Выходной фильтр импульсного блока питания: Выходные фильтры импульсных блоков питания. . Обзоры техники.

Содержание

Выходные фильтры импульсных блоков питания. . Обзоры техники.

Данное видео пересекается с теми же обзорами, о которых я написал в прошлый раз, но в данном случае речь о выходных фильтрах.
Возможно получилось как-то скомкано, пробовал снимать несколько раз и все время что-то шло не так.

В видео я рассказал об привычном многим выходном фильтре блока питания, например таком:

А также о том как можно уменьшить помехи от блока питания в эфир, ну и попутно попробовать убрать ложные «фантомные нажатия тачскрина вашего смартфона или планшета.

Как всегда буду рад вопросам и пожеланиям.

P.S. Сегодня 20 апреля, а у нас третий день на улице примерно такая картина. Температура утром -5, днем +2, как вы понимаете, дома также не очень жарко. Поломало некоторые деревья, а снег лежит на ветках с зелеными листьями 🙁

Эту страницу нашли, когда искали:
выходной фильтр для полумостового иип, выходные фильтры компьютерного бп, выходной фильтр ипульсногоисточника питания, расчёт трехфазного выходного фильтра, фильтры высокочастотных блоков питания, фильтр питания импульсных блоков питания, филтр питания что на выходе, как сделать фильтр от помех импульсного блока питания, фильтр напряжения в блоке питания, в блоке питания пк фльтры на каких кольцах намотаны, фильтр на выходе, выходной фильтр в блоке питания, схема фильтра блока питания 12в, фильтр clc в блоке питания, выходные фильтра импульсного блока питания, хорошего фильтра на выходе, схемы фильтров импульсных источников, фильтры на кольцах в импульсных бп, фильтр после импульсного питания, схемы фильтрации выходных напряжений блоков питания, импульсный бп фильтрация помех, наводки помехи от бп hi-link, качественный фильтр для мощного блока питания, для чего фильтр выходной на бп, фильтр по питанию иип

Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.

ЭМП-фильтры для контроллеров импульсных DC/DC источников питания

Стефан Кляйн (Stefan Klein) и Ранжит Браманпалли (Ranjith Bramanpalli), инженеры, Wurt Electonik

Чтобы обеспечить высокую эффективность, потери мощности у современных источников питания (ИП) должны быть невелики. Современные
импульсные ИП и контроллеры импульсных DC/DC источников питания
обеспечивают высокую эффективность, но если используемая схема
и топология печатной платы не отвечают строгим требованиям,
напряжение радиопомех может вырасти. В статье обсуждается реализация входных и выходных фильтров, позволяющих уменьшить помехи
в DC/DC-преобразователях ИП.

Необходимость
во входном фильтре

Любой импульсный источник питания
создает радиопомехи, которые препятствуют нормальному функционированию
других электронных устройств. Одной
из главных причин возникновения напряжения помех является входной ток, который протекает через входную емкость
контроллера импульсного ИП. При этом
на эквивалентном последовательном
сопротивлении (ESR) возникает падение
напряжения. Таким образом, напряжение
пульсации VRIPPLE конденсатора складывается из падения напряжения на емкости
и на ESR конденсатора.

Измерение напряжения помех

Входной фильтр уменьшает амплитуду напряжения помех, подавляет
гармонические составляющие и играет важную роль в уменьшении напряжения радиопомех до приемлемого
уровня. Например, согласно стандарту EN61000–6-4 предельное значение
пикового напряжения на частоте 150 кГц
составляет 79 дБмкВ. На рынке пассивных компонентов предлагается широкий ассортимент фильтров с высокими
вносимыми потерями, например в диапазоне 70–100 дБ. О днако на практике
заявленные значения редко достигаются, т. к. потери этих фильтров измеряются при 50.О м нагрузке, а импедансы
источников питания отклоняются от указанных величин. Таким образом, возникает необходимость в разработке
фильтров, отвечающих потребностям
реальных приложений.

Прежде всего, следует определить
тип проектируемого входного фильтра с учетом разницы между дифференциальным и синфазным шумом.
Для подавления дифференциального
шума фильтр устанавливают на вход
импульсного контроллера. Еще на этапе
проектирования фильтра напряжение
помех можно измерять с помощью схемы
стабилизации импеданса линии (LISN)
и анализатора спектра. На рисунке 1
показана применяемая в таких случаях схема испытаний. С ее помощью
измеряются дифференциальные шумы,
т. к. опорным напряжением является потенциал земли импульсного ИП,
а не шина заземления.

Рис. 1. Схема для испытаний

Схема LISN служит для развязки переменного напряжения помех. Внутренний фильтр нижних частот LISN-схемы
предотвращает сбои в работе других
электронных устройств, которые подключены к общему источнику питания.
На рисунке 2 показана осциллограмма
напряжения помех VNOISE (дБмкВ) понижающего DC/DC-контроллера, который
работает на коммутационной частоте
2 МГц; входное напряжение составляет
10 В, а эффективное значение входного
тока равно 07 А.

Рис. 2. Напряжение помех в отсутствие входного фильтра

Величина напряжения помех VNOISE
определяется следующей формулой:

Из рисунка 2 видно, что основная гармоника соответствует частоте переключения. Амплитуда гармоник в верхнем
мегагерцовом диапазоне становится
меньше, но все-таки превышает пороговую величину. При 116 дБмкВ у основной
гармоники – максимальная амплитуда.
Таким образом, VRIPPLE можно определить
следующим образом:

Поскольку VRIPPLE = 631 мВ, это значит,
что на входе требуется фильтр.

Влияние управляющего контура

Далее мы обсудим работу входного
фильтра, который используется в упомянутом выше контроллере импульсного источника питания. Фильтр нижних
частот состоит из дросселя (WE-PD2,
неэкранированный, L = 1 мкГн, собственная резонансная частота (SRF) =110 МГц,
RDC = 49 мОм) и электролитического
конденсатора (серия FK, C = 10 мкФ,
U = 35 В DC). Фильтр установлен перед
входным конденсатором контроллера
импульсного DC/DC источника питания
(см. рис. 3).

Рис. 3. Схема фильтра

Прежде всего, следует выбрать собственную резонансную частоту дросселя, поскольку он теряет фильтрующую
способность в верхнем частотном диапазоне из-за паразитной емкости.
Во избежание насыщения сердечника
его допустимый ток должен превышать
пиковый ток на входе, по крайней мере,
на 10%. С этой целью рекомендуется
использовать резистор RDC, который
позволяет минимизировать падение
постоянного напряжения. Далее выбирается величина индуктивности с учетом того, что частота среза фильтра
равна 1/10 от значения коммутационной частоты контроллера, т. е. намного
меньше частоты среза импульсного контроллера, благодаря чему ослабляется
амплитуда основной и большей части
других гармоник. Поскольку у высококачественного фильтра резонанс имеет
ярко выраженный характер, этот эффект
необходимо ослабить.

Чтобы обеспечить стабильную работу контура контроллера импульсного
источника питания, необходимо разнести рабочую частоту преобразователя
и резонансную частоту фильтра. При
совпадении этих частот на входе контроллера появляются колебания, из-за
которых он теряет способность быстро
менять величину входного напряжения.
Причина такого поведения – в отрицательном входном сопротивлении
контроллера импульсного ИП. Т еоретически, равенство POUT = PIN применимо и к контроллеру. Это значит, что при
неизменных начальных условиях входной ток контроллера IIN уменьшается
с увеличением входного напряжения
UIN, что обусловлено наличием отрицательного входного сопротивления контроллера ZIN:

Поскольку это соотношение получено на основе анализа больших сигналов, а в контроллере импульсного
ИП используются зависящие от частоты
компоненты, величина входного сопротивления является динамической,
и потому требуется анализ поведения
системы при малых сигналах. Рекомендуется, чтобы выходной импеданс входного фильтра ZFILTER был намного меньше
входного импеданса контроллера ZIN:
ZFILTER<<ZIN.

Поскольку в большинстве случаев
использование этого фильтра не приводит к возникновению электромагнитных полей, можно в качестве
примера выбрать неэкранированный
фильтр WE-PD2.

При определении емкости фильтра
следует исходить из того, что максимальная допустимая величина рабочего напряжения конденсатора фильтра
приблизительно на 25% выше напряжения питания, поскольку у всех конденсаторов со временем номинальное
напряжение снижается. По мере увеличения напряжения величина емкости и,
следовательно, эффективность фильтра
уменьшается, что зависит от используемого диэлектрика. Чтобы собственная
резонансная частота была высокой,
рекомендуется, чтобы его эквивалентная последовательная индуктивность
(ESL) была небольшой. В качестве
исключения можно воспользоваться ESR
большой величины, т. к. это позволяет
уменьшить добротность фильтра и ослабить перерегулирование на частотах
близких к резонансной.

Рекомендуется, чтобы емкость фильтра была относительно велика, а индуктивность мала, т. к. при относительно
высокой индуктивности частота собственного резонанса уменьшается. Лучшим выбором в качестве конденсатора
для фильтра является электролитический конденсатор. Во избежание рассогласования импедансов необходимо
правильно установить элементы фильтра. Из-за наличия входного конденсатора входной импеданс контроллера
меньше, чем у импульсного источника
питания, и потому дроссель фильтра
следует установить между ИП и входным конденсатором контроллера. Таким
образом, конденсатор фильтра подключается после дросселя параллельно
источнику питания. Дроссель фильтра
сглаживает ток пульсаций, а конденсатор фильтра шунтирует напряжение
помех. На рисунке 4 представлены
результаты измерения напряжения
помех при использовании дополнительного входного фильтра.

Рис. 4. Результат использования входного фильтра

Дроссель фильтра WE-PD2 и его
конденсатор обеспечили отличное
подавление помех даже при малых значениях индуктивности 1 мкГн и емкости
10 мкФ. А мплитуда основной гармоники уменьшилась на 30 дБ, а амплитуды более высоких порядков исчезли
в фоновом шуме. Величину индуктивности фильтра WE-PD2 можно повысить,
чтобы добиться большего затухания.
В конце концов, можно сделать так,
чтобы вносимые потери фильтра превысили 40 дБ.

Таким образом, без входного фильтра
не обойтись, а его параметры рассчитываются на этапе разработки приложения.
Дифференциальные помехи подавляются LC-фильтром в контроллере DC/DC
импульсного источника питания, а напряжение помех можно уменьшить до приемлемого уровня. Хорошо рассчитанный
входной фильтр и правильно подобранные пассивные элементы фильтра обеспечивают большие вносимые потери.
При этом сохраняется устойчивое функционирование контроллера импульсного
источника питания.

Требования
к выходному фильтру

В выходном напряжении импульсных
ИП присутствуют остаточные пульсации,
которые влияют на работу электронных
устройств и вызывают электромагнитные помехи. Для нейтрализации помех
применяются выходные фильтры, которые при определенных условиях влияют
на управляющий контур.

Чтобы компенсировать влияние
выходного фильтра и связанные с этим
потери выходной мощности на элементах фильтра требуется компенсация
этого контура. Какая бы схема контроллера импульсного ИП ни использовалась, в выходном токе присутствуют
нежелательные остаточные пульсации,
которые возникают из-за паразитного
сопротивления ESR и паразитной индуктивности ESL выходного конденсатора.
Величина относительно большой остаточной пульсации, сигналы которой принимают разную форму, зависит от типа
выбранного конденсатора. Например,
при использовании стандартного электролитического конденсатора возникает пульсация напряжения величиной
до нескольких сотен мВ в зависимости
от выходного напряжения контроллера
импульсного ИП.

При использовании керамического
конденсатора напряжение остаточной
пульсации составляет всего несколько десятых мВ. Н екоторым аналоговым
и ВЧ -системам требуется стабильное сглаженное напряжение питания без помех.
При этом не следует пренебрегать высокочастотной составляющей гармонических колебаний в выходном напряжении,
т. к. из-за нее может вырасти уровень
электромагнитного излучения.

Выходной фильтр может ослабить
остаточные пульсации и высокочастотные составляющие.

Ос лабление пульсаций

На практике для ослабления остаточных пульсаций до уровня в несколько мВ и подавления высокочастотных
компонентов применяется, как правило, LC-фильтр нижних частот. На рисунке 5 показана схема такого фильтра,
который можно реализовать с помощью неэкранированного дросселя
WE-PD2 и стандартного электролитического конденсатора.

Рис. 5. Простая схема фильтра нижних частот

Рис. 6. Двухкаскадный выходной фильтр

Если помехи должны полностью
отсутствовать на выходе, наряду
с LC-фильтром нижних частот применяется ФНЧ во втором каскаде (см. рис. 6).
Недорогой двухкаскадный фильтр
можно реализовать с помощью дросселя WE-PD2 и SMD-феррита серии
WE-MPSB.

Компоненты LFILTER и CFILTER1 работают
как ФНЧ , который фильтрует сигнал тактовой частоты контроллера импульсного ИП и подавляет гармонические
колебания. Далее ВЧ -составляющие
выходного напряжения контроллера
преобразуются в тепло с помощью ферритовой бусины SMD, а CFILTER2 ослабляет
их амплитуду. Выходной фильтр этого
типа уменьшает величину остаточной
пульсации до нескольких мВ и обеспечивает питание даже чувствительных
аналоговых цепей.

Прямые потери по току
на выходном фильтре

Помимо потерь выходной мощности из-за импульсного контроллера
большие потери выходной мощности по постоянному току возникают
на выходном фильтре, что приводит
к снижению эффективности контроллера импульсного источника питания.
Из-за сопротивления RDC дросселей
и ферритов возникает значительное
падение напряжения на выходном
фильтре и, соответственно, уменьшается
выходное напряжение (см. рис. 7).

Рис. 7. Падение напряжения на индуктивности фильтра

В зависимости от размеров дросселя сопротивление RDC может принимать разные значения в диапазоне
от нескольких мОм до нескольких Ом,
что, разумеется, не может не сказываться на величине выходного тока.
Даже у сильноточного SMD-феррита
значение сопротивления RDC может
достигать 0,04 Ом. Чтобы поддерживать требуемое напряжение, выходное
напряжение подается через обратную
связь с делителя напряжения на ИС
контроллера. Чтобы уменьшить потери
выходного напряжения, обусловленные
выходным фильтром, его можно установить в управляющий контур (см. рис. 8).

