Статьи

ЭМС Ассстент

Правильное электропитание

           Задумывались ли вы когда-нибудь как питание влияет на качество Вашей жизни? А ведь в электронике питание является одним из ключевых показателей корректного функционирования устройства. Имея богатый опыт доработки устройств до соответствия стандартам ЭМС, можно с уверенностью сказать, что более 90% случаев превышения допустимых норм связаны именно с отсутствием достаточного внимания к схемам питания устройства. Обычно инженер настолько поглощён разработкой узлов, обеспечивающих нужное функционирование нового устройства, что на питание остаётся крайне мало времени и ему не уделяется должное внимание. 

            Зачастую единственный параметр, который интересует разработчика — это КПД. С другими вопросами, особенно если это касается электромагнитной совместимости, приходится столкнуться тогда, когда это приводит к проблемам. И хорошо, если их удаётся определить разработчику у себя на столе с помощью измерительных приборов, но гораздо хуже, когда это приводит к затратам на дорогостоящие испытания в Сертифицирующей лаборатории, где нет возможности принять быстрые меры по устранению нежелательного шума либо доработать устройство в короткие сроки. Безусловно, для инженера, который ещё не сталкивался с вопросами сертификации, на этапе разработки фильтр может показаться чем-то бесполезным, потребляющим лишние Ватты мощности и уменьшающим КПД. Но с точки зрения ЭМС — это компоненты, без которых не удастся сохранить допустимый уровень излучаемых по проводам или даже в эфир шумов. 

             Кроме того, довольно часто эти шумы приводят и к тому, что некоторые узлы устройства страдают от их воздействия и работают нестабильно. Можно возразить, что питание зачастую работает на очень низкой частоте и это никаким образом не должно сказываться на работе портов передачи данных либо контроллеров и датчиков. Это утверждение справедливо разве что для преобразователей, работающих на частотах ниже 40-50 кГц, которые уже меньше и меньше используются в современных устройствах. Такие низкие частоты требуют наличия индуктивностей и конденсаторов большого размера, а учитывая тенденции миниатюризации в электронике и борьбы за снижение стоимости, все чаще питание строится на частотах преобразования выше 300-500 кГц и уже довольно часто можно встретить решения, работающие на частотах от 2 до 5 МГц. Если рассмотреть типичные интерфейсы передачи данных, таких как RS485 или USB, их типовая частота лежит в диапазоне 200МГц-1ГГц. А типичные частоты работы контроллеров лежат в диапазоне 4-207 МГц. Казалось бы, так далеко от питания в 600 кГц либо 2МГц. Но стоит помнить, что любой сигнал является гармоническим и не затухает в один момент. Всегда есть фундаментальная, третья, пятая седьмая и так далее гармоники, которые в случае с частотой 600 кГц кажутся не столь значительными. А если мы рассматриваем все чаще встречающиеся 2 МГц в качестве частоты переключения? Гармоники высокого порядка могут достигать и 20 МГц выше, и здесь мы уже точно находимся на территории работы контроллеров и можем негативно влиять на качество работы устройства в целом.

            Для большей наглядности стоит рассмотреть реальный пример, что мы и сделали в этой статье. Ниже вы найдете измерения, произведённые с помощью простого осциллографа с функцией быстрого преобразования Фурье, который несмотря на свою небольшую стоимость позволяет сразу определить "проблемные частоты", с которыми придется столкнуться в лаборатории. А в качестве подопытного образца была использована отладочная плата понижающего DC-DC преобразователя с частотой переключения 500 кГц одного популярного производителя контроллеров питания. Как известно, в отладочных платах редко реализуются фильтрующие узлы, так как данные платы не сертифицируются и призваны продемонстрировать работу самой микросхемы. И разработчики подобных устройств ограничиваются только размещением компонентов, необходимых для базового функционирования устройства. К сожалению все чаще мы сталкиваемся с тем, что инженеры, разрабатывающие реальные устройства тоже используют схемы и компоненты, указанные лишь в опорных дизайнах (reference designs), в надежде, что это обеспечит правильное функционирование устройства и при этом будет затрачено минимум времени на разработку. А если рассматривать отладочные платы с точки зрения шумов (не все, есть ряд дизайнов, где фильтрация была предусмотрена), то это идеальный пример того, как делать не стоит.

