eng
Выпуск #3/2021
Л. Цзян, Ф. Ван, К. Солуша, К. Мэтьюс
ПРАКТИЧЕСКИЙ МЕТОД ВЫДЕЛЕНИЯ СИНФАЗНЫХ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ШУМОВ ПРИ ИЗМЕРЕНИЯХ КОНДУКТИВНЫХ ПОМЕХ
ПРАКТИЧЕСКИЙ МЕТОД ВЫДЕЛЕНИЯ СИНФАЗНЫХ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ШУМОВ ПРИ ИЗМЕРЕНИЯХ КОНДУКТИВНЫХ ПОМЕХ
Просмотры: 1147
DOI: 10.22184/1992-4178.2021.204.3.136.139
Знание того, где появляются синфазные и дифференциальные шумы в спектре кондуктивного излучения, позволяет разработчикам источников питания эффективно применять методы подавления электромагнитных помех. В статье представлен практический метод выделения синфазных и дифференциальных помех для импульсного стабилизатора LTC7818 от Analog Devices.
Знание того, где появляются синфазные и дифференциальные шумы в спектре кондуктивного излучения, позволяет разработчикам источников питания эффективно применять методы подавления электромагнитных помех. В статье представлен практический метод выделения синфазных и дифференциальных помех для импульсного стабилизатора LTC7818 от Analog Devices.
Теги: common-mode noise conducted emissions differential-mode noise emi switching regulator дифференциальный шум импульсный стабилизатор кондуктивное излучение синфазный шум электромагнитные помехи
Практический метод выделения синфазных и дифференциальных шумов при измерениях кондуктивных помех
Л. Цзян , Ф. Ван , К. Солуша , К. Мэтьюс
Электромагнитные помехи от импульсных стабилизаторов подразделяются на излучаемые и кондуктивные. Последние также можно разделить на две категории: синфазный шум и дифференциальный шум. Почему нужно различать синфазные и дифференциальные помехи? Методы уменьшения электромагнитных помех, эффективные для синфазного шума, не всегда результативны для дифференциального шума, и наоборот, поэтому определение источника кондуктивного излучения может сэкономить время и деньги. Знание того, где появляются синфазные и дифференциальные шумы в спектре кондуктивного излучения, позволяет разработчикам источников питания эффективно применять методы подавления электромагнитных помех, что в конечном итоге позволит сократить сроки проектирования и стоимость комплектующих. В статье представлен практический метод выделения синфазных и дифференциальных помех в общем спектре кондуктивных помех для импульсного стабилизатора LTC7818 от Analog Devices.
На рис. 1 показаны пути прохождения синфазного и дифференциального шума для типичного понижающего преобразователя. Дифференциальный шум возникает между линией питания и обратной линией, в то время как синфазный шум создается между линиями питания и заземленной плоскостью (например, медной поверхностью испытательного стола) через паразитную емкость CSTRAY. Цепь стабилизации полного сопротивления линии (LISN) для измерения кондуктивного излучения включается между источником питания и понижающим преобразователем. Сама LISN не может напрямую использоваться для измерения синфазного и дифференциального шума, но она измеряет напряжение шума питающей и обратной линии – V1 и V2 соответственно (см. рис. 1). Эти напряжения измеряются на 50-Ом резисторах. Исходя из определения синфазного и дифференциального шума (см. рис. 1), V1 и V2 могут быть выражены в виде суммы и разности напряжения синфазного шума VCM и напряжения дифференциального шума VDM соответственно. Это дает возможность рассчитать VCM как среднюю величину напряжений V1 и V2, а VDM – как половину разности между V1 и V2.
Измерение синфазного и дифференциального шума
Сумматор мощностей T-типа – пассивное устройство, которое объединяет два входных сигнала в один выходной порт. Сумматор с разностью фаз сигналов 0° формирует векторную сумму входных сигналов на выходном порте, а сумматор с разностью фаз 180° – векторную разность входных сигналов. Следовательно, 0°-сумматор можно использовать для формирования VCM, а 180°-сумматор – для формирования VDM.