Рис. 8. Реализация выходного фильтра в управляющей цепи

Стабильность
управляющей схемы

Дроссель фильтра, феррит и конденсаторы фильтра вызывают нежелательный фазовый сдвиг, из-за которого
нарушается стабильность функционирования управляющей схемы. В результате этого сдвига уменьшается амплитуда
и запас устойчивости по фазе. В крайних
случаях работа схемы становится нестабильной, и возникают колебания выходного напряжения. Чтобы обеспечить
устойчивое функционирование необходимо, чтобы запас по амплитуде превышал 12 дБ, а по фазе – 45°. Управляющая
схема считается динамически устойчивой, если коэффициент обратной связи
(КОС ) падает до 0 дБ до того, как соответствующий фазовый сдвиг составит –180°.
При этом амплитудная характеристика КОС должна пересечь ось х, т. е. принять
значение 0 дБ при наклоне 20 дБ/декаду.

Рис. 9. Диаграмма Боде устойчивого импульсного контроллера

На рисунке 9 показана диаграмма Боде
устойчивого понижающего преобразователя. В этом примере запас по амплитуде равен 32 дБ, а по фазе – 56°.

Если выходной фильтр не отвечает критериям устойчивой работы
импульсного преобразователя, требуется компенсация управляющего контура, которая обеспечит стабильность
выходного напряжения.

Переходная характеристика

Выходное напряжение должно оставаться стабильным при изменениях
напряжения на входе импульсного преобразователя. Аналогично, в случае
внезапного снижения или повышения
выходного тока выходное напряжение
должно быть быстро отрегулировано.
На рисунке 10 показана переходная
характеристика импульсного контроллера с регулируемой устойчивостью
(кривая желтого цвета) с выходным
напряжением 5 В при внезапном изменении нагрузочного тока с 0 до 1 А (зеленая кривая).

Рис. 10. Переходная характеристика устойчивого импульсного контроллера

При внезапном изменении нагрузочного тока управляющая схема должна
быстро скорректировать выходное
напряжение до заданного уровня.
Выходное напряжение не должно значительно меняться в результате отклика
на скачок – иначе из-за перенапряжения могут повредиться электронные
цепи. В идеальном случае после скачка
нагрузки выходное напряжение быстро
корректируется до установленной величины; при этом отсутствуют выбросы
и даже звон. Звон на этапе компенсации обусловлен нестабильной работой
импульсного преобразователя. Функционирование контроллера импульсного ИП считается устойчивым, если он
достаточно быстро реагирует на скачкообразное изменение нагрузки и своевременно компенсирует это изменение.

Выводы

Итак, если выходной фильтр установлен в управляющем контуре, его
характеристическое уравнение имеет
2.й порядок или выше, что зависит
от типа фильтра. Цепь компенсации
должна иметь не меньший порядок,
что приводит к увеличению инерционности управляющего контура. Таким
образом, не рекомендуется включать
выходной фильтр в управляющий контур. Выходное напряжение преобразователя следует снимать до выходного
фильтра.

Целесообразно также выбирать дроссели фильтра и ферриты с наименьшими
сопротивлениями RDC, чтобы уменьшить
потери в выходном фильтре.

Техническая поддержка: [email protected]

Способы устранения помех в импульсных блоках питания

Импульсные блоки питания (ИБП), построенные на основе преобразователей постоянного (выпрямленного сетевого) напряжения в переменное, генерируют нежелательные помехи. На коллекторах (стоках) силовых ключей контролеров ИБП присутствует напряжение, близкое по форме к прямоугольному, размахом, достигающим 600. ..700В. Кроме того, в ИБП существуют замкнутые цепи, по которым циркулируют импульсные токи с достаточно крутыми фронтами и спадами (0,1… 1 мкс) и амплитудой до 3…5А и более.

Поэтому ИБП служит источником интенсивных помех, спектр которых простирается от 16…20 кГц до десятков мегагерц. Эти помехи распространяются в питающую сеть переменного тока и в нагрузку блока питания, создавая интерференционные полосы на экранах телевизоров, мониторов, снижая отношение сигнал-шум в трактах записи-воспроизведения видеозаписывающей аппаратуры и т.д. Величина этих паразитных сигналов зависит от частоты преобразования, качества входных и выходных фильтрующих цепей, а на частотах свыше 1 МГц — от конструкции и монтажной схемы преобразователя.

Вообще говоря, ШИМ-преобразователи, которые работают с постоянной частотой переключений, генерируют помехи в известной полосе частот, что облегчает задачу их подавления и является одной из причин их широкого применения в схемах импульсных БП бытовой техники.

Однако, импульсные блоки питания, независимо от типа применяемого ШИМ-преобразователя, должны быть оснащены схемами подавления двух основных видов помех. Этими помехами являются входная несимметричная (дифференциальная) и входная симметричная (синфазная) помехи.

Механизмы возникновения, распространения и методы борьбы в импульсных блоках питания с данными помехами рассмотрим на примере соответствующих эквивалентных схем преобразователей.

Рис.1 Возникновение несимметричной помехи

Входная несимметричная помеха является шумовым током, протекание которого обусловлено разностью напряжений Vin между двумя входными проводниками (рис. 1). Ключевой транзистор преобразователя представлен на рисунке в виде переключателя Fs, который последовательно включается и выключается с частотой пдэекточения преобразователя. Нагрузка изображена в виде переменного резистора R_L, сопротивление которого изменяется в зависимости от тока нагрузки. Пассивные элементы L и С соответствуют входному фильтру, встроенному в преобразователь. Кроме того, практически все преобразователи оснащены входным конденсатором Cь, а некоторые также имеют, по крайней мере, небольшую последовательную индуктивность (дроссель), учитываемую в импедансе источника Zs (в Zs также учтена собственная индуктивность сглаживающего электролитического конденсатора сетевого выпрямителя).

Эффективное подавление несимметричной помехи достигается посредством шунтирующего действия конденсатора Сь, который должен иметь высокое качество и характеризоваться малыми эквивалентными последовательными индуктивностью (ЭПИ) и сопротивлением (ЭПС) в соответствующем диапазоне частот (обычно в области частот переключения и выше). В реальных схемах Сь обычно представляет собой конденсатор постоянной емкости 0,1… 1,0 мкф, шунтирующий электролитический конденсатор сетевого выпрямителя. В выпрямителе одновременно стремятся применять высококачественные, как правило, танталовые, электролитические конденсаторы с малыми ЭПИ и ЭПС.

Рис.2 Возникновение паразитной помехи

Симметричная помеха возникает следующим образом. В преобразователе ключевой транзистор, как правило, устанавливается таким образом, чтобы обеспечивался хороший тепловой контакт между его корпусом и шасси БП (радиатором). С целью обеспечения максимальной теплопередачи толщина электрической изоляции между коллектором или стоком ключевого транзистора и шасси делается как можно меньше. В результате между стоком или коллектором транзистора и шасси образуется паразитная емкость Ср (рис.2). Когда транзисторный ключ замыкается или размыкается, возникает ток помехи, протекающий от переключателя через паразитную емкость Ср, R_L и С, а затем через заземление обратно к шасси. Этот ток довольно мал, поскольку паразитная емкость невелика (ее типичное значение меньше 10 пф). В то же время, используемый в преобразователе LC фильтр совершенно неэффективен против этого вида тока помехи, поскольку он протекает не через фильтр, а в обход его.

Симметричная помеха подавляется с помощью симметрирующего трансформатора, который представляет собой катушку индуктивности с двумя обмотками, имеющими одинаковое число витков. Она обладает высоким импедансом для симметричного тока, но практически нулевым для несимметричного.

Несимметричный ток (включающий потребляемый ток) втекает в верхнюю обмотку трансформатора и вытекает из нижней. Поскольку токи через эти обмотки равны по величине и противоположны по направлению, а число витков в обмотках одинаково, результирующий магнитный поток в сердечнике, обусловленный несимметричным током, оказывается равным нулю, хотя величина потребляемого тока может быть очень велика. Благодаря этому в симметрирующем трансформаторе обычно используют сердечник с высокой магнитной проницаемостью без воздушного зазора. Причем он имеет достаточно высокую индуктивность для симметричного тока при использовании обмоток всего в несколько витков. Значительно меньший по величине ток симметричной помехи протекает в основном через нижнюю обмотку, а также и через верхнюю в одном и том же направлении. Следовательно, симметрирующий трансформатор обладает высоким импедансом для токов симметричной помехи.

В качестве дополнительных мер подавления помех в импульсных БП применяются следующие:

уменьшение паразитных емкостных связей между цепями первичного (сетевого) напряжения и вторичными цепями; выбор оптимальных режимов переключения транзисторов и диодов, предотвращающих резкие перепады напряжения; сокращение площади контуров, охватываемых цепями, по которым протекают большие импульсные токи. Важное значение имеет конструкция импульсного трансформатора ИБП. Первичную обмотку, как правило, разбивают на две равные секции, одна из которых наматывается в первых слоях катушки, а другая — в последних. Таким образом, все остальные области располагаются между этими секциями. Кроме того, первичные и вторичные обмотки обычно разделяются внутренним экраном. Достаточно эффективным является применение общего экрана в виде короткозамкнутого витка из медной фольги, охватывающего импульсный трансформатор.

Перечисленных мер, как правило, оказывается достаточно, и поэтому в бытовой аппаратуре импульсные БП обычно применяются без экранирующих кожухов.

Рис.3 Типовая схема сетевого фильтра и выпрямителя

Некоторые из рассмотренных способов борьбы с помехами в ИБП иллюстрируются на примере типовой схемы сетевого выпрямителя (рис. 3), применяемого в конструкциях ВМ и ТВ. Конденсаторы С5…С8, установленные параллельно диодам Д1…Д4 мостового выпрямителя сетевого напряжения служат для подавления несимметричных помех. Эту же роль выполняют конденсаторы С1,2, которые симметрируют потенциалы сетевого провода относительно шасси радиоэлектронной технике.

Фильтр для импульсных блоков питания

Фильтр для импульсных блоков
питания.

У
Вас часто ломаются (сгорают) импульсные блоки питания (ИБП)? Это: зарядки для
телефонов и ноутбуков. От ИБП питаются часы, компьютерные вещички, телевизоры…

Подавляющее большинство современной электроники содержит маленький и дешевый
импульсный блок питания. Безусловно, в каждом таком ИБП должен быть фильтр,
защищающий от помех. Быть-то он должен. Но практически вся эта электроника
приезжает к нам из трудолюбивого и очень экономного Китая. Как следствие, имеет
множество «недовложений», в первую очередь – нет помехозащитных фильтров.

Если эта «бюджетная» электроника включается в электрическую сеть с
качественными параметрами, а лучше, через хороший дорогой стабилизатор сетевого
напряжения и в одну розетку с телевизором мы одновременно не включаем,
например, утюг или пылесос, то помехи практически отсутствуют. Долгая жизнь
китайской электроники вполне возможна. А если Вы счастливый обладатель
загородного поместья или маленького домика? И нет у Вас хорошей электросети с
превосходным стабилизатором, а на одной линии вместе с поливочным насосом
включаются электронные мелочи? Очевидно, ИБП прослужат совсем не долго. А,
может быть, практически нисколько не прослужат – до первого
включения-выключения водяного насоса или другой мощной нагрузки.

Пытаясь
продлить жизнь электроники, наиболее грамотные пользователи приходят в магазин
и покупают помехозащитные фильтры. Я тоже сходил и купил парочку. Именно
фильтров, а не просто удлинителей с розетками. Во всяком случае, слово «фильтр»
было написано на ценниках этих штуковин.

При
вскрытии верхнего (маленького) удлинителя не было обнаружено никакого намека на
фильтр.

В
нижнем, более солидном агрегате, расположился единственный элемент фильтра — варистор.
Мощность этой деталюшки крайне невелика. На серьезную
защиту ИБП от больших помех надеяться не стоит. Посмотрел на
несколько недорогих стабилизаторов сетевого напряжения. Оказалось, что
они действительно поддерживают некоторое среднее напряжение сети в заданных
пределах. Но качественных фильтров там тоже нет. Получается, что такие
стабилизаторы можно использовать только для грубой электрической техники типа
старенькой (без электроники) стиральной машины, электрической плиты или утюга.

Где
могут быть действительно качественные фильтры? Обнаружились они в электронике
высшей ценовой категории и в дорогих современных блоках питания для
компьютеров. Но покупать дорогую вещь, что бы выковырнуть из нее фильтр? Или
вспомнить соответствующие пословицы и впредь отказаться от покупки заведомо
дешевой китайской электроники? Попробуем выбрать третий путь: специальный
фильтр для ИБП.

Первая модель получилась совсем неказистой, да еще и нагревалась при работе:

Пришлось
сделать более сложный вариант:

Размеры
корпуса без учета выступающих деталей 120х80х40 мм.

О
нормальной работе сообщает желтый светодиод.

Провода
подключаем в пружинные зажимы. На выходе фильтра не переменное напряжение 220В,
а постоянное. Помечена полярность выходных клемм. Суммарная мощность нагрузки
не должна превышать 100 Вт. Например: 20-30 зарядок для мобильного телефона.

На
мой взгляд, удобно подключать при помощи любого стандартного удлинителя с
нужным количеством розеток. Разрезаем провод, например, пополам. Зачищаем концы
провода от изоляции, скручиваем проволочки многожильных проводов, что бы не
торчали в разные стороны. Нажимаем клемму, засовываем проводок в
отверстие. Отпускаем клемму. Провод прижался и довольно прочно держится.

В самых маломощных ИБП, например, в телефонных зарядках,
производитель часто экономит на выпрямителях. Это приводит к тому, что
при включении такой зарядки через фильтр с выпрямителем зарядка не работает. В
этом случае просто переверните в розетке вилку зарядки на 180 гр.

В самых дешевых ИБП нет ограничителя тока для
имеющихся внутри них электролитических конденсаторов. При включении таких ИБП
через фильтр может возникать перегрузка по току (опасно для ИБП). Поэтому
крайне желательно СНАЧАЛА подключить ВСЕ ИБП к фильтру и только после этого
включить фильтр в сеть 220В.

Преимущества
этого фильтра:

1.полностью
устраняются помехи из сети и обратно от ИБП в сеть.

