ЗНИЖЕННЯ РІВНЯ ШУМІВ ІМПУЛЬСНИХ СТАБІЛІЗАТОРІВ НАПРУГИ

У процесі роботи імпульсних джерел живлення (Switch-Mode Power Supply – SMPS) генеруються шуми, що чинять несприятливий вплив на різноманітне електронне обладнання, для якого вони, власне, є перешкодами. Надалі під терміном перешкода мається на увазі будь-який сигнал або вплив електромагнітного походження, які можуть чинити несприятливий вплив на роботу пристрою . У переважній більшості випадків рівень перешкод повинен бути обмежений відповідно до рекомендацій відповідних міжнародних і регіональних стандартів, що регламентують допустимі рівні електромагнітних перешкод. Джерелом перешкод можуть бути різні пристрої. Одні з них (наприклад, імпульсні джерела живлення тощо) породжують перешкоди в порівняно вузькому діапазоні частот, інші (зварювальні апарати тощо) – у більш широкому. Перешкоди, які поширюються по провідних лініях, отримали назву кондуктивні перешкоди. Кондуктивний зв’язок виникає, коли канал між джерелом перешкод і приймальним пристроєм сформований внаслідок безпосереднього контакту, який може бути реалізований через лінію передачі, провід, кабель, провідник друкованої плати або металевий корпус . На противагу їм випромінювані перешкоди поширюються через електромагнітне поле.

Сучасні імпульсні DC/DC-перетворювачі забезпечують широкий діапазон вихідних напруг і струмів, що формуються зі стандартних вхідних напруг 3.3/5/9/12/24/48/64 В. При цьому їх ККД може перевищувати 96…98%, а вихідна напруга становить 0.8…2.5 В.

Імпульсні джерела генерують різні перешкоди. У процесі їх роботи відбувається комутація великих струмів протягом дуже коротких інтервалів часу. Оскільки принцип роботи імпульсних DC/DC-перетворювачів не можна змінити, існують способи, що дозволяють, по-перше, зменшити генеровані перешкоди (шуми), а, по-друге, відфільтрувати їх.

Основні види та джерела перешкод імпульсних DC/DC-перетворювачів

• перешкоди, пов’язані з комутацією перемикальних елементів на робочій (основній) частоті перетворювача;
• високочастотні перешкоди, викликані великою швидкістю наростання струму в перемикальних елементах, а також наявністю паразитних індуктивностей;
• перешкоди, обумовлені перехідними процесами в перемикальних елементах (дзвін);
• перешкоди на частоті биття і перешкоди у вхідних ланцюгах перетворювача.

В імпульсних DC/DC-перетворювачах частота слідування імпульсних перешкод кратна робочій частоті перетворювача, яка, як правило, становить сотні кілогерц або одиниці мегагерц. Перешкоди, пов’язані з перехідними процесами, накладаються на шуми, обумовлені робочою частотою перетворювача. При придушенні перешкод найбільшу проблему представляють перешкоди, пов’язані з високою швидкістю наростання струму, які, в свою чергу, викликають перехідні процеси в супутніх паразитних ланцюгах перетворювача. Такого роду перешкоди передаються як безпосередньо по провідних ланцюгах, так і через паразитні індуктивності та ємності. В ізольованих DC/DC-перетворювачах шуми проявляються меншою мірою, ніж у неізольованих. Найбільш актуально проблема генерованих перешкод проявляється при використанні джерел живлення типу POL, що пояснюється великими струмами споживання мікропроцесорних модулів (до кількох десятків ампер при напрузі живлення всього 0.9…1.5 В). Ще одне джерело перешкод пов’язане зі стрибкоподібною зміною струму навантаження, що, відповідно, викликає стрибкоподібну зміну вихідної напруги. Звичайно, система регулювання згладжує ці викиди, але наявність затримки в ланцюзі зворотного зв’язку призводить до того, що на виході джерела живлення можна спостерігати затухаючі імпульси. Мікропроцесори та інші високочастотні пристрої дуже чутливі до таких викидів вихідної напруги.

