Что такое подавление эмп
Фильтры подавления электромагнитных помех
Электромагнитные помехи (ЭМП, EMI) возникают при работе устройств генерации или преобразования электроэнергии:
• импульсных блоков питания;
• цепей нелинейных преобразователей мощности;
• генераторов
• мощных двигателей и т. п.
Для борьбы с помехами используются фильтры ЭМП. Электромагнитные помехи распространяются как по проводам (кондуктивные помехи), так и через окружающее пространство (излучаемые помехи). Кондуктивные помехи можно разделить на две составляющие: синфазные (common-mode) и дифференциальные (differential-mode). ЭМП негативно влияют на работу электронных устройств и могут вывести их из строя.
Сетевые фильтры широко применяются в системах автоматизации производства и в станках с ЧПУ. Фильтры представляют собой LC/RLC фильтры 1, 2 и 3 порядков. Обычно фильтры ЭМП устанавливаются у источников электромагнитных помех или перед приёмниками помех (рецепторами).
Такие фильтры рассчитаны на подавление помех, которые поступают по проводникам двух- и трёхфазной электросети на вход защищаемых устройств, то есть они принадлежат к «приёмной стороне». Фильтры подавления ЭМП пропускают напряжение сети частотой 50 или 60 Гц.
Конструктивно фильтры подавления ЭМП состоят из катушек индуктивности (дросселей) и конденсаторов, объединённых в мостовую конструкцию в металлическом или пластиковом корпусе.
Компания Purelogic R&D предлагает фильтры ЭМП для подавления синфазных и дифференциальных помех. Представлены модели с различным рабочим током и типом подключения, которые могут применяться в импульсных источниках питания и измерительном оборудовании.
Подавление электромагнитных помех электроприводов
Приводы с регулируемой скоростью (ПРС) хорошо подходят для экономии энергии и оптимизации автоматических систем, но они неизбежно создают высокочастотные электрические помехи. Основным источником электрических помех, также называемых электромагнитными помехами (ЭМП), являются быстро переключающиеся транзисторы, создающие большие скачки напряжения в блоке питания привода. ЭМП означают любую помеху нормальной работе оборудования (и приводов), вызванную как избыточной энергией, передающейся по кабелю (наведенная помеха), так и влиянием электромагнитных волн (помеха от паразитного электромагнитного излучения). Частоты наведенных помех лежат в диапазоне от 150 кГц до 30 МГц, а паразитное электромагнитное излучение имеет частоту от 30 МГц до 1 ГГц. Несмотря на то, что здесь, в основном, рассматриваются приводы переменного тока, это также касается и приводов постоянного тока. Радиочастотные помехи (РЧП) представляют собой аналогичное возмущение, которое влияет на средства связи; как правило, оно считается частью ЭМП. Хотя частоты ЭМП и РЧП лежат выше звукового диапазона, их влияние в средствах связи может вызывать слышимые искажения.
При разработке и установке ПРС следует сводить к минимуму ЭМП, чтобы предотвратить ухудшение работы или повреждение самого устройства, ограничить распространение помех на расположенное вблизи оборудование и другие устройства. Электромагнитная совместимость (ЭМС) представляет собой общую концепцию, нацеленную на уменьшение ЭМП, защиту электрического и электронного оборудования. Стандартное решение для систем силового привода (ССП), включая электрические приводы, моторы, оболочки и кабели, рекомендовано основным международным стандартом ЭМС по приводам IEC 61300-3.
Учет условий окружающей среды
В стандарте IEC 61300-3 предусмотрены два типа окружающих сред для размещения приводов. Для жилых районов (первый тип) установлены более строгие требования по ЭМС, чем для промышленных регионов (второй тип). Как отметил г-н Марк Кеньон (Mark Kenyon), менеджер по маркетингу низковольтных приводов компании ABB Automation Inc., для приводов, подключаемых к бытовой низковольтной сети (первый тип), необходимо использовать фильтры ЭМП. Он сказал: «Также рекомендуется использовать фильтры и в промышленности (второй тип), если поблизости расположено чувствительное к наводкам оборудование».