2.при
кратковременных перебоях сетевого напряжения устройства с ИБП «не глючат»,
продолжают стабильно работать. Например, когда сосед пытается включать
сварочный аппарат, а у Вас при этом моргает свет.

3.помехи
срезаются не только на выходе фильтра, но и на проводах, подключенных к его
входу. Примерно так, как если бы был подключен очень мощный варистор.

НЕЛЬЗЯ подключать к этому фильтру ничего другого, кроме
ИБП мощностью не более 100Вт.

Стоимость фильтра
для ИБП.

Качественный фильтр сетевых помех для аудио + своими руками

В последние годы ваш HiFi или даже High-End аудио комплекс всё меньше радует детальностью, сочностью и прозрачностью звучания? Вы подумываете обновить всю систему? Или вы уже подыскиваете качественный сетевой фильтр? Если последнее — вы на верном пути 😉

Посчитаем?

В этом веке количество источников электромагнитных помех в наших домах растёт по экспоненте. Оглядитесь, попробуйте посчитать, сколько на вид безобидных лёгких и маленьких зарядных устройств, экономичных ламп, «электронных трансформаторов» для галогенок, компьютеров, принтеров, и прочей электроники с питанием от сети и/или всевозможными «зарядниками» пришло в ваш дом за последнее десятилетие? Пальцев не хватило, даже вместе с ногами, женой и… то-то! 🙂

Сегодня пожалуй 95% источников сетевого питания построены на базе высокочастотного преобразователя и не используют старые громоздкие и тяжёлые, гудящие трансформаторы на 50 (60) Герц. Ура, партия зелёных торжествует: большинство таких преобразователей весьма экономичны, компактны и… каждый такой импульсный блок питания а) свистит на частоте преобразования и гармониках и б) создаёт броски зарядного тока во входном выпрямителе (весьма широкополосная помеха — и прямиком в сеть).

В по-настоящему качественных (и дорогих) импульсных источниках питания с помехами борются весьма успешно, но всё равно недостаточно, чтобы весь производимый ими электромусор остался незаметным для чувствительных ушей меломана. Да что там меломаны… У нас в доме старый добрый 39-мегагерцовый радио-телефон. Постепенно он начал гудеть и жужжать так, что я серьёзно собирался сменить аппарат. Но пользуемся мы им относительно редко и проблема однажды решилась сама собою, когда я в погоне за красивым звуком повырубал к чертям все импульсные блоки питания вкупе с компьютерами в доме. После того эксперимента, кстати, и появились у нас вот эти бочёнки.

Так что же покупить?

В этой статье я не подскажу, какой сетевой фильтр надо покупать. Причины две: за разумные деньги я не встречал адекватных фильтров; а те фильтры, что я мог бы порекомендовать — стоили совершенно несообразно, да и места занимали много больше, чем выполняемая ими функция того требует. Тем не менее решение существует: для умелых рук — собирать фильтры самому, и я постараюсь разъяснить его работу настолько, что любой, кто дружен с паяльником, сможет снабдить свою аппаратуру адекватной защитой от электромагнитных помех, проникающих из питающей сети. Если же вы не имеете возможности, либо желания дышать канифолью — покажите статью товарищу, который сможет вам помочь.

Грамотные производители должны были всё предусмотреть!

Фиг-вам! (изба такая индейская (с) кот Матроскин)

Открываем CD-проигрыватель, купленный в своё время за шесть сотен «зелёных». И что мы видим: рудиментарный сетевой фильтр тут имеется, но увы, лишь нарисованный шелкографией на плате, на дросселе и конденсаторах сэкономили. Вполне допускаю, что в их комнатах прослушивания, с идеальной фильтрацией питания, фильтр тот был и не нужен — не услышали «гуру» разницы от отсутствия фильтра. Ну и внесли «рацуху» — пошёл аппарат в массы голенький и беззащитный супротиву нового поколения электронных домов…

За работу!

В принципе, качественные фильтры промышленность выпускает. Только стОят они опять же дороговато. Этакие полностью экранированные коробочки со схемкой на боку. Катушечки там, конденсаторчики. Давайте же разберёмся, что там для чего, и соберём сами из доступных деталюх. Кстати, в пику аудиоманьякам я утверждаю, что грамотный сетевой фильтр в устройстве, собранный из качественных обычных (не аудиофильских) компонентов — гораздо эффективнее и «звучит» лучше, нежели любые самые эзотерические кабели питания, а так же и большинство «аудиофильских» же фильтров питания. Спорим? 😉

Скажи мне, кто твой враг

1) Дифференциальное напряжение помехи. Это такой «вредный» сигнал, который приходит вместе с «полезным» напряжением питания (или сигналом), его измеряют между двумя соединительными проводниками, «горячим» и «общим» проводами, или проще говоря — между двумя шинами питания.

2) Синфазное напряжение помехи. Этот сигнал измеряется между корпусом прибора (землей) и любым соединительным проводником. Особенность этой помехи в том, что она будет идентична на обоих проводах питания, т.е. в отличие от дифференциальной помехи её не поймать между проводами и она просачивается внутрь в обход обычных фильтров.

Блокировочный конденсатор

Конденсатор шунтирует дифференциальные ВЧ помехи и не пускает их дальше в аппарат. Надо не забыть разрядить его при выключении аппарата, а то взявшись нечаянно за вилку можно получить весьма ощутимую «мотивацию». Для этого ставим резистор, мирно греющийся в нормальном режиме работы. Ох не водить мне дружбы с «зелёными»…

Дроссель

Индуктивность (обыкновенный небольшой дроссель) формирует уже Г-образный LP фильтр с совместно с конденсатором. Конкретная частота среза фильтра нас не очень интересует. Дроссель потолще (лишь бы был рассчитан на _постоянный_ ток в несколько раз выше тока, потребляемого аппаратом), конденсатор побольше на напряжение не менее 310 вольт — и все довольны.

Синфазный трансформатор

Обмотки в таком трансформаторе идентичны и включены встречно, таким образом он беспрепятственно пропускает всё, что приходит как разница потенциалов между L и N. Иначе можно объяснить так: нормальный ток нагрузки создаёт встречные идентичные поля в сердечнике, которые взаимно компенсируются. Тогда зачем это всё — спросите вы?

Сердечник такого трансформатора остаётся неподмагниченным основной нагрузкой. Если же представить себе провода питания L и N вместе как один провод — то мы имеем немалую индуктивность на пути уже синфазной помехи, т.е. всего того, что наводится на обоих проводах одновременно. Провода же те, будь то обычный кабель питания за доллар, или экзотическое аудиофильское чудо — суть антенна, принимающая и станцию «Маяк», и всё, что излучают домашние электронные вонючки. Внутри же аудио агрегата нам и синфазная помеха ни к чему: через емкостную связь она может проникать в кишочки наших любимцев весьма агрессивно.

Два маленьких компаньона

Два маленьких конденсатора в компанию синфазному трансформатору. Они закорачивают на защитное заземление именно синфазную помеху и создают уже вкупе с синфазным трансформатором тоже своего рода Г-образный фильтр для синфазной помехи, не пускают её дальше в аппарат. Без них синфазная помеха, пусть и встретившая на своём пути немалое сопротивление нашего трансформатора — всё равно пойдёт искать свою жертву внутрь аппарата.

Антизвон

Антизвонная цепочка, или RC-цепь Цобеля. Несколько мистический зверёк, но очень полезный. Тут совместно с первичной обмоткой трансформатора в аппарате мы формируем колебательный контур с низкой добротностью, чтобы «поймать» то, что «выскочит» из первички при отключении питания. Искрогаситель. Защита остального фильтра и самого трансформатора от ЭДС самоиндукции при отключении в неудачный момент (при большом токе через первичку). Он так же вносит свою лепту в перевод ВЧ помех в тепло.

Не было бы конденсатора — такой низкоомный резистор просто взорвался бы от напряжения сети. Не было бы резистора — получили бы относительно высокодобротный контур совместно с первичкой и/или дросселем фильтра.

Другой взгляд: привносим чисто резистивную и весьма низкоомную составляющую импеданса нагрузки на ВЧ… Кто может объяснить лучше — милости прошу, помещу «в книжку» с сохранением авторства 😉

#ground_loop

Разрываем контур заземления

Резистор в параллель со встречно включенными диодами. В другой версии это мог бы быть дроссель. Включено это дело между защитным заземлением и корпусом прибора. Зачем, спросите вы — это, вроде, к фильтрации помех никакого отношения не имеет? Давайте разбираться.

Встречно включенные диоды успешно закоротят любую сильноточную утечку внутри корпуса прибора (коротыш какой, пробой) на защитное заземление. Тем самым мы соблюдаем требования техники безопасности: в случае аварии на корпусе прибора не должно появится опасного для жизни и здоровья человека напряжения. При этом диоды «разрывают» цепь для небольших напряжений.

Резистор создаёт путь для небольших токов. Если бы его не было, а внутренности прибора неплохо отвязаны от земли, то даже небольшие утечки создавали бы избыточный размах напряжения на корпусе относительно земли, и через емкостные связи это всё проникало бы в прибор.

Так для чего же всё-таки «отвязывать» защитную землю от корпуса? Дело в том, что на защитном заземлении могут наводиться напряжения: например той самой синфазной помехой, что мы отфильтровываем. Так же, увы, нередко встречается такая разводка сети, когда защитное заземление одновременно является и возвратным проводом для собственно напряжения сети. В этом случае даже на небольшом сопротивлении проводки немалый ток потребления создаёт ощутимое падение напряжения. Все эти факторы могут «разогнать» в нормальных условиях до десятков и даже сотен милливольт разницы потенциалов между защитными заземлениями разных агрегатов. Теперь, если мы передаём аудио-сигнал через соединения, заведённые одним проводом на корпус (RCA разъёмы «колокольчики», к сожалению так популярные в бытовом HiFi), то эта самая разность потенциалов между корпусами приборов будет напрямую замешана в сигнал.

Итого, отвязывая корпус прибора (а в большинстве случаев это значит — и сигнальную землю оного) от защитного заземления, мы тем самым ощутимо уменьшаем замешивание любых «чудачеств», что могут случиться в розетке — прямиком в сигнал. Конечно же, уважающий себя любитель качественного звуковоспроизведения будет использовать исключительно балансные соединения, иммунные к синфазной помехе. Только, увы, у меня ещё не все аппараты соединены исключительно балансными кабелями. А как с этим дело обстоит у вас, дорогой читатель? 😉

Собираем

Выключатель питания пристроен по принципу — где меньше искра будет. В остальном фильтр не сильно отличается от того, что ставят в дорогих компьютерных блоках питания. Кстати, оттуда же можно и детальками разжиться.

Тот фирменный аппарат, что я упомянул вначале статьи, тоже получил свою дозу фильтрации, подробности здесь.

А ещё лучше — можно?

Можно! Экстремалы включают «встречно» огромные трансформаторы и фильтруют всё в низковольтной части. Результат несколько лучше, бюджет — на порядки выше.

Так же мы опустили MOV (варисторы) «искрогасители» и прочие устройства защиты от импульсных перенапряжений. Этим как раз занимаются все подряд сетевые фильтры за десять баксов. Опять же можно из компьютерного БП вытащить и поставить на входе, сразу за предохранителем. Качества звука это не добавит, но может спасти аппарат в грозу. Так же варистор способен уберечь конденсаторы фильтра от деградации, хоть бы они и были «самовосстанавливающимися». Постепенная деградация фильтров связана с нефатальными пробоями, вызванными кратковременными бросками напряжения сети, неизбежными при наличии коммутируемой индуктивной нагрузки, и кстати, совсем не обязательно в самом защищаемом аппарате.

Если аппарат очень мощный — нелишним будет терморезистор или более сложная схема плавного старта, чтобы не поубивать проводку во всём доме в момент включения аппарата током заряда огромных банок фильтров питания…

Если знаете, как сделать ещё лучше — напишите в комментариях!

Что дальше?

Неужели вы добрались так далеко? 😉 Значит статья чем-то заинтересовала. Тогда может и кто-то из друзей и знакомых скажет Вам спасибо за ссылочку на эту статью, или «лайк» в любимой соц-сети…

Если же вы действительно цените качественное звуковоспроизведение, не омрачаемое всевозможными помехами из электросети — у нас есть готовое решение для вас: набор для самостоятельной сборки качественного сетевого фильтра для аудио-аппаратуры.

Или возможно, вы захотите подарить своему лучшему другу — меломану недорогой подарок, за который он будет вам искренне благодарен? 😉 Взвесьте все за и против, и примите верное решение! Сетевой фильтр в вопросах и ответах.

Сетевой фильтр – последний барьер в импульсном источнике питания

При использовании импульсного источника питания на его первичной стороне возникают кондуктивные помехи, которые проникают в питающую сеть и могут привести к сбоям другого оборудования, подключенного к этой же сети. Они могут наводиться на оборудование, которое получает питание от этой сети. Сетевые фильтры, подавляющие генерируемые радиопомехи, можно легко разработать с использованием пассивных компонентов, например сетевых дросселей с компенсацией токов утечки и конденсаторов X/Y. В статье описывается разработка однофазного сетевого фильтра.

Паразитные токи на входе импульсного источника питания

Паразитные токи создают падение напряжения радиопомех на компонентах электрической цепи. На рисунке 1 показано, как протекают эти токи в импульсном источнике питания.

Рис. 1. Паразитные токи на входе импульсного источника питания

Активная составляющая высокочастотного тока i_DM протекает через первичную цепь источника питания. Частота этого тока равна рабочей частоте импульсного регулятора, что приводит к появлению дифференциальной помехи. Из-за быстрых коммутационных процессов в полупроводниковых компонентах (как правило, в MOSFET), возникают высокочастотные колебания и паразитные эффекты. Дифференциальный ток протекает со стороны сети электропитания L через выпрямительный мост и по первичной обмотке изолирующего трансформатора, MOSFET и нейтральному проводнику возвращается в сеть. Ключ установлен на охлаждающий его радиатор, подключенный к защитному земляному проводнику РЕ.

Возникшая емкостная связь между радиатором и стоком ключа приводит к появлению синфазной помехи. Синфазный ток i_CM возвращается по заземляющей линии РЕ на вход импульсного источника питания, где снова через паразитную емкость создает помехи в линии L и нейтральной линии N.  Ток i_CM протекает по обеим линиям сетевого питания и выпрямительный мост, где снова наводит помеху на заземляющую линию РЕ из-за паразитной связи с радиатором.

