Що означає поняття “гарячий” контур в електроніці?

Імпульсні стабілізатори напруги є джерелами електромагнітних перешкод в електронній апаратурі. Перешкоди утворюються при комутації струмів у контурах таких стабілізаторів. Топологія таких контурів і рекомендації щодо мінімізації їх площі розглянуті в цій статті.

Ф. Достал

Поняття «гарячого» контуру

Термін «гарячий» контур використовують для аналізу електромагнітної сумісності (ЕМС) імпульсних стабілізаторів напруги та інших комутованих пристроїв електронної апаратури. Це дозволяє оптимізувати розведення друкованої плати, на якій встановлені такі стабілізатори, і зменшити рівень генерованих ними перешкод. Пояснимо більш детально, що із себе представляє «гарячий» контур або «гаряча» петля в таких пристроях. Комутовані струми формують електромагнітне поле, що є джерелом випромінюваних перешкод. Одночасно перешкоди через паразитну ємність проникають у ланцюги живлення електронної апаратури. На рис. 1 показана звичайна топологія розведення друкованої плати понижувального перетворювача на основі імпульсного стабілізатора напруги. Контур постійного струму показаний синім кольором. Контур з комутованими струмами – червоним кольором.

Як слідує з рис.1, червоний або «гарячий» контур ніколи не буває замкнений, т.к. обидва ключі завжди знаходяться в різних станах.

На рис. 2 стрілками показані напрямки контурних струмів. Крім того, на цьому рисунку вказані часові інтервали, в які ці струми протікають у контурах. З таблиці видно, як розподілені часові інтервали наявності/відсутності струмів у ланцюзі «гарячого» контуру.

Таблиця. Режими ввімкнення/вимкнення ключів в імпульсному стабілізаторі напруги

Під час першого циклу понижувального перетворювача ключ на стороні високої напруги замкнений, а ключ на стороні низької напруги розімкнений. У другому циклі ключ на стороні низької напруги перетворювача замкнений, а на стороні високої напруги – розімкнений.

З рис. 2 слідує, що «гарячий» контур представляє собою якийсь віртуальний контур, що складається в дійсності з двох реальних контурів.

Реальні токові контури

На рис. 3 показані реальні токові контури схеми імпульсного стабілізатора напруги. Один контур позначений синім кольором, а інший контур – зеленим. Між двома токовими контурами відбувається перемикання, однак в окремих ланцюгах цих контурів струми протікають в одному і тому ж напрямку в кожному циклі, накладаючись один на одного і таким чином формуючи в них безперервний струм. У цьому випадку дані ланцюги імпульсного стабілізатора не генерують електромагнітні перешкоди.

Мінімізація площі «гарячого» контуру

Залежно від топології розведення друкованої плати площа «гарячого» контуру може бути більшою або меншою. Щоб мінімізувати рівень випромінюваних електромагнітних перешкод, необхідно площу «гарячого» контуру при проєктуванні друкованої плати робити якомога вужчою і компактнішою. Нова технологія «тихих» імпульсних стабілізаторів (Silent Switcher®) компанії Analog Devices заснована на мінімізації площі «гарячого» контуру, у тому числі завдяки інтеграції розв’язувальних конденсаторів у корпус мікросхеми стабілізатора. Крім того, шляхом розділення гарячих контурів на два симетричні в імпульсному стабілізаторі формуються два електромагнітні поля протилежної полярності, що дозволяє взаємно компенсувати генеровані цими полями електромагнітні перешкоди. Прикладом такого стабілізатора є ІМС LT8609S сімейства Silent Switcher®.

Висновки

Застосування ефективних імпульсних стабілізаторів напруги часто обмежується високим рівнем генерованих ними електромагнітних перешкод, які виникають через наявність «гарячих» контурів при розведенні друкованої плати. У статті вказані основні напрямки зменшення рівня випромінюваних перешкод такими стабілізаторами. Більш детально ці напрямки розкриті в опублікованій у цьому ж номері журналу статті «Ефективні імпульсні стабілізатори з малим рівнем випромінюваних перешкод» того ж автора.