Фильтры ЭМП уменьшают наведенные помехи в точке подключения к линии,отводя их на землю. Фильтр ЭМП, использующий ферритовые сердечники (или кольца) и резистивно-емкостные цепи, является стандартным дополнительным оборудованием большинства новых приводов для первого типа среды, заявил г-н Кеньон. «Встроенные или внешние фильтры являются дополнительной принадлежностью некоторых приводов и для второго типа среды», — сказал он.
В компании Siemens Energy & Automation влияние ЭМП/РЧП внимательно рассматривается уже на этапе разработки приводов с регулируемой скоростью. Для того чтобы убедиться в том, что излучение электромагнитных помех в окружающую среду минимизировано, а окружающая среда не оказывает влияния на работу приводов, проводятся их испытания в специальной камере, — пояснил г-н Вольфганг Гилмер (Wolfgang Hilmer), менеджер по технологии приводов. В основном производятся испытания компонентов блока питания, где расположены быстро переключающиеся биполярные транзисторы с изолированным затвором, создающие ЭМП.
Хорошим способом защиты от ЭМП/ РЧП является фильтрация. Для приводов компании Siemens фильтр ЭМП является стандартным компонентом, обеспечивающим выполнение стандарта по ЭМС для их промышленного использования. Небольшие приводы, как правило, имеют встроенный фильтр ЭМП. «На мощных приводах фильтр часто является обособленным модулем. Он улавливает электрические помехи, выходящие на линию», — сказал г-н Гилмер.
Причины помех кроются в мелочах
Уменьшение мощности излучаемых электромагнитных помех является кропотливым трудом, связанным с мелочами, поскольку от радиоизлучений должны быть защищены самые разные части системы электрического привода. В первую очередь следует уделять внимание оболочкам, кабелям, проводам и монтажу системы. Меры, рекомендуемые компанией ABB, включают в себя следующие технические решения.
Влияние фильтрации на наведенную ЭМП для привода с регулируемой скоростью
Как доказано испытаниями, проведенными в компании Yaskawa Electric America, для привода мощностью 0,7 кВт, работающего на частоте 60 Гц (несущая частота равна 2 кГц), значительно уменьшить наведенную помеху может входной фильтр ЭМП. Граничные линии на графиках соответствуют стандарту EN 55011, класс B, для бытовых и больничных условий окружающей среды.
Компания Siemens установила, что заземление кожуха привода играет важную роль для регулирования уровня ЭМП, особенно для больших установок в защищенном кожухе. «Основной способ избавиться от электрических помех состоит в том, чтобы сделать заземление с низким сопротивлением, — сказал г-н Гилмер. — Кроме того, металлические крышки работают как экран, уменьшая уровень помех, а сварной каркас гарантирует низкое сопротивление». В приводе также должна быть линия заземления, подключенная к кожуху, которая служит путем отвода электрических помех на землю с низкой индуктивностью.
Другим способом улучшения ЭМС, рекомендованным Гилмером, является установка между дверцами и корпусом заземляющих скоб. Использование только лишь одного заземления недостаточно, потому что у него слишком большое сопротивление для электрических помех. «Мы используем скобы с оплеткой, чтобы заземлить дверцы на корпус. Именно поверхность большой площади может эффективно проводить высокочастотные помехи», — сказал он.
Все элементы системы ССП — привод, мотор и кабели — должны быть заземлены. «Остальные части системы столь же важны, как и сам привод», — добавил г-н Гилмер. «Это также относится и к монтажу привода, чтобы снизить ЭМП/РЧП», — пояснил он.