Расчетный спектр шума

Выпрямленное сетевое напряжение прикладывается к участку сток–исток. Пиковый уровень этого напряжения определяется следующим образом:

V_P = 230 В • √2 = 325 В.

В рассматриваемом случае используется импульсный источник тока с частотой 100 кГц. На этой частоте синхросигналы следуют с интервалом 10 мкс, а их длительность составляет 2 мкс. Следовательно, коэффициент заполнения:

Исходя из того, что импульсы тока через выпрямительный мост имеют трапециевидную форму, можно приблизительно определить спектр ЭМС в отсутствие сетевого фильтра и без преобразования Фурье. Сначала установим первую угловую точку для спектральной плотности амплитуды.

Первая частота среза, ограничивающая спектральную плотность амплитуды, определяется следующим образом:

F_CO1 = n_CO1 • f_CLK = 1,592 • 100 кГц = 159,2 кГц.

Таким образом, можно определить амплитуду первой гармоники:

Предположив, что емкость паразитной связи CP между импульсным источником питания и заземлением равна 20 пФ, можно установить величину синфазного тока первой гармоники I_CM1:

Напряжение радиопомехи V_CM измеряется с помощью эквивалента цепи (LISN) и приемника для измерения ЭМС. Поскольку входной импеданс измерительного приемника величиной 50 Ом включен параллельно выходному импедансу эквивалента цепи 50 Ом, суммарный импеданс Z соединения равен 25 Ом. Рассчитаем измеряемое напряжение радиопомехи V_CM:

V_CM = Z ∙ I_CM1 = 25 Ом ∙ 2,6 мА = 0,065 В.

В единицах дБмкВ получаем:

Расчеты показывают, что возможно появление больших радиопомех. Для оценки их уровня можно воспользоваться, например, стандартом EN 55022. В диапазоне частот 0,15–0,5 МГц этот стандарт определяет допустимый квазипиковый уровень помех в пределах 66–56 дБмкВ. На рисунке 2 представлен результат измерения напряжения кондуктивной радиопомехи импульсного источника питания в отсутствие сетевого фильтра. Очевидно, что в данном случае без фильтра не обойтись.

Рис. 2. Напряжение радиопомехи в импульсном источнике питания без сетевого фильтра

Проектирование сетевого фильтра

На рисунке 3 представлена схема простого однофазного сетевого фильтра. Компания Würth Elektronik выпускает разные модели сетевых дросселей, в т. ч. серии WE-CMB, для реализации сетевых фильтров. Как правило, дроссель состоит из кольцевого марганцево‑цинкового сердечника с двумя раздельными обмотками, намотанными в противоположных направлениях.

Рис. 3. Однофазный сетевой фильтр

На рисунке 4 показан внешний вид дросселя WE-CMB. В этом случае он работает как катушка фильтра, которая противодействует току, уменьшая его амплитуду. Необходимо выбрать синфазный дроссель с как можно меньшей собственной резонансной частотой (СРЧ) в диапазоне самых низких частот, т. к. в рассматриваемом случае используется источник питания с очень низкой частотой импульсов. Выбор минимально возможной СРЧ обеспечивает хорошее подавление сигнала в диапазоне нижних частот.

Рис. 4. Внешний вид дросселя WE-CMB

На рисунке 5 представлена характеристика дросселя WE-CMB размером XS с индуктивностью 39 мГн в 50‑Ом системе.

Характеристики подавления помех в синфазном и дифференциальном режимах отличаются друг от друга (см. рис. 5). В синфазном режиме максимальная величина подавления сетевым дросселем WE-CMB достигается на частоте 150 кГц. Однако с дальнейшим увеличением частоты подавление ослабевает. Возникает необходимость в использовании конденсаторов X и Y, поскольку помеху следует подавлять до частоты 30 МГц. Конденсатор Х устанавливается до и после сетевого фильтра для блокирования дифференциальных помех со стороны сети и импульсного источника питания. Индуктивность рассеяния дросселя WE-CMB вкупе с конденсатором Х образует фильтр низкой частоты, который уменьшает дифференциальные помехи и последующие синфазные помехи.

Рис. 5. Характеристика подавления помех дросселем WE-CMB XS

В рассматриваемом случае были выбраны два конденсатора Х емкостью по 330 нФ. Их собственная резонансная частота составляет около 2 МГц.

Из соображений безопасности резистор следует установить на стороне электрической сети параллельно конденсатору Х, который будет разряжаться после отсоединения источника питания от сети. Перед сетевым фильтром также устанавливается варистор, чтобы закоротить перенапряжение в переходном процессе. С этой задачей успешно справятся дисковые варисторы серии WE-VD от Würth Elektronik. Для защиты от перегрузок перед варистором устанавливается плавкий предохранитель. Защита срабатывает в случае короткого замыкания варистора. Конденсаторы Y применяются для последующего подавления синфазных помех. В сочетании с дросселем WE-CMB они определяют частоту среза f₀ в соответствии с уравнением «Томсона»:

Чтобы уровень помех был ниже допустимого 66 дБмкВ (при 150 кГц), требуется обеспечить подавление величиной 40 дБ, что соответствует двум декадам в логарифмическом представлении. Для расчета емкости конденсатора Y используется преобразованное уравнение колебаний:

Поскольку требуются два конденсатора Y, расчетное значение делится пополам. Эти конденсаторы позволяют вернуть синфазную помеху от импульсного источника питания к заземлению. В зависимости от типа устройства допускается, чтобы ток утечки был в диапазоне 0,25–3,5 мА, а емкость не превышала 4,7 нФ. С учетом этих требований выбираются два конденсатора Y с номинальным значением емкости из ряда E12 и емкостью 2,2 нФ. На рисунке 6 представлен результат измерения схемы при использовании такого сетевого фильтра.

Рис. 6. Напряжение радиопомехи при использовании сетевого фильтра

Использование сетевого фильтра с расчетными параметрами позволяет успешно пройти испытания на подавление напряжения помехи. Разность между соответствующими предельными значениями помехи и результатами измерений квазипиковых и средних значений на частоте 150 кГц превышает 10 дБ. Эта величина значительно возрастает в остальной части отведенного диапазона.

Оптимизация сетевого фильтра

Чтобы в еще больше мере обеспечить подавление помехи в диапазоне нижних частот, можно заменить два конденсатора Х емкостью 330 нФ двумя конденсаторами Х емкостью 1,5 мкФ. На рисунке 7 представлены результаты измерения схемы с оптимизированным сетевым фильтром.

Рис. 7. Напряжение радиопомехи в схеме с оптимизированным сетевым фильтром

В результате изменения емкости конденсаторов напряжение радиопомехи в диапазоне нижних частот уменьшилось приблизительно на 15 дБ, что увеличило отношение сигнала к шуму.

Использование сетевого фильтра без дросселя

Часто на начальных этапах проектирования возникает соблазн обойтись без синфазного дросселя, задействовав только конденсаторы Х и Y. Однако такой подход не соответствует принципу использования сетевого фильтра для нейтрализации тока помехи с помощью элемента фильтра с большим импедансом. На рисунке 8 представлены результаты измерения напряжения радиопомехи в схеме с тем же фильтром, но без синфазного дросселя.

Рис. 8. Напряжение радиопомехи в схеме с сетевым фильтром без дросселя WE-CMB

Как и ожидалось, в отсутствие сетевого дросселя WE-CMB радиопомехи в диапазоне нижних частот в значительной мере увеличиваются. На 200 кГц квазипиковое значение уровня помех составляет около 78 дБмкВ, а средняя величина – 60 дБмкВ. Результаты измерений квазипиковых и средних значений показывают, что уровень помех превышает допустимый до частоты 600 кГц. Таким образом, использование сетевого фильтра без дросселя недопустимо.

Дополнительный дифференциальный фильтр

Если дросселя WE-CMB и конденсаторов Х недостаточно для подавления дифференциальной помехи, используется дополнительный дифференциальный фильтр, состоящий из двух последовательно соединенных катушек. На рисунке 9 показана схема такого сетевого фильтра.

Рис. 9. Сетевой фильтр с дросселем WE-CMB and WE-TI HV

Катушки серий WE-TI HV и WE-PD2 HV или WE-SD компании Würth Elektronik в полной мере пригодны для подавления в дифференциальном режиме. В случае ВЧ-помех рекомендуется использовать компоненты серии WE-UKW. Для расчета параметров этих катушек применяется уравнение «Томсона». Если необходимо, чтобы каждая катушка обеспечила подавление 40 дБ на декаду, частота среза должна составлять 1/10 от рабочей частоты. Для расчета катушки используются то же значение емкости конденсаторов Х:

Поскольку катушки для подавления дифференциального тока установлены последовательно, расчетная величина делится надвое. Ближайшее наибольшее значение индуктивности WE-TI HV равно 470 мкГн. При выборе катушки для подавления дифференциальных помех ее номинальный ток должен намного превышать номинальный ток импульсного источника питания.

Выводы

Итак, импульсному источнику питания недостаточно сетевого фильтра без синфазного дросселя. Одни только конденсаторы не способны полностью подавить излучение помех – перед сетевым фильтром необходимо установить дополнительные дроссели, которые помогают подавить дифференциальный шум. При использовании сетевого фильтра уровень всех помех становится ниже допустимого значения, что позволяет импульсному источнику питания успешно пройти испытания на электромагнитную совместимость.

о волшебных розетках, “чудо-фильтрах”, и “вреде” импульсных блоков питания / Блог компании Pult.ru / Хабр

Итак, в очередном обзоре аудиорелигиозных предрассудков коснемся темы питания усилителей. Классическая догма аудиорелигии гласит, что блоки питания усилителей способны сделать звук ужасным или, напротив, значительно его улучшить. Аналогичным влиянием на звук, по мнению уверовавших в аудиобогов, обладают сетевые фильтры и розетки, которые также способны подавать в усилитель более “чистое” электричество, тем самым значительно улучшать верность воспроизведения. Под катом обзор наиболее распространенных филофонистических представлений о блоках питания усилителей, аудиофильских розетках и сетевых фильтрах.

Напоминаю, что в этом юмористическом цикле мы иронично обозреваем некоторые абсурдные аудиопредрассудки и алогичные решения для аудиофильских устройств. Мы ничего не разоблачаем и никого не учим, оставляя людям право заблуждаться. Для рассмотрения значимых вопросов верности воспроизведения у нас есть другой цикл -«Аудиофилькина грамота».

Sonus lumine veritatis

Основным фактором, который должен заботить аудиофила в блоке питания устройства, по мнению адептов “чистого электричества”, является принципиальная схема устройства. Аргументация зиждется на следующих тезисах: еретические импульсные блоки питают усилители неправильным, загрязненным электричеством, из плохих китайских розеток и не одухотворенных священной стоимостью сетевых фильтров. Также иногда звучит максима: «Настоящий звук» не получить без бесперебойника. Импульсники, плохие розетки и китайские фильтры совершенно чудовищно портят звук жуткими помехами и искажениями, которые приносит то самое “грязное” электричество из не аудиофильской электрической сети общего пользования.

Блоки питания

Аргументация на форумах и в специфических постах самая разнообразная, от имеющих место (на самом деле в некоторых бюджетных устройствах) высокочастотных помех от плохо спроектированных импульсных БП, которые приписываются поголовно всем БП этого типа, до совершенно сюрреалистических, паранаучных, эзотерико-метафизических аргументов о “неправильном” поведении электронов в “неправильных” проводниках и значимой роли “синусоидального” питания для верности воспроизведения усилителя.

Если свести все филофонистические претензии к импульсным БП, можно вывести следующее правило:

“Ужасные импульсные блоки питания, построенные на безбожных кремниевых микросхемах, насыщают сигнал вредными искажениями и генерируют шумы, которые портят полезный сигнал”.

К такой аргументации обычно добавляют ссылки на многочисленные упоминания о том, что импульсные блоки способны быть генераторами наводок, а также обязательное упоминание о том, что в бюджетных устройствах и устройствах среднего класса заметить разницу невозможно, но вот в приснопамятном хайэнде, там-то обязательно вылезет боком вся электрическая “грязь”.

И можно даже сказать, что последний тезис не лишен смысла, так как хай энд нередко занимаются малоизвестные компании с полуграмотными инженерами, которые иногда просто не способны создать хорошо работающий импульсный блок питания, от чего и возникают схемотехнические мифы. Значительно проще оборудовать очередной ламповый однотактный шедевр без ООС, и с КПД 0,001%, огромным трансформатором питания, размером с пол усилителя, а иногда и в две трети и огромной массой за счет трансформатора и радиатора охлаждения. Ведь в сознании аудиофилов инженеры любимой компании — полубоги их пантеона, а соответственно, они априори не могут предлагать малоэффективное и нелогичное решение. Позиция крайне удобная и позволяет ежегодно продавать тонны меди.

Розетки и фильтры

Любую проблему верности воспроизведения, согласно постулатам аудиорелигии, можно также спихнуть на проблемы местной электрики. Для этого электричество в сетях общего пользования объявляется грязным и недостаточно аудиофильским, способным вносить помехи в сигнал. Для того, чтобы эти помехи не появлялись, рекомендуется обязательно применять именно аудиофильские сетевые фильтры и розетки, а в идеале специальные источники бесперебойного питания, как вы, наверно, уже догадались, аудиофильские. Стоимость последних может в 10, а иногда в сто раз превышать не аудиофильские. Совершенно естественно, что разницу в звучании можно заметить исключительно при использовании аппаратуры высокого класса и не менее высокой стоимости.

Относительно бесперебойных источников питания с аккумулятором высокой ёмкости, следует отметить, что они действительно используются профессионалами в студиях, так как внезапные проблемы с сетью в студии при записи ответственного трека могут принести ей немалые убытки, от чего стараются застраховаться, используя бесперебойник. Фильтры (даже самые недорогие и примитивные) действительно способны предотвратить некоторые помехи, связанные с сетью. Интересно, что в не аудиофильской схемотехнике чаще стремятся устранить сетевые помехи, которые может вызывать сам усилитель, а не наоборот.

Почему аудиофилы действительно слышат разницу?