Фільтрація помех

Перешкоди, пов’язані з перемиканням елементів імпульсного перетворювача на основній частоті, переважають у сумарному спектрі вихідних шумів. Як правило, діапазон робочих частот неізольованих DC/DC-перетворювачів становить приблизно 0.5…3 МГц. Т.к. частота цього типу перешкод точно відома, їх можна ефективно відфільтрувати завдяки використанню LC-фільтрів або лінійних стабілізаторів напруги (рис. 2).

Для вибору типу імпульсного або лінійного стабілізатора, а також параметрів фільтра можна використовувати спеціальне програмне забезпечення, що надається провідними виробниками DC/DC-перетворювачів. Наприклад, на веб-сайті компанії Analog Devices у вільному доступі є утиліти: ADIsimPower Voltage Regulator Design Tool і ADIsimPE. Використання утиліти ADIsimPower дозволяє виконати розрахунок імпульсного DC/DC-перетворювача за заданими параметрами. У результаті розрахунку пропонується принципова схема з номінальними значеннями і типами використовуваних компонентів. Програма ADIsimPE використовується для моделювання електронних пристроїв. ADIsimPE створена на основі симуляторів SIMetrix і SIMPLIS. Для моделювання лінійних ланцюгів, таких як прецизійні джерела опорної напруги, операційні підсилювачі і лінійні регулятори напруги, використовується повноцінний SPICE-симулятор SIMetrix.

Додаток SIMPLIS (SIMulation for Piecewise Linear System) орієнтоване на швидке моделювання джерел живлення і імпульсних стабілізаторів, а також дослідження ключових схем перетворювачів напруги.

Високочастотні помехи

Високочастотні перешкоди, обумовлені комутаційними процесами, викликають найбільші проблеми. Величина цих перешкод визначається паразитними індуктивностями, а також тривалістю фронту перемикання і величиною комутованого струму. З’єднувальні провідники, контактні майданчики для пайки на друкованій платі, виводи мікросхем, перемички, з’єднувальні провідники та інші компоненти, розташовані на друкованій платі, можна розглядати як паразитні індуктивності.

У загальному випадку можна вважати, що провідник на друкованій платі довжиною один дюйм має паразитну індуктивність приблизно 20 нГн. Для сучасних DC/DC-перетворювачів час наростання фронту струму приблизно 30 нс (рис. 3). У цьому випадку при комутації струму величиною 5 А і довжині провідника всього один дюйм напруга перешкоди дорівнює 3.3 В (V = Ldi/dt.).

Із наведеної формули випливає, що ключем до зменшення цього роду завад є мінімізація паразитної індуктивності. Величина струму не може бути зменшена, оскільки для роботи конкретного кінцевого навантаження потрібен цілком визначений струм. Збільшення часу наростання струму також малоефективне, оскільки це призведе до збільшення втрат під час комутації ключових транзисторів і, відповідно, до зниження ККД. Водночас при зменшенні часу наростання з’являється можливість збільшити частоту перемикання (перетворення) і тим самим зменшити габаритні розміри котушок індуктивності та конденсаторів.

У сучасних DC/DC-перетворювачах зазвичай використовуються або вже традиційні швидкодіючі КМОП-транзистори, або карбідокремнієві (SiC MOSFET) та нітрид-галієві (GaN MOSFET) польові транзистори. Їхня відмінна особливість – висока швидкодія (час наростання струму становить лише кілька наносекунд) і великі значення допустимих вихідних струмів, що гарантує високий ККД (понад 98%). Транзистори на основі нітриду галію поступово витісняють із ринку традиційні силові MOSFET-транзистори. Їхній менший порівняно з MOSFET-транзисторами опір (RDS(on)) у режимі насичення дозволяє підвищити потужність і ККД DC/DC-перетворювачів, а менший заряд затвора – збільшити частоту перемикання. ККД перетворювачів, створених із використанням eGaN-транзисторів, може досягати 98–99%, при цьому транзистори можуть працювати за температури до 150 °С. Крім того, мініатюрні розміри гарантують їх застосування у різноманітних портативних пристроях. Параметри деяких eGaN-транзисторів компанії EPC наведено в табл. 1, 2.