Соответствие стандартам
Приводы с регулируемой скоростью должны соответствовать стандартам по ЭМС, если они используются в Европе или в других регионах. В то же время не существует американских стандартов, которые бы непосредственно и полностью соответствовали требованиям по ЭМС приводов. Соответствующий международный стандарт IEC 61800-3 определяет четыре категории предельных уровней ЭМП, соответствующих мощности привода, применительно к жилой или промышленной среде. Он также определяет методы испытаний приводов с регулируемой скоростью сращения вала. Европейский стандарт EN 55011 задает аналогичные требования для промышленного, научного и медицинского радиочастотного оборудования.
Наиболее подходящим стандартом США является документ «Federal Communications Commission (FCC) rules and regulations» (Правила Федеральной комиссии по связи), часть 15. «Однако в нем отсутствует промышленное оборудование, например, приводы, кроме случая, когда они имеют недопустимый уровень помех, и только тогда производитель привода должен устранить проблему», — сказал г-н Кеньон из компании ABB. То, что приводы не включены в часть 15 Правил, объясняется отсутствием определенной процедуры их испытаний. «Трудно разработать тест, соответствующий характеристикам привода, поскольку в них отсутствует стандартный кабель питания двигателя определенной длины», — добавил г-н Кеньон.
Большинство производителей приводов включают фильтрацию ЭМП в качестве стандартной функции, чтобы удовлетворить возрастающие требования потребителей по созданию в глобальном масштабе однотипных продуктов и, чтобы обеспечить экспорт базовых модулей производителя. Компания ABB отмечает, что включение фильтра в комплект поставки создает финансовые трудности при продвижении различных продуктов в Северной Америке и других регионах.
Компания Siemens выступает с инициативой создания единой системы ЭМС для приводов с переменной скоростью, независимо от того, где они были построены. Это происходит не потому, что не соблюдаются Директивы США по ЭМС, — пояснил Гилмер. Такие особенности, как требования Национального электрического кода США — NEC, Элементы защиты оболочки привода от ЭМП либо различия типов предохранителей или выключателей (согласно требованиям Международной электротехнической комиссии (МЭК) — IEC по сравнению с требованиями Национальной ассоциации производителей электрооборудования от ЭМП США — NEMA, корректируются на местном уровне.
Компанией Danfoss Drives отмечено усиливающееся международное одобрение новых стандартов МЭК, например,IEC 61800-3 по ЭМС приводов. Кроме того, Йорн Лэндкилдехас (Jorn Landkildehus), менеджер по ЭМС, надежности функциональной безопасности компании Danfoss, упоминает новую европейскую директиву 2004/108/EC как еще один стандарт, проясняющий требования по ЭМС. Она требует следования документированной проверенной инженерной практике в областях ЭМС, таких как уменьшение эмиссии, взаимных наводок и излучения, повышение защищенности оборудования.
«Это соответствует нашим усилиям по повышению компетентности потребителей в вопросах влияния способа установки ЭМС приводов на их характеристики», — сказал г-н Лэндкилдехас. В компании Danfoss организованы семинары по обучению работников и клиентов правильной методике монтажа приводов переменного тока с выдачей соответствующих удостоверений.
Оптимизация размера фильтра
Компания Yaskawa Electric America отмечает, что электрические помехи, создаваемые при определенной конфигурации привода, постоянны. «Вместе с тем, внутри привода можно установить фильтры, уменьшающие распространение радиопомех и влияние привода на внешнюю среду», — сказал д-р Макеш Свами (Mahesh Swamy), директор по НИОКР компании Yaskawa. В зависимости от желаемого уровня снижения ЭМП, для уменьшения наведенной помехи используется фильтр ЭМП (внутренний или внешний по отношению к приводу), а экранирование кабелей является очевидным способом уменьшения излучения радиоволн. Однако д-р Свами тут же отметил, что экранированные кабели могут и усилить наведенные ЭМП из-за наличия пути с низким сопротивлением (импедансом) для токов, проходящих от проводников к заземленному экрану. Для уменьшения влияния токов заземления он предложил проводить тщательную оптимизацию прокладки кабелей.