Интереснее всего то, что адепты божественного звука действительно слышат разницу при замене розеток, сетевых фильтров, импульсных блоков на классические трансформаторные. И дело тут совсем не в физике звука. Органом, отвечающим за восприятие, в том числе той информации, которую мы слышим, является мозг. Любое восприятие в той или иной степени субъективно, а это значит, что на него способны повлиять, в числе прочего, и заблуждения слушателя.

Таким образом, зная, что система подключена к сети при помощи контактов из чистого родия, через сетевой фильтр стоимостью от 500 до 1000 USD, а усилитель питается от классического трансформаторного БП, возникает убежденность в том, что звук станет лучше. Это идеальная почва для возникновения стойкой когнитивной иллюзии. Я не раз убеждался, что иллюзии такого плана для тех, кто их испытывает, значительно реальнее самой правдивой действительности, так как в основе лежит не только искреннее заблуждение, но и две, а то и три тысячи долларов, потраченных на приобретение иллюзорного результата.

Сухой остаток

Тип блока питания, стоимость фильтра и даже розетки действительно существенно влияют на звук, в том случае если в такое влияние верит тот, кто их купил. Неправильно спроектированный блок питания может существенно испортить звук, это касается как импульсных, так и трансформаторных. Трансоформаторные блоки огромные, тяжелые и очень быстро нагреваются. Для предотвращения маловероятных сетевых помех достаточно самого обычного сетевого фильтра. Бесперебойник имеет смысл использовать в студии, дома от него не много пользы и на качество звука он никак не влияет.

Также в тему рекомендую следующие

Реклама

В нашем каталоге представлен широкий ассортимент разнообразной электроники: наушников, усилителей, акустических систем, телевизоров и других устройств, мы также не обошли стороной приверженцев божественного звука. У нас можно приобрести розетки, сетевые фильтры и другие устройства, которые позиционируются производителями, как специально предназначенные для аудиофильской аппаратуры.

Снижение шума импульсного регулятора с LC-фильтром

Для снижения шума переключения могут использоваться различные методы фильтрации
регулятор. Особенно хорошо работает LC-фильтр с индуктором.
последовательно с потоком мощности и конденсатором от отфильтрованного напряжения
К земле, приземляться. Этот тип LC-фильтра создает двойной полюс в частотном диапазоне.
домен. В зависимости от значений L и C, угловая частота — в данном случае двухполюсная — может быть установлена таким образом, чтобы уменьшить шум.
от частоты переключения и частоты переключения
импульсного источника питания.Дополнительная LC-цепь функционирует как
фильтр нижних частот.

Когда возникает проблема шума в чувствительном электронном оборудовании с питанием от
импульсный источник питания, фильтр, состоящий из L2 и C3, часто может быть
(Рисунок 1). Выходное напряжение блока питания фильтруется
LC-фильтр. Высокочастотный шум, возникающий из-за частоты переключения,
обычно между 500 кГц и 3 МГц, а также от коммутационного перехода
частота, обычно от 50 до 200 МГц, ослабляется.

Рисунок 1.Понижающий регулятор для питания чувствительных к шуму нагрузок с LC-фильтром на выходе.

Расположение дополнительного фильтра в цепи очень важно для
успешная фильтрация. Интуитивно можно было бы поместить этот фильтр между выходными
импульсного источника питания и чувствительной нагрузки. Такой чувствительный
Нагрузкой может быть АЦП высокого разрешения, ЦАП, операционный усилитель с низким уровнем сигнала или
чувствительный ГУН или ФАПЧ для ВЧ схем. Любые пульсации напряжения на выходе
понижающий стабилизатор будет ослаблен дополнительным фильтром.Пока рябь
напряжение появляется в узле A (рисунок 1), шум будет намного ниже в узле B.

Однако, если импульсный источник питания представляет собой понижающий стабилизатор,
а дополнительный LC-фильтр находится на входе импульсного регулятора.
возможно большее снижение шума, чем выход. Это показано
на рисунке 2. Причина этого в том, что топология понижающей передачи имеет относительно мало
шум на выходной стороне. Катушка индуктивности (L1 на рисунке 2) включена последовательно с
выходной путь (узел A).Этот узел будет испытывать некоторую пульсацию напряжения,
но амплитуда обычно составляет всего несколько мВ. Точное значение зависит от
используемая частота переключения, значения входного и выходного напряжения и
особенно выбранные значения компонентов L1 и C2.

Рис. 2. Часто дополнительный входной фильтр снижает шум системы намного больше, чем фильтр на выходе

Однако входная сторона понижающей топологии очень шумная. Когда переключатель S1
выключен, в понижающий стабилизатор ток не поступает. Когда переключатель S1 включен,
полный ток течет в цепь.Входной конденсатор С1 помогает уменьшить
этот интенсивный ток немного меняется. Тем не менее, шум на входе намного выше.

Шум на входе понижающего регулятора электрически не связан с
чувствительная нагрузка. Однако в обычных схемах много муфт.
механизмы для такого шума. Быстрые переменные токи на входе
понижающего каскада часто проложены на монтажной плате на большие расстояния. В
изменяющиеся токи могут индуктивно влиять на другие части цепи
и, в конечном итоге, вызывают шум в цепи чувствительной нагрузки.

Причина, по которой фильтр на входе более эффективен в снижении шума, чем
выходной фильтр специфичен для понижающей топологии. Другие топологии, например
в качестве усиления или обратного хода приводят к высокому шуму на выходной стороне. Как результат,
дополнительный LC-фильтр на выходной стороне необходим для снижения шума.

Не секрет, что при питании чувствительных нагрузок дополнительная фильтрация
Импульсный источник питания имеет большой смысл. Шум можно уменьшить
эффективно с таким фильтром.Многие дизайнеры не понимают, что в
в некоторых ситуациях, особенно с понижающими регуляторами, очень важно фильтровать
сторона входа для лучшей производительности. Интуитивно сначала нужно взглянуть на
узел между понижающим регулятором и нагрузкой, на которую подается питание.

Как объясняется в статье, это тот случай, когда наша интуиция не
направьте нас к лучшему решению. Всегда смотрите на узлы, где чередуются
токи, также называемые контурами нагрева, возникают и устанавливают дополнительную фильтрацию
там.Таким образом, шум переключения эффективно снижается.

Разработка выходных фильтров второго каскада для импульсных источников питания

В наши дни импульсные источники питания почти повсеместны и используются во всех электронных устройствах. Их ценят за небольшие размеры, невысокую стоимость и эффективность. Однако у них есть главный недостаток в том, что их выходы могут быть шумными из-за высоких переходных процессов при переключении. Это держало их подальше от высокопроизводительных аналоговых схем, где линейные регуляторы преобладали.Было показано, что во многих приложениях переключающий преобразователь с соответствующей фильтрацией может заменить линейный регулятор для создания источника питания с низким уровнем шума. Даже в тех требовательных приложениях, где требуется чрезвычайно низкий уровень шума, вероятно, есть коммутационная схема где-то выше по цепочке в дереве мощности. Следовательно, существует потребность в разработке оптимизированных многоступенчатых фильтров с демпфированием для очистки выходного сигнала от импульсных преобразователей мощности. Кроме того, важно понимать, как конструкция фильтра повлияет на компенсацию импульсного преобразователя мощности.

В этой статье для примеров схем будут использоваться схемы повышения напряжения, но результаты будут непосредственно применимы к любому преобразователю постоянного тока в постоянный. На рисунке 1 показаны основные формы сигналов в повышающем преобразователе в режиме постоянного тока (CCM).

Рис. 1. Основные формы сигналов напряжения и тока повышающего преобразователя.

Проблема, которая делает выходной фильтр настолько важным для повышения или любой другой топологии с режимом прерывистого тока, — это быстрое увеличение и уменьшение текущего времени в коммутаторе B. Это приводит к появлению паразитных индуктивностей в переключателе, схеме и выходных конденсаторах. В результате в реальном мире формы выходных сигналов больше похожи на рисунок 2, чем на рисунок 1, даже с хорошей компоновкой и керамическими выходными конденсаторами.

Рис. 2. Типичные измеренные формы сигналов повышающего преобразователя в DCM.

Пульсации переключения (на частоте переключения), вызванные изменением заряда конденсатора, очень малы по сравнению с незатухающим звоном выходного переключателя, который мы будем называть выходным шумом.Обычно этот выходной шум находится в диапазоне от 10 МГц до 100+ МГц, что значительно превышает собственную резонансную частоту большинства керамических выходных конденсаторов. Поэтому добавление дополнительных конденсаторов мало что сделает для ослабления шума.

Есть несколько разумных вариантов для различных типов фильтров для фильтрации этого вывода. В этой статье будет проиллюстрирован каждый тип фильтра и дан пошаговый процесс создания дизайна. Уравнения не являются строгими, и для их некоторого упрощения сделаны некоторые разумные предположения.По-прежнему требуется некоторая итерация, поскольку каждый компонент будет влиять на значения других. Инструменты проектирования ADIsimPower позволяют обойти эту проблему, используя линеаризованные уравнения для значений компонентов, таких как стоимость или размер, чтобы выполнить оптимизацию до выбора фактических компонентов, а затем оптимизировать выходные данные после того, как реальные компоненты будут выбраны из базы данных, содержащей тысячи деталей. Однако для первого этапа проектирования этот уровень сложности необязателен. С помощью предоставленных расчетов и, возможно, использования симулятора SIMPLIS, такого как бесплатный ADIsimPE ^™, или некоторого времени в лаборатории, можно найти удовлетворительный дизайн с минимальными усилиями.

Перед проектированием фильтра подумайте, чего можно достичь с помощью одноступенчатого фильтра RC или LC. Обычно с фильтром второго каскада разумно снизить пульсацию до нескольких сотен мкВ пик-пик, а шум переключения — ниже 1 мВ пик-пик. Понижающий преобразователь можно сделать несколько тише, поскольку силовой индуктор обеспечивает значительную фильтрацию. Эти ограничения связаны с тем, что как только пульсации в мкВ уменьшаются, компоненты паразитируют, и шумовая связь между каскадами фильтра начинает становиться ограничивающими факторами.Если требуются даже более тихие источники питания, можно добавить фильтр третьей ступени. Однако импульсные источники питания обычно не имеют самых тихих эталонов и также страдают от шума джиттера. Оба они приводят к низкочастотному шуму (от 1 Гц до 100 кГц), который нелегко отфильтровать. Следовательно, для источников с очень низким уровнем шума может быть лучше использовать единственный фильтр второй ступени, а затем добавить LDO к выходу.

Прежде чем углубляться в более подробный процесс проектирования для каждого типа фильтра, некоторые значения, которые будут использоваться в процессе проектирования для каждого из типов фильтров, определены следующим образом:

Δ I _PP : Приблизительный размах тока, поступающего на выходной фильтр. Для расчетов мы предполагаем, что он синусоидальный. Значение будет зависеть от топологии. Для понижающего преобразователя это полный размах тока в катушке индуктивности. Для повышающего преобразователя это пиковый ток в переключателе B (часто на диоде).

Δ В ^RIP _OUT : Приблизительная пульсация выходного напряжения на частоте переключения преобразователя.

R _ESR : ESR выбранного выходного конденсатора.

F _SW : Частота коммутации преобразователя.

C _RIP : Выходной конденсатор рассчитан с учетом всех протеканий Δ I _PP.

Δ V ^TRAN _OUT : изменение V _OUT, когда I _STEP применяется к выходу.

I _STEP : мгновенное изменение выходной нагрузки.

T _STEP : Примерное время реакции преобразователя на мгновенное изменение выходной нагрузки.

F _u : Частота кроссовера преобразователя. Для доллара это обычно F _SW ⁄10. Для повышающего преобразователя или понижающего преобразователя повышающего типа он обычно находится примерно в одной трети от положения нуля правой полуплоскости (RHPZ).

Простейшим типом фильтра является просто RC-фильтр, как показано на рисунке 3, подключенный к выходу низковольтной схемы повышения напряжения на основе ADP161x. Преимущество этого фильтра заключается в низкой стоимости и его не нужно демпфировать.Однако из-за рассеивания мощности он используется только для преобразователей с очень низким выходным током. В этой статье предполагаются керамические конденсаторы с малым ESR.

Рис. 3. Конструкция повышающего преобразователя низкого выходного тока ADP161x с добавленным RC-фильтром на выходе.

Процесс проектирования выходного RC-фильтра второй ступени

Шаг 1: Выберите C ₁, исходя из предположения, что пульсация вывода значения на C ₁ приблизительно игнорирует остальную часть фильтра; От 5 мВ до 20 мВ (размах) — хорошее место для начала. Затем C ₁ можно рассчитать с использованием уравнения 1.

Шаг 2: R можно выбрать в зависимости от рассеиваемой мощности. R должно быть намного больше, чем R _ESR, чтобы конденсаторы и этот фильтр был эффективным. Это ограничивает диапазон выходных токов до значения менее 50 мА или около того.

Шаг 3: C ₂ затем можно рассчитать по уравнениям 2-6. A, a, b и c — это просто промежуточные значения для упрощения расчета и не имеют физического смысла. Эти уравнения предполагают, что R << R _{НАГРУЗКА}, а ESR для каждого конденсатора невелик.Оба эти предположения являются очень хорошими и вносят небольшую ошибку. C ₂ должен быть таким же или большим, чем C ₁. Чтобы это стало возможным, можно отрегулировать рябь на шаге 1.

Для источников более высокого тока целесообразно заменить резистор в пи-фильтре катушкой индуктивности, как показано на рисунке 4. Эта конфигурация обеспечивает очень хорошее подавление пульсаций и шума переключения в дополнение к низким потерям мощности. Проблема в том, что теперь мы ввели дополнительный контур резервуара, который может резонировать.Это может привести к колебаниям и нестабильному электроснабжению. Таким образом, первый шаг к созданию этого фильтра — выбрать способ демпфирования фильтра. На рисунке 4 показаны три эффективных метода демпфирования. Добавление R _FILT имеет то преимущество, что добавляет небольшие дополнительные расходы или размер. Демпфирующий резистор обычно практически не имеет потерь и может быть небольшим даже для больших источников питания. Недостатком является то, что он значительно снижает эффективность фильтра за счет уменьшения параллельного импеданса с катушкой индуктивности.Метод 2 имеет преимущество в максимальном увеличении производительности фильтра. Если требуется полностью керамическая конструкция, R _D может быть дискретным резистором, включенным последовательно с керамическим конденсатором. В противном случае требуется физически большой конденсатор с высоким ESR. Эта дополнительная емкость (C _D) может значительно увеличить стоимость и размер конструкции. Метод демпфирования 3 выглядит очень выгодным, поскольку демпфирующий конденсатор C _E добавлен к выходу, где он может в некоторой степени помочь с переходной характеристикой и пульсациями на выходе.Однако это наиболее дорогостоящий метод, поскольку требуется гораздо больше емкости. Кроме того, относительно большая емкость на выходе снизит частоту резонанса фильтра, что уменьшит достижимую полосу пропускания преобразователя, поэтому метод 3 не рекомендуется. Для инструментов проектирования ADIsimPower мы используем технику 1 из-за низкой стоимости и относительной простоты внедрения в автоматизированный процесс проектирования.