Ще не так давно у застарілих моделях DC/DC-перетворювачів використовувалися біполярні транзистори, які характеризувалися часом наростання близько 100 нс і порівняно невеликим вихідним струмом. З огляду на тенденції розвитку POL-перетворювачів, які полягають у подальшому збільшенні вихідного струму та зменшенні напруги, єдиний спосіб зниження такого роду завад – мінімізація паразитних індуктивностей.

На рис. 4 показано шляхи проходження струму в імпульсному понижувальному (buck) стабілізаторі напруги під час комутації ключових транзисторів.

Таким чином, протягом одного такту роботи (а це може бути лише десятки або сотні наносекунд) струм через транзистори змінюється за складним законом, описати який для конкретного випадку досить непросто. Існують області монтажної або друкованої плати перетворювача, в яких довжина друкованих провідників повинна прагнути до нуля.

Особливості трасування друкованої плати

Це єдиний спосіб знизити паразитну індуктивність (L) і, відповідно, рівень завад. Крім того, вхідний конденсатор необхідно встановлювати якомога ближче до силового ключового транзистора та загального провідника керувального ШІМ-контролера.

На рис. 5 наведено варіант рекомендованого шляху зворотного струму у разі його протікання провідником із нульовим потенціалом (по суті, шиною заземлення). Із рисунка випливає, що необхідно локалізувати шлях зворотного струму і, за можливості, запобігати його поширенню спільними з іншими пристроями колами заземлювальної поверхні. Оскільки при великих вихідних струмах перетворювача падіння напруги на локальних ділянках провідної поверхні може надмірно зростати. Крім того, на шляху ймовірного поширення імпульсного зворотного струму на друкованій платі не слід розміщувати перехідні отвори, що використовуються для міжшарового з’єднання шин заземлення, оскільки вони є додатковими джерелами паразитної індуктивності. Такі міжшарові з’єднувальні отвори рекомендується розміщувати в одному місці, як показано на рис. 5. Нехтування цими рекомендаціями може призвести до істотного збільшення рівня завад.

Генеровані імпульсним перетворювачем високочастотні завади розташовуються в діапазоні частот 10…300 МГц, що, як правило, значно вище, ніж робоча частота перемикання ключових транзисторів регулятора.

Феритові фільтри для придушення високочастотних завад

Стандартний LC-фільтр, який зазвичай використовується для зменшення рівня пульсацій вихідної напруги та ослаблення завад на виході джерела живлення, може виявитися непридатним, оскільки стандартні LC-фільтри на цих частотах практично марні. Для придушення високочастотних завад використовуються так звані феритові фільтри. Феритове кільце (бусина) багаторазово збільшує індуктивність ділянки провідника, що проходить крізь нього, що дозволяє ефективніше придушувати високочастотні завади.

Перехідні процеси та демпфери

Завади у вигляді затухаючих коливань (так званий дзвін), що виникають у комутованих колах, наведені на рис. 6. Основна причина дзвону – нелінійні перехідні процеси, зумовлені наявністю паразитних ємностей та індуктивностей. Для боротьби з дзвоном застосовуються пасивні демпфери.

Таблиця 1. Параметри деяких eGaN-транзисторів

Таблиця 2. Параметри eGaN-транзисторів (збірки EPC2107/08)

Знизити амплітуду імпульсів перенапруги (які також можуть бути причиною пробою транзисторів) можна за рахунок оптимізації керування ключовими транзисторами, наприклад, реалізувавши їх плавне вимкнення. Інші способи – це зменшення швидкості наростання напруги dV/dt, що досягається застосуванням снабберів, або просте обмеження амплітуди, для чого застосовуються варистори або напівпровідникові компоненти. Снаббери являють собою у найпростішому випадку конденсатор або звичайний RC-ланцюг, а також інші варіанти електронних пасивних кіл (наприклад, резистор–конденсатор–діод), що дозволяють зменшити викиди напруги. Принцип дії снаббера полягає у зниженні швидкості наростання напруги (dV/dt) і тим самим зменшенні амплітуди викиду напруги.