Тщательная конструкторская проработка привода также приносит свои плоды. Трехуровневая конфигурация привода переменного тока, предложенная компанией в 2003 году, хотя напрямую и не снижает уровень ЭМП, однако упрощает фильтрацию синфазных и аддитивных помех. Говорят, что это приводит к значительному уменьшению уровня наведенных и излучаемых ЭМП. «Размер фильтра значительно уменьшается, благодаря меньшему размеру ступеней в наведенном синфазном напряжении при работе с выходным напряжением, превосходящим 230-240 В», — продолжил др Свами. Кроме того, трехуровневая конструкция обеспечивает спектр выходного сигнала на несущей частоте, расположенный значительно выше по отношению к рабочей частоте (обычно 2:1). «Это помогает уменьшить размер фильтра аддитивных помех», — утверждает он. Сообщается, что малогабаритный фильтр, разработанный компанией YEA, весьма эффективен для уменьшения наведенной ЭМП.
Еще один пример монтажа, уменьшающего влияние ЭМП, — использование защитных зажимов для гарантии контакта всей поверхности оболочки кабеля питания электродвигателя с защитной шиной в приводах компании Siemens Sinamics.
Еще одним удачным схемным решением привода переменного тока, предложенным компанией YEA в 2005 году, является матричный конвертер, т.е. прямой преобразователь переменного тока в переменный (четыре квадранта) без громоздкой схемы постоянного тока. Матричный конвертер компанииYEA также позволяет уменьшить размер ступеней в фильтре синфазных помех. Кроме того, такая структура помогает в разработке комбинированных фильтров синфазных и аддитивных помех, причем по результатам тестирования они значительно уменьшают размер входного фильтра ЭМП, объяснил д-р Свами.
Во всех входных фильтрах ЭМП используется конденсатор, соединяющий сигнальную линию с землей. «Хорошо известно, что это создает большие токи на землю. Интеграция фильтров синфазных и аддитивных помех в матричном конвертере позволяет уменьшить емкость конденсатора входного фильтра в 10 раз, — добавил д-р Свами. — Это существенно упрощает проблемы, связанные с использованием рискованных методов фильтрации ЭМП».
Баланс производительности привода и уровня ЭМП
Представители компании Baldor Electric согласны с тем, что генерация высокочастотных помех является нежелательным результатом применения современных мощных устройств коммутации, которые сделали возможным создание высокопроизводительных приводов переменного тока. «В конструкции привода должен быть достигнут баланс между переключениями, необходимыми для достижения высокой эффективности и производительности привода или двигателя, и ограничением уровня ЭМП, которое вызывается этими быстрыми переключениями», — сказал г-н Фил М. Кемп (Phil M. Camp), специалист по высокопроизводительным приводам переменного тока.
Ограничить влияние ЭМП на систему предприятия помогает линейный элемент с реактивным сопротивлением, устанавливаемый во входном преобразователе в точке, где привод соединяется с блоком питания. При этом, как утверждает г-н Кемп, даже лучшим выбором, чем линейный элемент, может быть развязывающий трансформатор. Трансформаторы обеспечивают более существенное уменьшение передачи ЭМП на источник питания и при этом снижают пик-фактор линейного тока, что уменьшает нагрузку на конвертер, — пояснил он.
Г-н Бэлдор (Baldor) также считает существенным установку в приводе фильтров ЭМП. «Фильтры должны быть спроектированы так, чтобы уменьшать как дифференциальные помехи (от линии к линии), так и синфазные помехи (от линии на землю)», — утверждает г-н Кемп. Еще одно соображение касается именно приводов большой мощности, которые используют устройства с регулируемой фазой (например, электрические машины с короткозамкнутым ротором), чтобы помочь зарядить конденсаторы на шине во время включения устройства. Излучаемые приводом помехи уменьшатся, если устройства с регулируемой фазой будут использоваться только для предварительной зарядки, но не для регулировки напряжения на шине во время нормальной работы привода, — отмечает г-н Кемп.
