Импульсные преобразователи мощности постоянного тока по самой своей природе являются генераторами шума. При основной частоте переключения преобразователя мощности и ее гармониках более высокого порядка присутствуют два вида шума: кондуктивный и излучаемый.
В общем случае преобразователи мощности, использующие широтно-импульсную модуляцию, обладают постоянной частотой переключения, создающей шумы в предсказуемой полосе частот, которая может способствовать затуханию. Резонансные или нулевые импульсные преобразователи создают меньше собственных шумов, но их меняющиеся в зависимости от нагрузки частоты переключения обычно создают шум в широком диапазоне ухода частоты, что затрудняет управление ими. Для любого вида преобразователей важно контролировать или измерять две самые существенные разновидности шума — излучаемый и кондуктивный.
ИЗЛУЧАЕМЫЙ ШУМ
Существуют три основных источника излучаемого шума. Основной причиной является большой перепад тока (di/dt) на выводах цепи во время переключения, порождающий магнитное излучение. Также быстрые изменения напряжения (dv/dt) могут стать причиной возникновения электрических полей, но обычно они не вызывают проблем с шумом, так как с расстоянием быстро уменьшаются. Другие явления становятся результатом составляющей 50-70 МГц синфазного шума главного переключателя.
КОНДУКТИВНЫЙ ШУМ
Спектральный кондуктивный шум имеет две основных составляющих: дифференциальную и синфазную.
Дифференциальная составляющая - это сигнал, который возникает между выходом Vo и его возвратной линией Go, как показано на рис. 1. В модулях преобразователей компании GAIA Converter дифференциальная составляющая шума, как правило, не превышает 150 мВ/имп.
Синфазный шум возникает между каждым из выходных контактов Vo или Go и коррелятором электромагнитной помехи. Возможны два варианта:
• Коррелятором электромагнитной помехи может быть заземление измерительного оборудования, если корпус преобразователя не заземлен (рис. 2).
• Коррелятором электромагнитной помехи может быть корпус самого преобразователя, если он заземлен (рис. 3).
Причиной кондуктивного шума являются синфазные токи, пропускаемые через паразитные емкости (Cpt), как правило, составляющие менее одной пикофарады. Эти паразитные емкости, которые, в основном, зависят от диэлектрической постоянной подложки, пропорциональны площади и обратно пропорциональны толщине подложки.
Синфазный шум может достигать величины в несколько вольт. Он может коррелировать с дифференциальным, в результате чего получится, что синфазный шум станет похож на дифференциальный и может стать причиной ложных показаний при измерении дифференциального шума. Поэтому перед проведением измерений дифференциального шума следует уменьшить величину спектра синфазного шума. Самым лучшим способом подавления синфазного шума на выходе является шунтирование силовой цепи к паразитным емкостям корпуса.
ИЗМЕРЕНИЯ
Измерение излучаемого шума
Для измерения излучаемой составляющей шума, генерируемого DC/DC преобразователем, требуется специализированное и достаточно громоздкое оборудование, поэтому в данной статье этот вопрос рассматриваться не будет.
Измерение кондуктивного шума на выходе
Точные измерения напряжения кондуктивного шума на выходе трудновыполнимы даже в самых благоприятных условиях. В зависимости от используемой техники результаты могут существенно различаться. Для измерений обычно применяется осциллограф с шириной полосы в дифференциальном режиме 100 МГц или более. Следует отметить, что способность осциллографа отсекать сигналы синфазного шума не безгранична, и их отрицательное влияние может быть усугублено при использовании длинных проводов заземления прибора. Последние отрицательно воздействуют на способность осциллографов отсекать синфазные сигналы, потому что такие провода заземления обладают индуктивностью, отсутствующей в сигнальном проводе. Это различие сопротивлений приводит к захвату синфазных шумов и к взаимодействию с дифференциальными сигналами, что проявляется на осциллограмме.
Измерение дифференциального шума необходимо производить на выходах преобразователя, чтобы снизить вероятность улавливания излучаемого шума. Для этого длина проводов, в том числе заземления, должна быть как можно меньше.
Измерение синфазного шума
Чтобы измерить синфазный шум DC/DC преобразователя, нужно поместить зонд осциллографа в точку подключения провода заземления зонда, при этом провод заземления должен быть присоединен либо к возвратной линии выхода Go, либо к положительному выходу Vo (рис. 4). Если шум действительно является синфазным, то уровень этого «шума» все равно будет виден, даже если производить измерение в той же точке.
Измерение дифференциального шума
Перед тем как преступить к измерению дифференциального шума, необходимо максимально снизить помехи, наводимые остальными видами шума. Для этого есть два надежных способа. Первый способ заключавется в замыкании входа и выхода из Gi на возвратный провод Go для заземления через высокочастотную емкость (рис. 5а: CHF1 и CHF2). Второй способ - это подключение высокочастотных емкостей для шунтирования паразитных емкостей так, как показано на рис. 5б: CHF2 и CHF3 - от Gi до корпуса и от Go до корпуса.
Компания GAIA Converter рекомендует использовать высокочастотные емкости >10 нФ, а соединительные провода делать как можно короче. Для проведения измерения нужно поместить зонд осциллографа на Vo и провод заземления на Go, как показано на рис.6.
Все модули DC/DC преобразователей GAIA Converter включают в себя эффективный фильтр для снижения шума на выходе. Если специального внутреннего фильтра электромагнитных помех на выходе недостаточно для приведения уровня шумов к соответствию требованиям вашей системы, можно добавить внешний LC-модуль на выходе.
ФИЛЬТРОВАНИЕ ШУМОВ
Фильтрование синфазной составляющей кондуктивного шума
Для уменьшения влияния кондуктивного шума достаточно конденсаторов. Инженеры GAIA Converter рекомендуют использовать конденсаторы с низкими значениями эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и эквивалентной последовательной индуктивности (ESL) во всем диапазоне фильтруемых частот, чтобы сделать предсказуемой зависимость затухания от частоты. В соответствие с этим следует поставить конденсатор С1 (рис. 7) с входного и выходного заземлений преобразователя. Эти подключения зашунтируют ток синфазного шума прежде, чем он войдет (на входе) и выйдет (на выходе). Чем выше частота переключения, тем ближе к корпусу преобразователя нужно поставить конденсатор.
Фильтрование дифференциальной составляющей
Для уменьшения дифференциального шума на выходе необходимы емкости и индуктивности. Рекомендуемая GAÏA Converter схема для преобразователей постоянного тока показана на рис. 7. Такой фильтр понизит дифференциальный шум на выходе до уровня намного ниже самых строгих требований.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Построение системы питания с минимальным уровнем генерируемых помех является важной задачей для таких отвественных применений, как авионика и военно-морская техника. Все модули высоконадёжных DC/DC преобразователей GAIA Converter проходят проверку на соответствие уровня излучаемого и кондуктивного шумов требованиям стандарта MIL-STD-461C. Дополнительную информацию по этому вопросу вы можете получить у авторизованного дистрибьютора GAIA Converter в России - Компании КВЕСТ.