У пасивних демпферах поглинена енергія затухаючих коливань розсіюється у вигляді тепла в резистивному навантаженні, що знижує ефективність перетворювачів. У низці випадків у простих неізольованих DC/DC-перетворювачах невеликої потужності пасивні демпфери не використовуються. У потужних перетворювачах рекомендується використовувати демпферні кола, що забезпечують рекуперацію енергії назад у джерело живлення перетворювача. В ізольованих DC/DC-перетворювачах із трансформаторною розв’язкою для зниження цього виду завад пасивні демпфери часто встановлюються як у первинному, так і у вторинному колі трансформатора.

У малопотужних DC/DC-перетворювачах постійного струму найчастіше застосовується т. зв. режим розривних струмів (Discontinuous Current Mode – DCM). У цьому режимі в кожному такті струм через котушку індуктивності знижується до нуля. Переваги таких перетворювачів – порівняно проста структура та невелика вартість. Недоліки полягають у тому, що при збільшенні вихідної потужності зростає струм, що комутується, і, відповідно, рівень перешкод і, крім того, знижується ККД.

На рис. 7 наведено зразковий вид коливального процесу на виході ключового транзистора в асинхронних знижувальних перетворювачах, що працюють в режимі розривних струмів. У схемі як розрядний діод використовується діод Шотки.

Перехідний процес можна чітко спостерігати на часовому інтервалі, коли струм через індуктивність дорівнює нулю, а транзистор перебуває у вимкненому стані. Коливальний контур утворений у цьому випадку паразитними ємностями (провідників друкованої плати, транзисторного ключа тощо) та індуктивністю котушки. Щоб знизити амплітуду викидів, слід зменшити добротність коливальної системи. Наприклад, збільшити втрати в котушці індуктивності, намотавши її тоншим дротом або встановивши послідовно (паралельно) з котушкою резистор. У загальному випадку для мінімізації рівня перешкод в імпульсному перетворювачі не рекомендується використовувати режим розривних струмів. За однакової вихідної потужності в режимі DCM комутуються вищі імпульсні струми порівняно з режимом безперервного струму дроселя (Continuous Current Mode – CCM), що може стати причиною небажаних перешкод.

Перешкоди на частоті биття

У складних електронних системах із великою кількістю розподілених джерел живлення використовується кілька DC/DC-перетворювачів із різними вихідними напругами. Як правило, якщо вони не синхронізовані за частотою, внаслідок накладання шумів не виключена ймовірність появи низькочастотних перешкод із частотою биття. На рис. 8 наведено структуру незалежних понижувальних DC/DC-перетворювачів із різними вихідними напругами . Через багато причин і з дуже великою ймовірністю їхні робочі частоти відрізнятимуться, що може викликати появу низькочастотних перешкод, зумовлених накладанням процесів із близькими частотами. Причому це можуть бути перешкоди і в звуковому діапазоні частот, що викликають гул, який супроводжує роботу перетворювача. Фільтрувати перешкоди цього типу досить складно. Найефективніший метод боротьби з биттями – синхронізація всіх одночасно працюючих у системі живлення DC/DC-перетворювачів.

Як приклад можна рекомендувати мікросхему ADP5135 (Analog Devices), у якій об’єднані три понижувальні (BUCK1, BUCK2, BUCK3) DC/DC-перетворювачі з незалежними виходами та регульованою вихідною напругою (0,8…3,8 В).

У цій ІМС синхронізація за частотою та фазовий зсув сигналів запуску окремих перетворювачів здійснюються в автоматичному режимі. Мікросхеми виготовляються в корпусі типу 24-LFCSP розмірами 4×4 мм. Відхилення вихідної напруги не більше ±1,8%, частота перетворення 3 МГц (рис. 9) .