Уменьшить ЭМП, создаваемые приводом, также может рациональная конструкция выходного инвертора. «При проектировании выходных цепей следует обеспечить правильный выбор проводимости устройства, чтобы его переключение осуществлялось управляющим током, — сказал г-н Кемп. — Включенный в обратном направлении параллельно каждому переключателю диод, должен иметь «мягкое» выключение и низкие характеристики обратного восстановления. Управление током переключения должно ограничивать скорость изменения напряжения (dv/dt) на выходе привода». Это требует нахождения компромисса между уменьшением уровня помех вследствие более медленного переключения и большими потерями при переключении в инверторе из-за более длительного перехода между состояниями «включено/выключено» в блоке питания.
Программные алгоритмы, использующие векторную широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), еще больше способствуют уменьшению уровня ЭМП, минимизируя время переключения выходных устройств. Еще одно программное решение использует «подавление минимальной ширины импульса» — технологию, при которой исключаются импульсы, более короткие, чем заданный интервал времени (например, 5 мс), — пояснил г-н Кемп.
Установка приводов вблизи жилых кварталов
Г-н Гилмер из компании Siemens отметил, что приводы переменного тока все чаще находят применение вблизи мест проживания людей, например в системах отопления, вентиляции и кондиционирования зданий и городских водонапорных станций. Это в еще большей степени поднимает важность проблем уменьшения уровня ЭМП, выдвигая требование соответствия привода строгим правилам по ЭМС.
Промышленные установки, напротив, почти всегда имеют трансформатор, который, как правило, блокирует распространение ЭМП/РЧП от привода наружу. У этих установок также предусмотрено больше возможностей подавления излучаемых ЭМП по сравнению с техникой, расположенной в местах проживания.
Компания Yaskawa Electric отметила, что для соответствия промышленных приводов правилам по ЭМС часто оказывается достаточным использовать в них небольшие встроенные фильтры. Однако, для соответствия приводов по ЭМС стандартам МЭК в области жилых зон, включая больницы, по всей видимости, нужны внешние и, возможно, двухкаскадные фильтры.
Компания Danfoss Drives подтверждает, что «требования по ЭМС для жилых зон являются самыми трудно выполнимыми». По информации г-на Лэндкилдехаса, в связи с тем, что монтаж систем отопления, вентиляции и кондиционирования является для компании Danfoss профильным видом деятельности, она конструирует свои приводы сразу с учетом их ЭМС, прямо со стадии разработки. Это привело к разработке современных фильтров ЭМП/РЧП, которые обеспечивают надежную и экономичную ЭМС приводов.
Встраиваемые в привод фильтры проектировались для длинных кабелей электродвигателей (в которых 150 м, как правило, экранированы, а 300 м не экранированы). «Чтобы соответствовать этому требованию, конструкцию привода также пришлось оптимизировать с позиций обеспечения приемлемых тепловых режимов». Г-н Лэндкилдехас подчеркнул также, что встроенные фильтры имеют преимущество в отношении интеграции своего теплового дизайна в общий тепловой дизайн привода.
С учетом общей тенденции к глобализации конструирования приводов ожидается, что все большее число моделей приводов с регулируемой скоростью будут удовлетворять международным стандартам по ЭМС, снижая уровень электромагнитных помех.
ЭМП-фильтры и сглаживающие фильтры для импульсных преобразователей
Входные ЭМП-фильтры
Входные и выходные фильтры — необходимая составляющая практически любой электронной системы, в состав которой входят импульсные преобразователи или быстродействующие компоненты. И хотя входные ЭМП-фильтры и выходные сглаживающие фильтры служат разным целям, их конфигурация в ряде случаев может быть схожа.