Для измерения VCM и VDM в диапазоне от 1 до 108 МГц были использованы сумматоры ZFSC‑2-1W+ (0°) и ZFSCJ‑2-1+ (180°) от компании Mini-Circuits (рис. 2). Для этих устройств погрешность измерения увеличивается для частот ниже 1 МГц. Для измерений на более низких частотах следует использовать другие сумматоры, например, такие как ZMSC‑2-1+ (0°) и ZMSCJ‑2-2 (180°).
Схема измерительной установки показана на рис. 3. К стандартной тестовой установке для измерения кондуктивного излучения добавлен сумматор мощности. Выходы LISN для линии питания и обратной линии подключаются к входным портам 1 и 2 сумматора соответственно. Для 0°-сумматора выходное напряжение VS_CM = V1 + V2; для 180°-сумматора выходное напряжение VS_DM = V1 – V2.
Выходные сигналы сумматоров VS_CM и VS_DM должны быть обработаны в измерительном приемнике для того, чтобы сформировать значения напряжений VCM и VDM. Следует отметить, что, во‑первых, для сумматоров мощности специфицированы вносимые потери, компенсируемые в приемнике. Во-вторых, поскольку VCM = 0,5 VS_CM и VDM = 0,5 VS_DM, измерительный приемник вычитает дополнительные 6 дБ · мкВ из принятого сигнала. После компенсации этих двух показателей измеренные значения синфазного и дифференциального шумов считываются измерительным приемником.
Экспериментальная проверка результатов измерений синфазного и дифференциального шумов
Для проверки рассматриваемого метода использовалась стандартная демонстрационная плата, оснащенная двумя понижающими преобразователями. Частота переключения составляла 2,2 МГц, при этом VIN = 12 В, VOUT1 = 3,3 В, IOUT1 = 10 A, VOUT2 = 5 В и IOUT2 = 10 A. На рис. 4 показан измерительный стенд, установленный в камере для испытаний на электромагнитные помехи.
На рис. 5 и 6 приведены результаты измерений. Верхняя кривая на рис. 5 отражает общие кондуктивные помехи, измеренные методом напряжений с помощью стандартной установки CISPR 25, а нижняя кривая – выделенный синфазный шум, измеренный с помощью дополнительного сумматора на 0°. На рис. 6 верхняя кривая отражает общие кондуктивные помехи, а нижняя – выделенный дифференциальный шум, измеренный с помощью добавления сумматора на 180°. Эти результаты соответствуют теоретическому анализу, предполагающему, что дифференциальный шум преобладает в диапазоне более низких частот, а синфазный шум – в более высокочастотном диапазоне.
Доработка демонстрационной платы для соответствия стандарту CISPR 25 (класс 5)
Согласно результатам измерений общий уровень излучаемых помех превышает предельные значения, указанные в CISPR 25 (класс 5) в диапазоне частот от 30 до 108 МГц. За счет разделения измерений синфазного и дифференциального шумов выявлено, что высокий уровень кондуктивных помех в этом диапазоне определяется синфазным шумом. Нет смысла применять или улучшать характеристики фильтра дифференциальных шумов или иным образом уменьшать входные пульсации, поскольку эти методы не снизили бы синфазный шум в этом диапазоне частот.
По этой причине на данной демонстрационной плате были реализованы меры, специально предназначенные для подавления синфазного шума. Одним из источников синфазных шумов в импульсной схеме являются высокие значения dV / dt. Уменьшение dV / dt за счет увеличения сопротивления затвора может снизить уровень шума. Как упоминалось ранее, синфазный шум поступает в LISN через паразитную емкость CSTRAY. Чем меньше CSTRAY, тем ниже уровень синфазного шума, детектируемый в LISN. Чтобы уменьшить CSTRAY на данной плате была сокращена площадь медной шины в области коммутационного узла.
Кроме того, на входе преобразователя был добавлен фильтр синфазных помех для достижения высокого сопротивления синфазного шума, тем самым снизив синфазный шум, поступающий в LISN. Благодаря применению этих методов шум на частотах от 30 до 108 МГц был снижен до значений, отвечающих требованиям стандарта CISPR 25 (класс 5), как показано на рис. 7.