Вхідні кола як джерело перешкод

Часто розробники, стикаючись із проблемою перешкод, інтуїтивно починають боротися з ними на виході перетворювача, беручи до уваги насамперед те, що чутливе до перешкод навантаження підключається до виходу перетворювача. Однак насправді на виході імпульсного понижувального перетворювача рівень перешкод може бути меншим, ніж на його вході (рис. 10). Пояснюється це тим, що в цьому типі перетворювачів послідовно підключена до виходу котушка індуктивності відіграє роль фільтра. Струм через котушку індуктивності наростає лінійно на інтервалі вмикання і знижується на інтервалі вимикання комутованого транзистора. Максимальний струм, що протікає вхідними колами цього типу перетворювачів, спостерігається саме під час увімкнення ключа.

Протягом часу, коли транзистор вимкнений, струм у вхідному колі відсутній. Таким чином, вхідне коло понижувального DC/DC-перетворювача можна розглядати як джерело імпульсних перешкод, зумовлених імпульсним струмом. Наявність вхідного конденсатора допомагає певною мірою усереднити вхідний струм і згладити пульсації, але він не в змозі повністю відфільтрувати імпульсні перешкоди. Тому розробники повинні брати до уваги той факт, що дуже часто в системах із понижувальними імпульсними стабілізаторами ймовірне джерело перешкод – це вхідні кола. Тому довжина вхідних провідників повинна бути мінімальною і, крім того, слід оптимізувати трасування провідників, а фільтрувальний вхідний конденсатор слід розташовувати в безпосередній близькості до кола, що споживає струм.

Поряд із перевагами імпульсні пристрої обробки сигналів мають низку недоліків. Серед яких найсерйозніший – генерація електричних і акустичних перешкод під час перехідних процесів, викликаних комутацією великих струмів. У багатьох випадках до імпульсних джерел живлення висуваються досить жорсткі вимоги до шумів вихідної напруги (наприклад, у радіолокації). Використання лінійних стабілізаторів у мобільній апаратурі обмежується через їхню велику масу та габаритні розміри. Водночас при використанні імпульсних стабілізаторів застосування засобів боротьби з перешкодами (стабілізація, фільтрація, екранування тощо), своєю чергою, також погіршує масогабаритні показники виробів.

Технологія Spread Spectrum

Перспективний спосіб зниження перешкод – це використання технології розширення спектра (Spread Spectrum), що дозволяє знизити рівень гармонічних складових перешкод, генерованих DC/DC-перетворювачами. А це дозволяє розширити сферу їх застосування. Останнім часом провідні виробники активно просувають на ринок DC/DC-перетворювачі з використанням цієї технології.

Технологія не нова. Вона успішно використовується в техніці зв’язку, зокрема в системах військового, космічного та мобільного зв’язку. Відомо, що істотно підвищити завадостійкість і, відповідно, достовірність переданих повідомлень можна за рахунок введення надлишковості під час кодування даних, застосування складних видів модуляції переданого сигналу тощо. Для реалізації цього існує кілька методів, причому застосування будь-якого з них завжди призводить до розширення (розмивання) спектра переданого сигналу. При використанні цих способів вдається відновити повідомлення навіть за рівня зашумленості каналу зв’язку, вищого за корисний рівень сигналу. Розширення спектра переданого сигналу в системах зв’язку не самоціль, а плата за підвищення завадостійкості. Якщо основна частка енергії сигналу зосереджена у порівняно вузькій смузі частот, то створювані будь-якими джерелами перешкоди, що потрапляють у смугу частот сигналу, можуть повністю «маскувати» корисний сигнал, що зрештою призведе до повної втрати зв’язку. Один зі способів підвищення ефективності передавання інформації за допомогою модульованих сигналів через канал зі спотвореннями (перешкодами) – розширення спектра сигналу.