Основное назначение входных фильтров заключается в защите от электромагнитных помех (ЭМП), генерируемых преобразователем, а также защита от возможных помех со стороны сети. Во многих случаях наилучшим выбором является покупной ЭМП-фильтр, в котором предусмотрена фильтрация дифференциальных и синфазных помех. Эти фильтры устанавливаются между питающей сетью и AC/DC-преобразователем. В состав фильтров входят магнитосвязанные дроссели и емкости. В общем случае схема такого фильтра представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема синфазного и дифференциального ЭМП-фильтра
В этом ЭМП-фильтре последовательно включены два фильтра. Ближний к сети ЭМП-фильтр дифференциальных помех состоит из конденсаторов CY5, CY6, CX2 и магнитосвязанного двухобмоточного дросселя LDM. Последовательно с ним установлен ЭМП-фильтр дифференциальных помех, в состав которого входят конденсаторы CY3, CY4, CX1 и магнитосвязанный двухобмоточный дроссель LCM.
Как видно из рисунка, ЭМП-фильтры синфазных и дифференциальных помех имеют схожую конфигурацию за исключением расположения начала и конца обмоток дросселей LDM и LCM. Различие объясняется следующим образом. Токи дифференциальных помех в фазе и нейтрали протекают в разных направлениях, а токи синфазных помех в фазе и нейтрали текут в одном направлении и замыкаются через корпус или заземление. Таким образом, в обоих дросселях магнитные потоки, создаваемые двумя обмотками, складываются. Следовательно, индуктивность дросселя возрастает, и ЭМП-фильтр работает как классический LC-фильтр.
Описанные выше ЭМП-фильтры, как правило, устанавливаются в линиях сетевого напряжения 220 В на входе AC/DC-преобразователя. ЭМПфильтры производятся многими известными на российском рынке электроники компаниями, среди которых Murata, Epcos, Würth Elektronik и многие другие.
Автор настоятельно рекомендует использовать покупные фильтры и не пытаться изготавливать их самостоятельно из дискретных компонентов. Не следует использовать ЭМП-фильтры для цепей переменного тока в цепях постоянного тока. Постоянный ток создаст подмагничивание дросселей фильтра, а всплески токов помех приводят к насыщению сердечника дросселя, что влечет за собой уменьшение их индуктивности и, следовательно, фильтрующих свойств.
Однако не всегда можно использовать готовые ЭМП-фильтры. Например, в распределенных системах питания в цепях постоянного тока после шинного преобразователя или перед ним может понадобиться установить ЭМП-фильтр перед PoL-преобразователем. В этом случае, скорее всего, придется создать такой фильтр на дискретных компонентах, особенно если невелика мощность преобразователя, перед которым устанавливается фильтр.
Примером может служить LC-фильтр, показанный на рис. 2. Поскольку фильтр описывается уравнением 2‑го порядка и представляет собой хорошо известное колебательное звено, мы лишь приведем окончательные соотношения.
Рис. 2. ЭМП-фильтр LC-типа
Собственная частота колебательного звена определяется из соотношения (1):
Величина демпфирования определяется из соотношения (2):
В схеме на рис. 2 отсутствует резистор R в явном виде, поэтому такой фильтр называется недемпфированным, но это не значит, что R = 0 и любое входное воздействие порождает в фильтре незатухающие колебания. Величина R складывается из омического сопротивления дросселя RDC, эквивалентного последовательного сопротивления конденсатора (ESR) и сопротивления проводников. Передаточная характеристика этого фильтра показана на рис. 3.
Рис. 3. Передаточная характеристика LC-фильтра
Как видно из этого рисунка, чем меньше степень демпфирования β, тем ярче выражен резонансный пик в частотной области. Также при условии β ω0, и улучшится фильтрация помех, но, как представляется автору, такое решение не имеет смысла. Габариты решения заметно возрастут, а увеличение крутизны спада АЧХ фильтра не принесет практической выгоды. Рабочая частота PoL-преобразователей в настоящее время находится в диапазоне примерно 1–2 МГц.