Заключение
В статье представлен практический метод измерения и выделения синфазного и дифференциального шумов из спектра общих кондуктивных помех, который был подтвержден результатами испытаний. Если разработчик отделит синфазный и дифференциальный шум, то можно реализовать эффективные решения для подавления помех. В целом, этот метод помогает быстро найти основную причину высоких электромагнитных помех, что экономит время на проектирование.
По вопросам поставки продукции Analog Devices обращайтесь в компанию ЭЛТЕХ по электронной почте analog@eltech.spb.ru.
ЛИТЕРАТУРА
AN‑10-006: Understanding Power Splitters. – Mini-Circuits. April 2015.
Л. Цзян , Ф. Ван , К. Солуша , К. Мэтьюс
Электромагнитные помехи от импульсных стабилизаторов подразделяются на излучаемые и кондуктивные. Последние также можно разделить на две категории: синфазный шум и дифференциальный шум. Почему нужно различать синфазные и дифференциальные помехи? Методы уменьшения электромагнитных помех, эффективные для синфазного шума, не всегда результативны для дифференциального шума, и наоборот, поэтому определение источника кондуктивного излучения может сэкономить время и деньги. Знание того, где появляются синфазные и дифференциальные шумы в спектре кондуктивного излучения, позволяет разработчикам источников питания эффективно применять методы подавления электромагнитных помех, что в конечном итоге позволит сократить сроки проектирования и стоимость комплектующих. В статье представлен практический метод выделения синфазных и дифференциальных помех в общем спектре кондуктивных помех для импульсного стабилизатора LTC7818 от Analog Devices.
На рис. 1 показаны пути прохождения синфазного и дифференциального шума для типичного понижающего преобразователя. Дифференциальный шум возникает между линией питания и обратной линией, в то время как синфазный шум создается между линиями питания и заземленной плоскостью (например, медной поверхностью испытательного стола) через паразитную емкость CSTRAY. Цепь стабилизации полного сопротивления линии (LISN) для измерения кондуктивного излучения включается между источником питания и понижающим преобразователем. Сама LISN не может напрямую использоваться для измерения синфазного и дифференциального шума, но она измеряет напряжение шума питающей и обратной линии – V1 и V2 соответственно (см. рис. 1). Эти напряжения измеряются на 50-Ом резисторах. Исходя из определения синфазного и дифференциального шума (см. рис. 1), V1 и V2 могут быть выражены в виде суммы и разности напряжения синфазного шума VCM и напряжения дифференциального шума VDM соответственно. Это дает возможность рассчитать VCM как среднюю величину напряжений V1 и V2, а VDM – как половину разности между V1 и V2.
Измерение синфазного и дифференциального шума
Сумматор мощностей T-типа – пассивное устройство, которое объединяет два входных сигнала в один выходной порт. Сумматор с разностью фаз сигналов 0° формирует векторную сумму входных сигналов на выходном порте, а сумматор с разностью фаз 180° – векторную разность входных сигналов. Следовательно, 0°-сумматор можно использовать для формирования VCM, а 180°-сумматор – для формирования VDM.
Для измерения VCM и VDM в диапазоне от 1 до 108 МГц были использованы сумматоры ZFSC‑2-1W+ (0°) и ZFSCJ‑2-1+ (180°) от компании Mini-Circuits (рис. 2). Для этих устройств погрешность измерения увеличивается для частот ниже 1 МГц. Для измерений на более низких частотах следует использовать другие сумматоры, например, такие как ZMSC‑2-1+ (0°) и ZMSCJ‑2-2 (180°).
Схема измерительной установки показана на рис. 3. К стандартной тестовой установке для измерения кондуктивного излучения добавлен сумматор мощности. Выходы LISN для линии питания и обратной линии подключаются к входным портам 1 и 2 сумматора соответственно. Для 0°-сумматора выходное напряжение VS_CM = V1 + V2; для 180°-сумматора выходное напряжение VS_DM = V1 – V2.