Рис. 4. ADP1621 с выходным фильтром с выделенными несколькими различными методами демпфирования.

Еще одна проблема, которую необходимо решить, — это компенсация. Это может показаться нелогичным, но почти всегда лучше поместить фильтр в контур обратной связи. Это связано с тем, что включение его в контур обратной связи помогает несколько ослабить фильтр, исключает смещение нагрузки по постоянному току и последовательное сопротивление фильтра, а также дает лучший переходный отклик с меньшим звоном. На рисунке 5 показан график Боде для повышающего преобразователя с выходом LC-фильтра, добавленным к выходу.

Рисунок 5.Графики фазы и усиления повышающего преобразователя с LC-фильтром на выходе.

Обратная связь снимается до или после катушки индуктивности фильтра. Что больше всего удивляет людей, так это то, насколько сильно меняется график Боде без обратной связи, даже когда фильтр не находится «в» контуре обратной связи. Поскольку на контур управления влияет фильтр в контуре обратной связи или без него, его можно было бы соответствующим образом компенсировать. Как правило, это будет означать уменьшение целевой частоты кроссовера до максимальной от одной пятой до одной десятой резонансной частоты фильтра (F _RES).

Процесс разработки этого типа фильтра является итеративным по своей природе, поскольку выбор каждого компонента управляет выбором других.

Процесс проектирования LC-фильтра с использованием параллельного резистивного демпфирования (метод 1 на рисунке 4)

Шаг 1: Выберите C ₁, как если бы на выходе не было выходного фильтра. От 5 до 20 мВ размах — хорошее место для начала. Затем C ₁ можно рассчитать с использованием уравнения 8.

Шаг 2: Выберите индуктор L _FILT.Исходя из опыта, хорошее значение составляет от 0,5 мкФ до 2,2 мкФ. Катушку индуктивности следует выбирать с учетом высокой собственной резонансной частоты (SRF). Катушки индуктивности большего размера имеют большие SRF, что означает, что они менее эффективны для фильтрации высокочастотного шума. Катушки индуктивности меньшего размера не так сильно влияют на пульсации и потребуют большей емкости. Чем выше частота переключения, тем меньше может быть индуктор. При сравнении двух катушек индуктивности с одинаковой индуктивностью, деталь с более высоким SRF будет иметь меньшую межобмоточную емкость.Межобмоточные емкости действуют как короткое замыкание вокруг фильтра для высокочастотного шума.

Шаг 3: Как описано ранее, добавление фильтра повлияет на компенсацию преобразователя за счет уменьшения достижимой частоты кроссовера (F _и). Для преобразования токового режима максимально достижимое значение F _и является меньшим из 1/10 частоты переключения или 1/5 значения F _RES фильтра, как вычислено в уравнении 7. К счастью, большинство аналоговых нагрузок это делают. не требует исключительно высокой переходной характеристики.Уравнение 9 вычисляет приблизительную выходную емкость (C _BW), необходимую на выходе преобразователя для обеспечения заданного переходного скачка тока.

Шаг 4: Установите C ₂ как минимум C _BW и C ₁.

Шаг 5: Рассчитайте приблизительное сопротивление демпфирующего фильтра, используя уравнение 10 и уравнение 11. Эти уравнения не являются абсолютно точными, но они наиболее близки к решению в замкнутой форме без необходимости использования обширной алгебры.Инструменты проектирования ADIsimPower рассчитывают R _FILT путем вычисления передаточной функции без обратной связи (OLTF) преобразователя с фильтром и с замкнутой катушкой индуктивности. Значения R _FILT затем угадываются до тех пор, пока пик OLTF преобразователя с фильтром не станет всего на 10 дБ выше OLTF преобразователя с закороченной катушкой индуктивности. Этот метод можно использовать в симуляторе, таком как ADIsimPE, или в лаборатории с использованием анализатора спектра.

Шаг 6: C ₂ теперь можно рассчитать, используя уравнения с 12 по 15.a, b, c и d используются для упрощения уравнения 16.

Шаг 7: Шаги 3–5 следует повторять до тех пор, пока не будет рассчитана конструкция фильтра с хорошим демпфированием, отвечающая требуемым характеристикам пульсаций и переходных процессов. Следует отметить, что эти уравнения не учитывают последовательное сопротивление постоянного тока катушки индуктивности фильтра R _DCR. Это сопротивление может быть весьма значительным для источников питания с более низким током. Он улучшает характеристики фильтра, помогая ослабить фильтр, что увеличивает необходимое R _FILT и увеличивает сопротивление фильтра. Оба эффекта могут значительно улучшить производительность фильтра. Поэтому для требований к низкому уровню шума может быть очень полезно компенсировать небольшую потерю мощности в L _FILT для улучшения шумовых характеристик. Потери в сердечнике в L _FILT также помогают ослабить некоторые высокочастотные шумы. Следовательно, сильноточные сердечники из порошкового железа могут быть хорошим выбором. Они также имеют тенденцию быть меньше и дешевле при тех же текущих возможностях. ADIsimPower, конечно, учитывает как сопротивление катушки индуктивности фильтра, так и ESR двух конденсаторов для максимальной точности.

Шаг 8: Выбирая фактические компоненты для соответствия расчетным значениям, не забудьте уменьшить емкость любых керамических конденсаторов, чтобы учесть смещение постоянного тока!

Как указывалось ранее, на рисунке 4 показаны два эффективных метода демпфирования фильтра. Если вместо параллельного резистора можно выбрать конденсатор C _D для демпфирования фильтра. Это добавит некоторых затрат, но обеспечит лучшую производительность фильтрации среди всех методов.

Процесс проектирования LC-фильтра с использованием RC-демпфирующей сети (метод 2 на рисунке 4)

Шаг 1: Как и в предыдущей топологии, выберите C ₁, как будто не будет выходного фильтра.От 10 мВ до 100 мВ от пика до пика — хорошее место для начала, в зависимости от конечной целевой пульсации на выходе. Затем C ₁ можно вычислить с использованием уравнения 8. C ₁ может быть меньше в этой топологии, чем предыдущие топологии, потому что фильтр более эффективен.

Шаг 2: Как и в предыдущей топологии, выбирается индуктор от 0,5 мкГн до 2,2 мкГн. 1 мкГн — хорошее значение для преобразователей от 500 кГц до 1200 кГц.

Шаг 3: Как и раньше, C ₂ можно выбрать из уравнения 16, но с R _FILT, установленным на что-то большое, например 1 МОм, поскольку он не будет заполнен.Причина того, что это такое же значение, несмотря на то, что C ₁ имеет дополнительный конденсатор, заключается в том, что для обеспечения хорошего демпфирования R _D будет достаточно большим, чтобы C _D не уменьшил значительно пульсации. Установите C ₂ в качестве минимума расчетного значения C ₂, C _BW и C ₁. На этом этапе может быть полезно вернуться к шагу 1 и отрегулировать пульсацию, принятую для C ₁, чтобы получить расчетное значение C ₂, которое ближе к C _BW и C ₁.

Шаг 4: C _D следует установить на то же значение, что и C ₁. Теоретически вы можете добиться большего демпфирования фильтра, используя большую емкость, но это без нужды увеличивает стоимость и размер, а также может уменьшить полосу пропускания преобразователя.

Шаг 5: R _D можно рассчитать по уравнению 17. F _RES рассчитывается с использованием уравнения 7, игнорируя присутствие C _D. Это хорошее приближение, поскольку Rd обычно достаточно велико, чтобы C _D мало влияло на расположение резонанса фильтра.

Шаг 6: Теперь, когда рассчитаны как C _D, так и R _D, можно использовать либо керамический конденсатор с последовательным сопротивлением, либо танталовый или аналогичный конденсатор с большим ESR, который соответствует расчетным характеристикам.

Шаг 7: Выбирая фактические компоненты для соответствия расчетным значениям, не забудьте уменьшить емкость любых керамических конденсаторов, чтобы учесть смещение постоянного тока!

Другой метод фильтрации заключается в замене L в предыдущем фильтре ферритовым шариком.Однако эта схема имеет много недостатков, которые ограничивают ее эффективность при фильтрации шума переключения и почти ничего не делают для пульсации переключения. Во-первых, насыщенность. Ферритовый шарик насыщается при очень низком уровне тока смещения, а это означает, что феррит будет давать гораздо более низкий импеданс, чем показано на кривых нулевого смещения, приведенных во всех технических паспортах. Он все еще может нуждаться в демпфировании, поскольку он все еще является индуктором и, следовательно, может резонировать с выходной емкостью. Однако теперь индуктивность переменная и плохо охарактеризована в очень минимальных данных, представленных в большинстве технических паспортов.По этой причине ферритовые бусины не рекомендуются для использования в качестве фильтра второй ступени, но могут использоваться после фильтра для дальнейшего снижения очень высокочастотного шума.

Заключение

В этой статье представлено несколько методов фильтрации выходных сигналов для импульсных источников питания. Для каждой топологии был разработан пошаговый процесс проектирования, чтобы уменьшить количество предположений и проверок, необходимых для проектирования фильтра. Уравнения были несколько упрощены, поэтому они могут быть полезны инженерам, которые хотят быстро спроектировать их, понимая, чего можно достичь с помощью выходного фильтра второго каскада.

3 способа снижения шума источника питания

>> Ресурсы веб-сайта
.. >> Библиотека: TechXchange
.. .. >> TechXchange: EMI / EMC / Noise

Шум — постоянная проблема при проектировании источников питания. Хотя существуют ограничения FCC на электромагнитные помехи (EMI), излучаемые в воздух, а также на кондуктивный шум, который ваша конструкция вводит обратно на свой вход, ваша первая проблема с шумом — это достаточно низкий уровень шума на ваших выходах.

Пульсация и шум

Некоторые инженеры различают пульсации на выходе и шум на выходе. Оба явления представляют собой нежелательный сигнал, наложенный на чистый идеальный выход постоянного тока (рис. 1) . Источником пульсаций является периодическая входная частота, а также частота переключения управляющей микросхемы. Источник переменного / постоянного тока будет иметь входную частоту 50, 60 или, возможно, 400 Гц. Независимо от того, насколько хороша коммутационная микросхема, которую вы используете, небольшая часть этой частоты будет просачиваться через схему переключения.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275fbf6d5f267ee216e18» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Электронный дизайн Сайты Электронный дизайн com Файлы Рис. 1 Элемент шума источника питания14pp «data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/11/electronicdesign_com_sites_electronicdesign. com_files_Figure_1_Power_supply_noise_Element14 max & w = 1440 «data-embed-caption =» «]}%

1.В самом общем смысле шум источника питания представляет собой комбинацию нежелательных периодических пульсаций и всплесков в сочетании со случайным шумом от устройств или внешних источников. (Предоставлено Element14 / Newark)

Величина пульсации, относящейся к входу, будет регулироваться линейными правилами вашего проекта. Это похоже на концепцию коэффициента отклонения источника питания (PSRR) — какую часть входного сигнала линейный регулятор пропускает на выход. Это не только функция микросхемы управления, но и работа всей схемы.

PSRR 60 дБ означает, что любое отклонение на входе будет ослаблено на 1000 на выходе. Первичный способ улучшить регулирование линии — увеличить коэффициент усиления цепи управления. Чем выше коэффициент усиления контура управления, тем меньше ошибка на выходе; входная пульсация — это еще одна ошибка, с которой должен справиться цикл. Вы также можете использовать входные конденсаторы большего размера, которые уменьшат пульсации на входной шине постоянного тока, поэтому PSRR контура управления будет применяться к меньшему отклонению.

Поверх любой собственной пульсации на выходе будет случайный шум, генерируемый опорным напряжением управляющей микросхемы и всеми другими источниками теплового, дробового и фликкер-шума. Есть три распространенных способа справиться с этим шумом, которые также часто помогают с рябью:

Фильтрация

Вы можете использовать фильтр для удаления шума из источника питания так же, как вы используете фильтры для удаления шума из сигнала. В самом деле, вы можете рассматривать выходные конденсаторы как часть фильтра, которая реагирует на выходное сопротивление цепи источника питания.Увеличение значения выходной емкости снизит шум.

Имейте в виду, что конденсаторы имеют как эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), так и эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) (рис. 2) . Выбор конденсаторов с более низким ESR и ESL снизит шум, но будьте осторожны, некоторые схемы питания используют ESR для подачи сигнала ошибки для обратной связи. Если вы его радикально уменьшите, например, заменив электролитические конденсаторы на керамические, вы можете сделать ваш блок питания нестабильным.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275fbf6d5f267ee216e1a» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Электронный дизайн Com Sites Electronicdesign com Файлы Рисунок 2 Модель крышки Lt Wiki org «data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/11/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_Figure_2_Cap_model_LTWiki.org_ = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» «]}%

2. Конденсаторы содержат много паразитных элементов, как показано на этой эквивалентной схеме Spice.Lser и Rser на этой схеме представляют эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Элементы Cpar, Rpar и RLshunt обычно незначительны в большинстве схемотехнических приложений. (Любезно предоставлено LTWiki.org)

В дополнение к естественной выходной емкости источника питания вы можете добавить индуктивность и еще один конденсатор фильтра для дальнейшего снижения выходного шума. (Рис. 3) . Катушка индуктивности пропускает постоянный ток с незначительными потерями, обеспечивая при этом высокочастотный импеданс, на который конденсатор может реагировать, чтобы отфильтровать шум.По сути, вы увеличиваете выходное сопротивление высокочастотного источника питания, чтобы его можно было более эффективно фильтровать с помощью конденсаторов меньшего размера.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275fbf6d5f267ee216e1c» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Электронный дизайн Com Sites Electronicdesign com Файлы Рисунок 3 Rlc Low Pass svg Wikimedia «data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/11/electronicdesign_com_sites_electronicdesign. com_files_Figure_3_RLC_low_pass.svg_Wikimedia.png? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» «]}%

3. Чтобы снизить уровень шума шины питания от нагрузки (R _L), вы можете сделать L-C фильтр нижних частот. (С любезного разрешения Викимедиа)

Проблема с добавлением LC-контуров заключается в том, что они имеют собственную резонансную частоту. Таким образом, это может сделать вашу подачу нестабильной или вызвать неприемлемый сигнал после переходных изменений нагрузки. Если источник питания обеспечивает низкие токи, вы можете использовать резистор вместо катушки индуктивности.Это создаст термин потерь постоянного тока, но резистор также добавляет демпфирование к вашему выходному фильтру.