С учетом требований стандартов частота среза ЭМП-фильтра должна находиться в пределах нескольких кГц. Если выбрать величину β ≈ 1, то ослабление на частоте 1 МГц составит 50–60 дБ, что вполне достаточно для подавления помех. Если все же потребуется более значительное ослабление, возможно, следует подумать не о применении двухкаскадного ЭМП-фильтра, а проанализировать систему питания и принять иные меры к уменьшению помех.
Выходные сглаживающие фильтры
В качестве сглаживающих выходных фильтров используются те же LC-фильтры, которые были рассмотрены выше. Однако в данном случае такие фильтры не удастся заменить покупными, и их всякий раз приходится рассчитывать разработчику. Выходной сглаживающий фильтр позволяет снизить пульсации выходного напряжения до единиц мВ или даже нескольких сотен мкВ. Уменьшение амплитуды пульсаций до десятков мкВ едва ли возможно, даже если увеличить число каскадов выходного фильтра.
Уменьшению пульсаций помешают паразитные составляющие компонентов фильтра и проводников печатной платы. Кроме того, из-за джиттера частоты коммутации в спектре выходного напряжения могут возникать низкочастотные составляющие вплоть до нескольких Гц. Их, конечно, невозможно подавить сглаживающим фильтром. Таким образом, если требуется ограничить пульсации выходного напряжения вплоть до мкВ, после сглаживающего фильтра в цепь питания устанавливается LDO-регулятор.
Рис. 7. Сглаживающий фильтр на выходе повышающего преобразователя
Рассмотрим наиболее распространенную конфигурацию сглаживающего фильтра – π-фильтр (или П-фильтр). Схема его включения в цепь повышающего преобразователя приведена на рис. 7 [1]. Резонансная частота этого фильтра определяется из выражения (4).
В отличие от ЭМП-фильтра, сглаживающий фильтр входит в состав контура обратной связи, поэтому частота среза фильтра не должна быть меньше 10–20% частоты коммутации. В противном случае уменьшается устойчивость системы из-за запаздывания в петле обратной связи, что приводит к затягиванию переходных процессов, а также к ухудшению устойчивости из-за уменьшения запаса по фазе. Как и в случае с ЭМП-фильтрами, в сглаживающий фильтр необходимо ввести демпфирующую цепочку. На рис. 7 показаны три возможных варианта цепочек демпфирования.
Вариант демпфирования 1 с введением резистора RFILT представляется самым простым и экономичным, но введение этого резистора ослабляет эффективность фильтра. Кроме того, уменьшается импеданс параллельной RL-цепочки фильтра. Вариант демпфирования 2 наиболее эффективен, т. к. эта цепочка улучшает характеристику фильтра, но увеличивает стоимость из-за использования керамического конденсатора. На первый взгляд может показаться, что вариант демпфирования 3 – самый эффективный. Однако в этом случае требуется наибольшая емкость конденсатора. Следовательно, возрастает стоимость решения. К тому же, поскольку введение этой цепочки уменьшит полосу пропускания петли обратной связи, этот вариант следует исключить из рассмотрения.
Для высокочастотных преобразователей с малым выходным током имеется еще один нетривиальный вариант сглаживающего фильтра — вместо дросселя в фильтре используется резистор. Рассмотрим простой пример, где в качестве выходного фильтра PoL-преобразователя с частотой коммутации 2 МГц и выходным током 20 мА применяется RC-фильтр. Пусть сопротивление резистора равно 10 Ом, а емкость конденсатора — 1 мкФ. Частота среза этого фильтра составит около 16 кГц; учитывая ослабление 20 дБ/декаду, получим, что пульсации с частотой 2 МГц ослабляются более чем в 100 раз. Однако придется смириться с падением напряжения 200 мВ на резисторе.