Выходные сигналы сумматоров VS_CM и VS_DM должны быть обработаны в измерительном приемнике для того, чтобы сформировать значения напряжений VCM и VDM. Следует отметить, что, во‑первых, для сумматоров мощности специфицированы вносимые потери, компенсируемые в приемнике. Во-вторых, поскольку VCM = 0,5 VS_CM и VDM = 0,5 VS_DM, измерительный приемник вычитает дополнительные 6 дБ · мкВ из принятого сигнала. После компенсации этих двух показателей измеренные значения синфазного и дифференциального шумов считываются измерительным приемником.
Экспериментальная проверка результатов измерений синфазного и дифференциального шумов
Для проверки рассматриваемого метода использовалась стандартная демонстрационная плата, оснащенная двумя понижающими преобразователями. Частота переключения составляла 2,2 МГц, при этом VIN = 12 В, VOUT1 = 3,3 В, IOUT1 = 10 A, VOUT2 = 5 В и IOUT2 = 10 A. На рис. 4 показан измерительный стенд, установленный в камере для испытаний на электромагнитные помехи.
На рис. 5 и 6 приведены результаты измерений. Верхняя кривая на рис. 5 отражает общие кондуктивные помехи, измеренные методом напряжений с помощью стандартной установки CISPR 25, а нижняя кривая – выделенный синфазный шум, измеренный с помощью дополнительного сумматора на 0°. На рис. 6 верхняя кривая отражает общие кондуктивные помехи, а нижняя – выделенный дифференциальный шум, измеренный с помощью добавления сумматора на 180°. Эти результаты соответствуют теоретическому анализу, предполагающему, что дифференциальный шум преобладает в диапазоне более низких частот, а синфазный шум – в более высокочастотном диапазоне.
Доработка демонстрационной платы для соответствия стандарту CISPR 25 (класс 5)
Согласно результатам измерений общий уровень излучаемых помех превышает предельные значения, указанные в CISPR 25 (класс 5) в диапазоне частот от 30 до 108 МГц. За счет разделения измерений синфазного и дифференциального шумов выявлено, что высокий уровень кондуктивных помех в этом диапазоне определяется синфазным шумом. Нет смысла применять или улучшать характеристики фильтра дифференциальных шумов или иным образом уменьшать входные пульсации, поскольку эти методы не снизили бы синфазный шум в этом диапазоне частот.
По этой причине на данной демонстрационной плате были реализованы меры, специально предназначенные для подавления синфазного шума. Одним из источников синфазных шумов в импульсной схеме являются высокие значения dV / dt. Уменьшение dV / dt за счет увеличения сопротивления затвора может снизить уровень шума. Как упоминалось ранее, синфазный шум поступает в LISN через паразитную емкость CSTRAY. Чем меньше CSTRAY, тем ниже уровень синфазного шума, детектируемый в LISN. Чтобы уменьшить CSTRAY на данной плате была сокращена площадь медной шины в области коммутационного узла.
Кроме того, на входе преобразователя был добавлен фильтр синфазных помех для достижения высокого сопротивления синфазного шума, тем самым снизив синфазный шум, поступающий в LISN. Благодаря применению этих методов шум на частотах от 30 до 108 МГц был снижен до значений, отвечающих требованиям стандарта CISPR 25 (класс 5), как показано на рис. 7.
Заключение
В статье представлен практический метод измерения и выделения синфазного и дифференциального шумов из спектра общих кондуктивных помех, который был подтвержден результатами испытаний. Если разработчик отделит синфазный и дифференциальный шум, то можно реализовать эффективные решения для подавления помех. В целом, этот метод помогает быстро найти основную причину высоких электромагнитных помех, что экономит время на проектирование.
По вопросам поставки продукции Analog Devices обращайтесь в компанию ЭЛТЕХ по электронной почте analog@eltech.spb.ru.
ЛИТЕРАТУРА
AN‑10-006: Understanding Power Splitters. – Mini-Circuits. April 2015.
Отзывы читателей