Одним из фильтров, используемых для переключения пиков и других высокочастотных выходных шумов, являются ферритовые шарики. Магнитная связь с выходной дорожкой или проводом и валиком ослабит шум. Другим источником выходного шума может быть электромагнитная связь с внешним миром. Здесь используется экранирование для защиты цепи питания от внешних воздействий.

Также обратите внимание, что дорожки на вашей печатной плате имеют индуктивность, и вам может потребоваться адаптировать ее с помощью плоскостей питания и ширины дорожек.Использование витой пары — хороший способ снизить индуктивность, чтобы предотвратить звон и выбросы. Добавление любого фильтра может увеличить время запуска и переходный отклик вашей системы. Если вы отключаете и выключаете питание, чтобы выполнить измерение, а затем выключаете, вам придется пожертвовать эффективностью фильтрации с требованием времени запуска.

Обход

Возможно, менее очевидно, но вы также можете уменьшить шум за счет правильного обхода управляющих микросхем в конструкции вашего источника питания.Обход микросхем, которые питаются от источника питания, не уменьшит шум на источнике питания, но он будет уменьшен на выводах питания микросхем. Когда вы обходите микросхемы в цепи питания, используйте обычные рекомендации по размещению конденсатора рядом с выводами питания и используйте керамические конденсаторы, предпочтительно для поверхностного монтажа, которые имеют низкие значения ESR и ESL. Обратите внимание, что физический размер конденсатора будет определять его эффективность в такой же степени, как и его значение (рис. 4) .

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275fbf6d5f267ee216e1e» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Электронный дизайн Сообщество сайтов Электронный дизайн com Файлы Рисунок 4 Частота импеданса режима переключения «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/11/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_Figure_4_switchmode_impedance_frequency.png?auto=format&fit=max&w=1440 «data-embed]} caption =

4. Как и следовало ожидать, на низких частотах импеданс конденсатора на 270 мкФ ниже, чем у версии на 10 мкФ. На частоте 1 МГц конденсатор на 10 мкФ имеет более низкий импеданс из-за собственного резонанса из-за паразитной индуктивности. Вам нужно посмотреть на кривые импеданса конденсаторов различных размеров, чтобы убедиться, что вы получаете наименьшее сопротивление на частотах, которые вы пытаетесь фильтровать. (Предоставлено Johanson Dielectrics)

Пострегулирование

Хороший, но дорогой способ уменьшить шум блока питания — это установить второй малошумящий стабилизатор на выходе блока питания. Это часто связано с линейным регулятором с малым падением напряжения (LDO). Это уменьшит любую пульсацию на выходе на порядок или больше. Еще лучше, вы можете добавить RC или LC-фильтр после LDO, чтобы еще больше уменьшить шум. Шум линейного регулятора часто выражается как среднеквадратичное значение в одном или нескольких диапазонах частот.Если вам нужен очень точный источник питания с малым дрейфом, вы можете использовать эталонную микросхему вместо стабилизатора LDO.

Следует помнить о частотных диапазонах, в которых наблюдается шум. Усилители также имеют подавление подачи питания, и это подавление значительно уменьшается на высоких частотах. К сожалению, PSRR линейных регуляторов также значительно ухудшается на высоких частотах (рис. 5) .

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275fbf6d5f267ee216e20» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Электронный дизайн Сайты Электронный дизайн com Файлы Рисунок 5 Ldo Psrr Analog Devices «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/11/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_Figure_5_LDO_PSRR_Analog_Devices.png?auto=format&fit=max&w=1440 «data-embed]-} caption

5. Регулятор LDO имеет намного лучший коэффициент подавления напряжения питания (PSRR) на низких частотах. Эталонный PSRR доминирует на низких частотах, тогда как усиление внутреннего контура обеспечивает PSRR на средних частотах. На высоких частотах выходные конденсаторы доминируют над PSRR, и кривая подобна кривой, показанной на рисунке 4.(Любезно предоставлено Analog Devices)

Однако такой высокочастотный шум намного легче удалить с помощью LC- или RC-фильтрации, так что еще не все потеряно. Целостный подход состоит в том, чтобы удалить шум на входе коммутатора, а затем обойти его и убедиться, что ваша переключающая микросхема имеет низкий уровень шума. После этого выберите малошумящий линейный стабилизатор LDO, чтобы вы могли добавить выходной фильтр. Вам следует проверить PSRR микросхем, которые вы запитываете, и пересечь его с PSRR линейного регулятора, чтобы удалить как можно больше шума в полосе частот вашей схемы.Затем спроектируйте фильтр, чтобы удалить достаточно высокочастотного шума для достижения целевого уровня шума на пути прохождения сигнала.

Бонус

Фильтрация, байпас и пост-регулирование — три основных способа снижения шума источника питания, но есть и менее используемые методы. Один из них — использовать батарею для питания вашей схемы. Батареи являются источником питания с очень низким уровнем шума по сравнению с импульсными или даже линейными преобразователями.

Еще одна хитрость доступна, если вам нужны нечастые измерения. Вы можете на мгновение отключить импульсный стабилизатор и использовать большие задерживающие конденсаторы для питания вашей схемы во время измерения. Последний трюк — синхронизировать переключатель-регулятор с получением измерения, чтобы оно происходило в одной и той же точке пульсации и другого периодического шума источника питания. Это похоже на синхронизацию нескольких импульсных источников питания. В этом случае вы пытаетесь устранить любую частоту биений, созданную разными частотами переключения.

Независимо от того, страдает ли вас пульсация, шум или частота биений, эти методы позволят вам снизить уровень шума вашей энергосистемы до уровня, достаточно низкого для ваших нужд.Когда вы дойдете до 18- и 24-битных измерений и цифро-аналогового преобразования (ЦАП), получение как можно более чистых шин питания имеет важное значение для получения доступной производительности используемых вами микросхем.

>> Ресурсы веб-сайта
.. >> Библиотека: TechXchange
.. .. >> TechXchange: EMI / EMC / Noise

Функции / требования SMPS с прямым автономным питанием — ВЫХОДНЫЕ ФИЛЬТРЫ

1 ВВЕДЕНИЕ

Несомненно, одно из самых нежелательных свойств switchmode.
их пристрастие к высокочастотным излучаемым и проводимым
пульсация и шум (радиочастотные помехи).

Чтобы удержать это вмешательство в разумных пределах, должны быть строгие
внимание к методам снижения шума во всех электрических и
механический дизайн. Экраны Фарадея могут использоваться в трансформаторах и между ними.
высокочастотные высоковольтные компоненты и заземляющий слой. (Эти скрининговые
описаны более подробно.) Кроме того, для уменьшения наведенного режима
потребуются шумовые, входные и выходные фильтры нижних частот.

2 ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

Выходные фильтры нижних частот

В следующем разделе о конструкции выходного фильтра предполагается, что нормальный хороший
практика проектирования уже применена для минимизации шума кондуктивной моды
и что фильтры радиопомех были установлены на входных линиях питания.

Для обеспечения стабильного выхода постоянного тока и уменьшения пульсаций и шума низкочастотный LC
фильтры (как показано на фиг. 1a) обычно предоставляются при переключении
выходы питания.

В прямых преобразователях эти фильтры выполняют две основные функции. В
основным требованием является хранение энергии, чтобы поддерживать почти
постоянное выходное напряжение постоянного тока в течение всего цикла переключения мощности. Второй,
и, возможно, менее очевидная, функция заключается в уменьшении высокочастотных проводимых
последовательные и синфазные выходные помехи до допустимых пределов.

К сожалению, эти два требования несовместимы. Поддерживать
почти постоянное выходное напряжение постоянного тока, ток в выходном конденсаторе
также должен быть почти постоянным; следовательно, значительная индуктивность будет
требуется в выходной катушке индуктивности. Поскольку катушка индуктивности также должна иметь
Выходной постоянный ток часто бывает большим и может иметь много витков. Это результаты
в большой межобмоточной емкости, что дает относительно низкий резонансный
частота.

Такие катушки индуктивности будут иметь низкий импеданс на частотах выше собственного резонанса.
и не обеспечит очень эффективное затухание высоких частот.
составляющие наведенных токов помех.

РИС. 1 (а) Выходной фильтр мощности, показывающий паразитную межобмоточную емкость
CC и последовательное сопротивление Rs для L1, а также последовательная индуктивность ESL и сопротивление
СОЭ для C1.

(б), (в) Эквивалентные схемы выходного фильтра на низкой частоте
(б) и высокая частота (в).

3 ПАРАЗИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ В РЕЖИМЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ВЫХОДНЫЕ ФИЛЬТРЫ

РИС. 1а показан одноступенчатый выходной LC-фильтр (такой, который можно найти
в типичном прямом преобразователе. В его состав входят паразитные элементы CC,
Рупий, ESL и ESR.

На последовательном плече индуктора L1 показан идеальный индуктор L, соединенный последовательно с
неизбежное сопротивление обмотки Rs. Паразитно распределенное переплетение
Емкость включена как сосредоточенный эквивалент конденсатора CC.

Шунтирующий конденсатор C1 включает эффективную последовательную индуктивность ESL.
и эффективное последовательное сопротивление ESR.

Схема замещения этой сети на низких и средних частотах
показан на фиг. 1b. Эффекты CC, ESL и ESR незначительны при низком уровне
частот и им можно пренебречь. По этой эквивалентной схеме это
ясно, что фильтр будет эффективен как фильтр нижних частот для
нижний и средний конец частотного диапазона.

Вторая эквивалентная схема для высоких частот показана на фиг. 1c.
На высоких частотах идеальная индуктивность стремится к высокому сопротивлению, принимая
из плеча L-Rs, и идеальный конденсатор C стремится к нулю, вынимая
C. Таким образом, паразитические компоненты становятся преобладающими, эффективно изменяя
одноступенчатый низкочастотный LC-фильтр к высокочастотному фильтру. Это происходит
на некоторой высокой частоте, где межобмоточная емкость CC и эффективная
последовательная индуктивность ESL становится преобладающей.Следовательно, этот тип выходной мощности
фильтр не очень эффективен для ослабления высокочастотных проводимых
режим шума.

4 ДВУХСТУПЕНЧАТЫЕ ФИЛЬТРЫ

Как показано выше, попытки удовлетворить все усреднение напряжения и шум
требования по подавлению в одном фильтре LC потребуют выбора
дорогих компонентов, особенно в обратноходовых преобразователях. Даже тогда,
будут получены только посредственные высокочастотные характеристики.

РИС. 2 показано, как можно создать гораздо более экономичный широкополосный фильтр.
используя второй каскад, гораздо меньший, LC-фильтр для подавления высокочастотного
шум. Вторая ступень (L2, C2) может быть довольно маленькой и недорогой, потому что
в эту секунду требуются только небольшие значения индуктивности и емкости.
сцена. В то же время более дешевые стандартные электролитические конденсаторы.
и индукторы могут использоваться на первой ступени (L1, C1), тем самым уменьшая
общая стоимость и повышение производительности.

РИС. 2 Двухступенчатый выходной фильтр.

На ФИГ. 2 выбирается первый конденсатор С1 на требуемую пульсацию
текущий рейтинг и потребности в хранении энергии. (Это зависит от тока нагрузки
и рабочая частота.) C1 часто будет довольно большим, но
при использовании двухступенчатого фильтра не обязательно быть фильтром с низким ESR.

Первая катушка индуктивности L1 рассчитана на максимальный ток нагрузки.
с минимальной потерей и без насыщения.Для получения максимальной индуктивности
и минимальное сопротивление в самом маленьком размере, L1 будет иметь многооборотный
многослойная намотка.

Хотя это дает максимальную индуктивность, это дает относительно
большая межобмоточная емкость и низкая собственная резонансная частота. Подходящее
материалы сердечника для L1 включают ферриты с зазором, пермаллой, тороиды из железной пыли,
или кремниевое железо с зазором в форме «E-I». L1 будет иметь большинство
индуктивности, необходимой для хранения энергии.

Вторая катушка индуктивности L2 рассчитана на максимальное сопротивление при
высокая частота и требует низкой межобмоточной емкости. Это будет
обеспечивают высокую собственную резонансную частоту. L2 может иметь форму небольшого
ферритовый стержень, ферритовая шпулька, небольшие тороиды из железной пыли или даже с воздушным сердечником
катушка. Поскольку напряжение переменного тока на L2 невелико (порядка 500 мВ),
магнитное излучение от магнитного пути с высоким сопротивлением будет довольно
маленький и не должен вызывать проблем с электромагнитными помехами.Нормальные ферритовые материалы
может использоваться для индуктора с ферритовым стержнем, так как большой воздушный зазор не позволит
Насыщение сердечника постоянным током.

Второй конденсатор C2 намного меньше C1. Он выбран для
низкий импеданс на частотах переключения и шума (а не для
его способность к хранению энергии). Во многих случаях C2 будет состоять из небольшого
электролитическое шунтирование с помощью малоиндуктивной фольги или керамического конденсатора. С
L1 и L2 проводят большую составляющую постоянного тока, термин «дроссель»
правильнее применить к этим предметам.Ниже приводится пример дизайна.

5 ПРИМЕР ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДРОССЕЛЯ

Чтобы получить максимальную производительность от высокочастотного дросселя L2,
емкость должна быть минимизирована.