Заметим, что расчет фильтров носит приблизительный характер и расчетные параметры обязательно должны проверяться путем макетирования фильтра совместно с преобразователем. На величину емкости фильтра влияет напряжение заряда, частота пульсации тока, температура емкости. Индуктивность дросселя фильтра нелинейно зависит от тока. Кроме того, на характеристики фильтра будет влиять и преобразователь. Эти изменения невозможно учесть в практических расчетах. Помощь при разработке фильтра оказывают фирменные САПР для расчета фильтров. Например, схему расчета сглаживающего фильтра можно найти в [1]. Для расчета ЭМП-фильтра можно воспользоваться средствами [2].
Выбор компонентов фильтра
При выборе компонентов фильтра следует иметь в виду, что собственная резонансная частота (SFR) конденсатов и дросселей должна заметно превосходить частоту среза фильтра. Поскольку нормативные требования, предъявляемые к кондуктивным помехам, распространяются на частоты до 30 МГц, SFR компонентов фильтра должны быть выше 30 МГц. Например, если SFR выбранного керамического конденсатора меньше 30 МГц, следует заменить этот конденсатор несколькими параллельно включенными конденсаторами с емкостью меньшей величины.
Несколько сложнее обстоят дела с выбором дросселя. В этом случае также уместно вспомнить известный афоризм — «наши недостатки — продолжение наших достоинств». Достоинства дросселей были описаны выше. К сожалению, имеются и недостатки: в любом дросселе помимо основного магнитного поля, замыкающегося в сердечнике, всегда есть поле рассеяния, которое, по сути, является генератором помех.
В значительной степени избавиться от этих помех можно, используя экранированные дроссели. Однако проблема заключается в том, что у этих дросселей меньше ток насыщения Isat, поэтому при увеличении тока пульсации индуктивность дросселя падает и фильтр теряет эффективность. Как часто бывает, ситуацию отчасти разрешается с помощью компромисса. Некоторые производители выпускают полуэкранированные дроссели.
На рис. 8 [3] показана зависимость индуктивности от тока для экранированных, неэкранированных и полуэкранированных индукторов производства компании Würth Elektronik. Видно, что полуэкранированные дроссели серии WE-LQS значительно улучшают ситуацию с током насыщения, но приходится мириться с тем, что излучаемые ими помехи несколько больше, чем экранированными дросселями. Если такое решение недопустимо, придется выбрать экранированный дроссель большего габарита.
Рис. 8. Зависимость индуктивности от тока для экранированных, неэкранированных и полуэкранированных индукторов производства компании Würth Elektronik
На принципиальной электрической схеме следует указать начало обмотки (на корпусе дросселя оно отмечено точкой). Начало обмотки должно быть подключено к источнику пульсирующего напряжения. В этом случае в начале обмотки располагается точка с наибольшим значением dV/dt, а начало обмотки примыкает непосредственно к сердечнику. Следовательно, при многослойной обмотке верхние слои играют роль экрана. Заметим, что при правильном подключении ослабляется главным образом вектор напряженности электрического поля E, напряженность магнитного поля H практически не зависит от подключения начала обмотки.
Крутые переключения силовых ключей порождают звон, частота которого зависит от паразитных индуктивностей и емкостей силового каскада. Избавиться от них практически невозможно. Частота звона находится в диапазоне от сотен МГц до единиц ГГц. Из-за поверхностного эффекта в проводниках этот звон вносит малый вклад в кондуктивные помехи на шинах питания, но он является источником нежелательных радиопомех. Поскольку частота звона чаще всего превышает SFR конденсаторов фильтра, ослабить звон можно только с помощью дросселя, а точнее – сердечника дросселя: именно потери в сердечнике, а не индуктивность дросселя помогут ослабить звон. Потери в сердечнике зависят от материала. Ослабление высокочастотной составляющей для различных материалов показано на рис. 9 для дросселей Würth Elektronik.
Рис. 9. Ослабление высокочастотной составляющей для различных материалов