У вихідній напрузі імпульсних DC/DC-перетворювачів, крім корисної постійної складової, завжди присутні імпульси напруги з частотою, кратною частоті комутації ключових транзисторів. У разі застосування технології Spread Spectrum в імпульсних DC/DC-перетворювачах корисний ефект полягає саме у розмиванні спектра та зниженні рівня спектральних складових. Найпростіший метод реалізації технології Spread Spectrum в імпульсних перетворювачах полягає у частотній модуляції сигналу керування вихідними ключами.

У цьому випадку, як і за будь-якої модуляції, відбувається розосередження енергії гармонічних складових шумів у ширшій смузі частот, що, відповідно, знижує спектральну густину потужності в будь-якій точці спектра. Це, своєю чергою, дозволяє знизити рівень спектральних складових перешкод нижче допустимого рівня, рекомендованого у відповідних стандартах (FCC, EN 55022/CISPR22, EN 55025/CISPR25 та ін.).

Наприклад, у стандарті Міжнародного комітету з боротьби з радіоперешкодами CISPR25 (International Special Committee on Radio Interference) наведено рекомендовані рівні перешкод, що генеруються обладнанням автотранспортних засобів у діапазоні частот радіомовних станцій з амплітудною модуляцією. Умовне позначення діапазонів частот наведено нижче:

• довгі хвилі (LW) – 0,15…0,3 МГц
• середні хвилі (MW) – 0,53…1,8 МГц
• короткі хвилі (SW) – 5,9…6,2 МГц
• громадянський діапазон (CB) – 26…28 МГц.

Як приймачі, що підлягають захисту від перешкод, можна зазначити радіомовні приймачі (аудіо і телевізійні), наземні мобільні радіосистеми, радіотелефони, аматорські та громадянські радіосистеми, системи супутникової навігації тощо.

ІМС LT8391 – синхронний понижувально-підвищувальний LED-драйвер, що підтримує технологію Spread Spectrum. В ІМС LT8391 для розширення спектра використовується технологія SSFM (Spread Spectrum Frequency Modulation), що забезпечує розмивання спектра за рахунок частотної модуляції сигналу керування комутованими ключами пилкоподібною напругою. Девіація частоти сигналу керування становить ±15%. Напруга живлення 4…60 В, вихідна напруга до 60 В, ККД до 98%, діапазон робочих температур -40…150 °C (LT8391HUFD#PBF), нестабільність вихідного струму не більше ±3%, максимальна частота перемикання 650 кГц. Завдяки цим та іншим параметрам ця мікросхема орієнтована на застосування як драйвер світлодіодів в автотранспортних засобах.

Як приклад нижче наведено результати випробувань ІМС LT8391 (Analog Devices/Linear Technology) на відповідність рекомендаціям стандарту CISPR25. Середні та пікові рівні кондуктивних перешкод у діапазоні частот 150…2000 кГц наведено на рис. 11, у діапазоні частот 0,15…30 МГц – на рис. 12.

Як видно, використання технології SSFM дозволяє знизити середній і піковий рівні кондуктивних перешкод до значень, нижчих за рекомендовані у стандарті CISPR25 (клас 5). Причому ступінь придушення середнього рівня перешкод навіть більший, ніж пікового.

Додаткову інформацію про методи зниження перешкод імпульсних перетворювачів можна знайти у .

ЛІТЕРАТУРА

• Макаренко В.В., Пилинський В.В. Аналіз ефективності використання технології Spread Spectrum для зниження рівня кондуктивних перешкод DC/DC-перетворювачів. / Електротехнічні і комп’ютерні системи, випуск 24 (100), с. 98–104.
• By Frederik Dostal, Analog Devices. Switchedmode power supplies generate noise (www.analog.com).
• Point of load converters – The topologies, converters, and switching devices required for efficient conversion.
• ADP5135. Triple 1800 mA buck regulator with precision enables and power-good outputs (www.analog.com).
• Power Supply Noise Reduction (www.designersguide.org/Design/).
• An overview of conducted EMI specifications for power supplies.