tego typu filtrów przeprowadzane są w systemach 50Ω, natomiast impedancje źródeł zasilania odbiegają od tej wartości. Zalecane jest stworzenie własnego, autorskiego projektu filtra. Powinniśmy zacząć od określenia typu zakłóceń z jakim mamy do czynienia: czy będą to zakłócenia symetryczne, czy niesymetryczne. Filtr umieszczony na wejściu do przetwornicy będzie w naszym przypadku tłumił zakłócenia niesymetryczne. Już na etapie prototypowania można prowadzić badania zakłóceń. Do tego celu używa się obwodu zwanego LISN (Line Impedance Stabilisation Network) oraz analizatora widma. (rys.1) Na rysunku 1 pokazane jest poprawne zestawienie systemu. Bazując na nim
można zmierzyć rzeczywiste zakłócenia niesymetryczne, ponieważ napięciem odniesienia jest tu masa przetwornicy, nie zaś zewnętrzna masa, niezwiązana z badanym układem. LISN ma za zadanie wydzielić napięcie zakłóceń w postaci sygnału zmiennego. Wewnętrzny filtr dolnoprzepustowy zapobiega przedostawaniu się zakłóceń z badanego urządzenia do sieci zasilania i przez to chroni inne urządzenia w otoczeniu. Rysunek 2 pokazuje napięcie zakłóceń Unoise wyrażone w dBµV. w przetwornicy DC/DC obniżającej napięcie, zmierzone przy częstotliwości kluczowania 2 MHz, napięciu wejściowym 10V oraz prądzie wejściowym rzędu 0.7A. Napięcie zakłócające Unoise jest zdefiniowane następująco:Rys. 1
Wyraźnie widoczna jest tu częstotliwość podstawowa odpowiadająca częstotliwości kluczowania. Harmoniczne, rozciągające się aż ku wyższym częstotliwościom, maja niższą amplitudę, lecz wciąż są powyżej wartości granicznej. Wartość maksymalna rzędu 116dBµV jest osiągana dla częstotliwości kluczowania (2 MHz), co odpowiada napięciu tętnień (URipple ) 631mV. Potrzebujemy więc filtra wejściowego.
Przeanalizujmy filtr pasujący do przedstawionego powyżej przypadku. Filtr dolnoprzepustowy jest zbudowany z cewki (WE-PD2, nieekranowanej, L=1µH, SRF=110MHz, RDC=49mΩ) oraz kondensatora (seria FK, elektrolityczny, C=10µF, U=35VDC). Filtr jest umiejscowiony przed kondensatorem wejściowym do przetwornicy DC/DC (rys.3). Rozpoczynając opis filtra, warto zauważyć, że do jego budowy należy użyć cewki posiadającej wysoką częstotliwość rezonansową (SRF). Wynika to z faktu, że cewka zazwyczaj traci swe zdolności do filtracji wraz ze wzrostem wartości częstotliwości, z powodu pojemności pasożytniczej. By uniknąć nasycenia rdzenia cewki, jej prąd nasycenia (Isat) powinien być przynajmniej o 10% wyższy niż szczytowa wartość prądu wejściowego. Należy też uważać na wartość rezystancji cewki (Rdc). Warto wybrać model z jak najniższą wartością tej rezystancji, by zminimalizować spadek napięcia wejściowego. Wartość indukcyjności należy dobrać tak, by graniczna wartość filtra była równa w przybliżeniu jednej dziesiątej wartości częstotliwości kluczowania przetwornicy. Dzięki temu uzyskujemy tłumienie głównej częstotliwości, którą staramy się wyeliminować oraz pozbywamy się znacznej części harmonicznych. Ważne jest, by zachować odstęp pomiędzy częstotliwością odcięcia filtra, a graniczną częstotliwością pracy przetwornicy. Pozwoli to zapewnić bezpieczeństwo pod kątem stabilności układu przetwornicy. W przypadku niezachowania wyżej wymienionego warunku, mogą pojawić się niestabilności w pracy urządzenia i kontroler nie będzie w stanie wystarczająco szybko zareagować np. na zmianę napięcia wejściowego. Jest to spowodowane przez ujemna impedancję wejściową przetwornicy (Zin). W teorii moc wyjściowa = moc wejściowa (Pout=Pin), oznacza to, że jeżeli początkowe warunki pracy przetwornicy są stałe, prąd wejściowy (Iin) powinien spaść w momencie wzrostu napięcia wejściowego (Uin).
Jest to podejście wielkosygnałowe, jednakże z powodu zależności parametrów komponentów od częstotliwości, rezystancja wejściowa jest dynamiczna i wymaga analizy niesygnalizowanej. Praktycznym podejściem do problemu jest zachowanie impedancji wejściowej filtra (Zfilter) na poziomie znacznie niższym niż wejściowa impedancja samej przetwornicy (Zin).
Zfilter << Zin
Generalnie możemy założyć, że cewka użyta w omawianym filtrze nie powinna być źródłem zakłóceń promieniowanych, stąd możliwość użycia nieekranowanej rodziny WE-PD2.
Dobierając kondensator trzeba się upewnić, że maksymalne napięcie pracy kondensatora przewyższa co najmniej o 25% napięcie wejściowe. Wynika to z faktu, że należy przewymiarować wartość pojemności, która spada wraz ze wzrostem napięcia, co powoduje pogoroszenie efektywności działania naszego filtra. By zapewnić wysoką częstotliwość rezonansu własnego możemy użyć stosunkowo niskiej wartości indukcyjności. Powinniśmy też dążyć do stosunkowo wysokiej wartości ESR (zastępczej rezystancji szeregowej), gdyż wysokie ESR redukuje nam tutaj wartość dobroci (Q) filtra i przez to obniża przeregulowanie rezonansu filtra dolnoprzepustowego. Wybór stosunkowo dużej pojemności oraz niskiej indukcyjności jest zalecany, ponieważ wzrost indukcyjności obniża częstotliwość rezonansu własnego. Najlepszym wyborem wydaje się więc kondensator elektrolityczny. By uniknąć niedopasowania impedancji ważne jest, by poprawnie zaprojektować wzajemne położenie elementów filtra. Z racji umiejscowienia kondensatora wejściowego, impedancja wejściowa przetwornicy jest niższa niż impedancja źródła zasilania, tak więc cewka filtra powinna być ulokowana pomiędzy źródłem zasilania oraz wejściem przetwornicy. Kondensator filtra podłączamy za cewką oraz równolegle do źródła zasilania. Zadaniem cewki jest tu przeciwdziałanie prądom tętnień, natomiast kondensator odprowadza napięcia zakłóceń do masy (rys.4).
Rysunek 4 pokazuje rezultaty uzyskane z zastosowaniem filtra wejściowego. Cewka wejściowa z rodziny WE-PD2 oraz kondensator dają świetny rezultat, nawet mimo że zastosowana wartość induktancji to 1µH, a pojemności 10µF. Główna częstotliwość została stłumiona o 30dB, natomiast harmoniczne zginęły w szumie tła. Filtr wejściowy jest więc nieodzowny i trzeba przewidzieć jego wykorzystanie już na etapie projektowania. Dobrze zaprojektowany filtr LC z poprawnie dobranymi elementami pasywnymi zapewnia wymagane tłumienie zakłóceń, pozwalając przy tym zachować stabilność układu przetwornicy. Artykuł został opublikowany dzięki uprzejmości firmy Würth Elektronik. © WürthRys. 4
