Л. Цзян, специалист по применению, Analog Devices, Ф. Ван инженер по испытаниям, Analog Devices, К. Солуша директор по применению, Analog Devices, К. Мэтьюс старший менеджер по применению, Analog Devices
Практический метод выделения синфазных и дифференциальных шумов при измерениях кондуктивных помех
Статья опубликована в журнале Электроника НТБ № 3 2021
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.
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.
Рис. 1. Пути прохождения синфазного и дифференциального шума в понижающем преобразователе
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 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°).
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 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°).
Рис. 2. Сумматор на 0° (справа) и 180° (слева)
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 и 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.
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.
Рис. 3. Схема экспериментальной установки для измерения VCM (слева) и VDM (справа)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕНЕНИЙ СИНФАЗНОГО И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ШУМА
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.
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.
Рис. 4. Стенд для измерения синфазного и дифференциального шумов
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.
Рис. 5. Сравнение результатов измерения синфазного шума и общего шума
Рис. 6. Сравнение результатов измерения дифференциального шума и общего шума
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 Csrtay. 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.
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 Csrtay. 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.
Рис. 7. Спектр помех после доработки платы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В статье представлен практический метод измерения и выделения синфазного и дифференциального шума 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.
.
ЛИТЕРАТУРА
1. AN-10−006: Understanding Power Splitters. — Mini- Circuits. April 2015.
В статье представлен практический метод измерения и выделения синфазного и дифференциального шума 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.
.
ЛИТЕРАТУРА
1. AN-10−006: Understanding Power Splitters. — Mini- Circuits. April 2015.