             Для того, чтобы оценить будут ли при сертификации обнаружены превышения или нет, достаточно сделать всего 2 измерения на осциллографе: измерить сигнал и сделать его БПФ.  Ниже представлены снимки  с экрана осциллографа. На первом рисунке представлен довольно хороший меандр, но при этом на фронтах наблюдаются звоны.  

Сигнал на микросхеме управления понижающего DC-DC преобразователя с частотой переключения 500 кГц

            Как известно, 2 основных испытания  при сертификации на эмиссию это кондуктивная помеха(сетевые зажимы), которая лежит в диапазоне частот 150кГц-30МГц и помеха излучаемая в эфир.  В первом случае, как и было сказано ранее, причиной превышений допустимых уровней шума станут именно гармонические составляющие полезного сигнала, хорошо видные на рис.2. Они находятся в полосе низких частот, близких к частоте переключения.

Рис.2. БПФ сигнала на микросхеме управления понижающего DC-DC преобразователя с частотой переключения 500 кГц

         Но не стоит забывать, что кроме фундаментальной частоты, у нас есть переходные процессы в полупроводниковых компонентах, которые в момент замыкания формируют довольно высокочастотные импульсы, так называемый «звон» на языке инженеров-разработчиков (представлен на первом рисунке). 

          Несмотря на то, что частота преобразования контроллера питания всего 500 кГц, мы наблюдаем пики шума на довольно высоких частотах, в данном случае 100-120 МГц. Частоты этого шума не только, лежат в одном диапазоне с частотами полезных сигналов - от интерфейсов передачи данных, но ещё и попадают в частотный диапазон помех по эфиру, который нормируется от 30 МГц до 1 либо 6ГГц. И к чему это приводит? Зачастую шум сильно превышает допустимый и может негативно сказываться на работе других чувствительных узлов устройства.

Рис.3. БПФ сигнала на микросхеме управления понижающего DC-DC преобразователя с частотой переключения 500 кГц

              Поэтому очень важно задумываться о вопросах правильного питания на самых ранних этапах разработки. А если Вы уже столкнулись с тем, что устройство завершено, а сертификация не пройдена, мы разработали широкое портфолио фильтров как для цепей питания, так и для сигнальных цепей. Практически для любых помех, начиная от простых LC цепочек  и синфазных фильтров для низкого напряжения, заканчивая фильтрами 2го порядка для сети переменного тока и даже для трёхфазной сети разработаны модульные решения. Компактный размер и разнообразие параметров позволяют подобрать решение практически для любой задачи как для быстрых действий в измерительной лаборатории, с последующим переносом компонентов непосредственно на платы устройства, так и для серийного использования.

Фильтры доступны для приобретения. Опишите нам свою проблему, и мы подберем наиболее подходящий для вашего случая вариант! 

Ethernt 100/1000 Base-T
Сетевой фильтр 2го порядка
Дифференциальный фильтр 300 кГц
UCB-C
RS-485
UCB-C
Cookie-файлы
Настройка cookie-файлов
Детальная информация о целях обработки данных и поставщиках, которые мы используем на наших сайтах
Аналитические Cookie-файлы Отключить все
Технические Cookie-файлы
Другие Cookie-файлы
Мы используем файлы Cookie для улучшения работы, персонализации и повышения удобства пользования нашим сайтом. Продолжая посещать сайт, вы соглашаетесь на использование нами файлов Cookie. Подробнее о нашей политике в отношении Cookie.
Подробнее Понятно
Cookies