РИС. 3а показан дроссель с ферритовым стержнем длиной 1 дюйм и диаметром 5/16 дюйма.
намотана 15 витками плотно упакованного провода # 17 AWG. ИНЖИР. 3b показан график
фазового сдвига и импеданса как функции частоты для этого дросселя.
Сдвиг фазы равен нулю на собственной резонансной частоте, которая в данном
случай 4.5 МГц.

График импеданса на фиг. 3c показано улучшение, полученное за счет уменьшения
межобмоточная емкость. Этот сюжет получен с того же дросселя.
после размещения обмоток и изоляции их от стержня с помощью 10 мил
Майларовая лента.

Во втором примере используется 15 витков провода 20 калибра с пробелом.
между каждым поворотом. На графике видно, что уменьшение намотки
емкость увеличила импеданс и сместила саморезонансный
частота до 6.5 МГц. Это приведет к снижению высокочастотного
шум в финальном фильтре.

Небольшая часть высокочастотных помех будет обходить
фильтр за счет индуктивной и емкостной связи в печатной плате или выводах питания.
Эффект от этого будет уменьшен за счет установки конденсатора меньшей емкости C2.
как можно ближе к выходным клеммам источника питания.

РИС. 3 (а) Дроссель с ферритовым стержнем. (б) Импеданс и фазовый сдвиг феррита
стержневой дроссель с плотной намоткой в зависимости от частоты.Обратите внимание на саморезонансный
частота на уровне 4 МГц. (c) Импеданс и фазовый сдвиг разнесенной обмотки (низкий
межобмоточная емкость) дроссель с ферритовым стержнем. Обратите внимание на частоту собственного резонанса
на 6 МГц.

6 РЕЗОНАНСНЫЕ ФИЛЬТРЫ

Выбирая конденсаторы так, чтобы их собственная резонансная частота была близка к
частота переключения, будет получена лучшая производительность.

Многие из небольших электролитических конденсаторов с низким ESR имеют последовательную саморезонансную
частота около типичных рабочих частот импульсных преобразователей.На собственной резонансной частоте паразитная внутренняя индуктивность
конденсатор резонирует с эффективной емкостью, образуя последовательный
резонансный контур. На этой частоте сопротивление конденсатора стремится к
остаточная СОЭ.

РИС. 4 показан график импеданса типичного конденсатора с низким ESR емкостью 470 МФ.
как функция частоты. Этот конденсатор имеет минимальное сопротивление
19 m7 при 30 кГц. Очень хорошее подавление пульсаций можно получить на частоте 30 кГц.
за счет использования этого резонансного эффекта.

РИС. 4 Импеданс и фазовый сдвиг типичного промышленного 470-MF
электролитический конденсатор как функция частоты. Обратите внимание на саморезонансный
частота и минимальное сопротивление при 29 кГц.

7 ПРИМЕР РЕЗОНАНСНОГО ФИЛЬТРА

РИС. 5 показан типичный выходной каскад небольшого обратного хода 30 кГц, 5 В, 10 А.
преобразователь с двухкаскадным выходным фильтром. (В обратноходовых преобразователях
индуктивность трансформатора и C1 образуют первую ступень силового LC-фильтра.)
Добавлен фильтр высоких частот L2, C2 второго каскада.

В данном примере такой же индуктор с ферритовым стержнем длиной 1 дюйм и диаметром 5b16 дюймов.
используемый для получения графика c на фиг. 3 используется для L2. 15 разнесенных включений
этот стержень дает индуктивность 10 MH и низкую межобмоточную емкость.
Конденсатор 470-MF с низким ESR, используемый для графика импеданса на фиг. 4 это
установлен в положение C2.

Примечание. Минимальное сопротивление этого конденсатора составляет 30 кГц, где
фазовый сдвиг равен нулю.Это последовательная собственная резонансная частота для
этот конденсатор. Его импеданс будет преимущественно резистивным.
значение 19 м7, как показано на фиг. 4.

Затухание, обеспечиваемое этой LC-сетью на 30 кГц (коммутационная
частота) теперь очень легко вычислить, так как конденсатор C2
выглядит преимущественно резистивным и образует простую делительную сеть с
последовательное сопротивление катушки индуктивности L2. (Малым фазовым сдвигом можно пренебречь,
как XL2 q СОЭ C2.) Отношение пульсаций выходного напряжения (Vout) к
пульсации напряжения на первом конденсаторе С1 составляют…

Как XL2 q ESR, коэффициент затухания A стремится к…

Где индуктивное сопротивление XL _ 2PfL

ESR _ эффективное последовательное сопротивление конденсатора при резонансе…

Из рис. ESR C2 на 30 кГц составляет 0,019 7. Следовательно, затухание
коэффициент А составит…

Это дает коэффициент подавления пульсаций 100: 1 на частоте переключения.

Пульсации частоты коммутации обычно являются преобладающим компонентом пульсаций.
в обратных конвертерах. Используя саморезонансные свойства
электролитического конденсатора, очень хорошее подавление пульсаций
40 дБ достигается с помощью очень маленьких недорогих компонентов. Далее
улучшенное подавление высокочастотного шума достигается без компромиссов
к среднечастотной переходной характеристике, потому что последовательная индуктивность
существенно не увеличилось.

РИС. 5 Пример применения резонансного выходного фильтра к обратноходовому преобразователю
вторичный.

8 ШУМОВЫЕ ФИЛЬТРЫ ОБЩЕГО РЕЖИМА

До сих пор обсуждение ограничивалось кондуктивным шумом в последовательном режиме.
Описанные до сих пор фильтры не будут эффективны для синфазного шума;
то есть шумовые напряжения, возникающие между выходными линиями и землей
самолет.

Синфазная составляющая шума вызвана емкостным или индуктивным
связь между силовыми цепями и землей в силовой
поставлять.Первоначально это должно быть сведено к минимуму путем правильной проверки.
и верстка на стадии проектирования.

Дальнейшее снижение синфазного выходного шума может быть получено
разделение катушки индуктивности L1 или L2 на две части для формирования сбалансированного фильтра,
как показано на фиг. 6. После этого потребуются дополнительные конденсаторы C3 и C4.
между каждой выходной линией и землей, чтобы обеспечить обратный путь
для остаточного тока синфазного шума. Фактически, L1 (a) и C3 образуют
фильтр нижних частот с положительного выхода, а L1 (b) и C4 образуют
фильтр для отрицательного выхода с заземляющим слоем в качестве обратного пути.

РИС. 6 Синфазный выходной фильтр.

Из-за развязки, обеспечиваемой конденсатором C2 гораздо большей емкости,
приемлемые результаты часто можно получить, установив один синфазный
развязывающий конденсатор в положении C3 или C4.

9 ВЫБОР ЗНАЧЕНИЙ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ ВЫХОДНЫХ ФИЛЬТРОВ

Размер и номинал основной выходной катушки индуктивности L1 и накопительного конденсатора
C1 (фиг. 1a) зависит от ряда факторов:

Тип преобразователя — Рабочая частота — Максимальный ток нагрузки —
Минимальный ток нагрузки

Интервал между метками (рабочий цикл)

Пульсации тока, Пульсации напряжения, Переходный отклик, Выходное напряжение

Теперь требования L1 будут рассматриваться с точки зрения требований.
для этого типа преобразователя.

10 ЗНАЧЕНИЯ ГЛАВНОГО ВЫХОДА ИНДУКТОРА (РЕГУЛЯТОРЫ ДВИГАТЕЛЯ)

В общем, основная индуктивность L1 на выходе понижающего регулятора
Схема фильтра должна быть как можно меньше, чтобы обеспечить наилучшие переходные процессы.
отклик и минимальная стоимость. Если используется большая индуктивность, то мощность
поставка не может быстро реагировать на изменения тока нагрузки. На другом
крайняя, слишком низкая индуктивность приведет к очень большим токам пульсации
в выходных компонентах и схемах преобразователя, что приведет к ухудшению
эффективность.Кроме того, при малых нагрузках будет происходить прерывистая работа.

Один из подходов — выбрать L1 так, чтобы индуктор оставался в непрерывном
проводимость при минимальном токе нагрузки (часто указывается как 10% от Imax).

Поддержание постоянной индуктивности в проводящем состоянии дает два преимущества.
Во-первых, схема управления требуется только для небольших изменений в
ширина импульса для управления выходным напряжением при изменении нагрузки (при условии
индуктор остается в проводящем состоянии в течение всего рабочего цикла).Второй,
напряжение пульсации на выходе останется небольшим в этом диапазоне изменений нагрузки.

Основным недостатком этого подхода является то, что индуктивность может быть
довольно большой; более того, правило не может быть использовано, если ток нагрузки должен
контролироваться вплоть до нуля.

Второе, более универсальное правило — выбирать значение индуктивности таким
что пульсирующий ток имеет приемлемый предел размаха, скажем 10%
до 30% максимального тока нагрузки при номинальных входных напряжениях.

Примечание: в обратноходовых преобразователях основная индуктивность L1 является неотъемлемой частью
трансформатор, и его значение определяется требованиями передачи мощности.
В преобразователе этого типа должны учитываться высокие токи пульсаций.
в компонентах фильтров, особенно для полных систем передачи энергии.

11 ПРИМЕР КОНСТРУКЦИИ

Предположим, что требуется конструкция главной выходной катушки индуктивности L1 для
несимметричный преобразователь и фильтр для отделения, как показано на фиг.1а. В
Спецификация преобразователя следующая:

Выходная мощность _ 100 Вт

Выходное напряжение _ 5 В

Выходной ток _ 20 A

Выходная частота _ 30 кГц

Минимальная нагрузка _ 20%

Проектный подход предполагает, что выходной ток пульсации должен
не превышает 30% от I_load (в этом примере 6 ампер-пик).

Кроме того, чтобы обеспечить возможность регулирования, ширина импульса при номинальном входном
составит 30% от общего периода (то есть 10 мс).

Для обеспечения выхода 5 В при ширине импульса 30% трансформатор
вторичное напряжение будет…

… где tp _ общий период (при 30 кГц), мс

до _ «время включения» мс

Вс _ вторичное напряжение

Напряжение VL на катушке индуктивности L1 в течение периода прямого включения.
вторичное напряжение меньше выходного напряжения, если предположить, что выходное
конденсатор С1 большой, и изменение напряжения во время «включенного» периода
незначительно.

Тогда…

В установившемся режиме текущее изменение для периода «включено».
должно равняться текущему изменению в период «выключения» (в
в данном примере 6 А). Если пренебречь эффектами второго порядка, индуктивность может
рассчитывается следующим образом:

… где L _ требуемая индуктивность, МГн

$ t _ «время включения», г-жа

$ i _ текущее изменение во время включения

VL _ напряжение на катушке индуктивности

Следовательно…

Примечание: можно использовать простое линейное уравнение в качестве напряжения на
Предполагается, что индуктивность не изменится во время включения и
di / dt постоянна.

В этом примере индуктивность велика, потому что необходимо достаточное количество энергии.
храниться в течение «включенного» периода, чтобы поддерживать ток во время
период «выключения». В двухтактных прямых преобразователях период выключения
намного меньше, так что вторичное напряжение и, следовательно, индуктивность
значение также будет меньше.

12 ЗНАЧЕНИЕ ВЫХОДНОГО КОНДЕНСАТОРА

Обычно предполагается, что размер выходного конденсатора будет определяться
только по характеристикам пульсаций тока и напряжения пульсаций. Тем не мение,
если используется выходной фильтр второго каскада L2, C2, то пульсация будет намного выше.
напряжение может быть допущено на клеммах C1 без ущерба для
спецификация выходной пульсации. Следовательно, если бы пульсации напряжения были единственным
критерий, можно было бы использовать конденсатор гораздо меньшего размера.

Например, предположим, что пульсации напряжения на клеммах C1 могут
быть 500 мВ. Текущее изменение L1 в период «включения»
будет в основном течь в C1, и, следовательно, значение емкости, необходимое для
изменение напряжения на 500 мВ можно рассчитать следующим образом (следующие
уравнение предполагает идеальный конденсатор с нулевым ESR):

… где C _ значение выходной емкости, MF

$ I _ изменение тока в L1 в период «включения», А

$ за тонну _ «время включения» Ms

$ Vo _ пульсации напряжения, В p-p

Следовательно…

Следовательно, чтобы удовлетворить требования к напряжению пульсаций, очень маленький конденсатор
всего 120 МФ. Однако в приложениях, в которых
ток нагрузки может быстро изменяться в большом диапазоне (переходные колебания нагрузки),
второй критерий изменения переходной нагрузки может определять минимальную мощность
размер конденсатора.

Рассмотрим состояние, когда нагрузка внезапно падает до нуля после
период максимальной нагрузки. Даже если схема управления среагирует немедленно,
энергия, накопленная в последовательном дросселе (½ LI 2), должна передаваться
к выходному конденсатору, увеличивая его напряжение на клеммах.В приведенном выше
Например, с выходным конденсатором всего 120 MF, последовательная индуктивность
19,4 MH, и ток полной нагрузки 20 A, выброс напряжения на
снятие нагрузки будет почти 100%. Это, наверное, было бы неприемлемо,
и, следовательно, максимально допустимое превышение напряжения при снятии нагрузки может
стать контролирующим фактором.

Минимальное значение выходного конденсатора для соответствия требованиям к выбросам напряжения
с использованием критериев переданной энергии можно рассчитать следующим образом:

Энергия в выходной катушке индуктивности при внезапном отключении полной нагрузки:

Изменение энергии в выходном конденсаторе после события будет…

… где Vp _ максимальное выходное напряжение _ 6 В

Vo _ нормальное выходное напряжение _ 5 В Следовательно

Если максимальное напряжение в этом примере не должно превышать 6 В, то
минимальное значение выходной емкости будет

Кроме того, требования к току пульсаций могут потребовать установки конденсатора большей емкости.
использоваться. Следует также сделать некоторую поправку на влияние конденсатора.
ESR, которое обычно увеличивает пульсации напряжения примерно на 20%, в зависимости от
от ESR и ESL конденсатора, а также от размера, формы и частоты
пульсации тока.

В заключение, было показано, что очень эффективные последовательные и синфазные
подавление проводимой пульсации может быть получено добавлением относительно
небольшая дополнительная выходная сеть фильтров LC. Это относительно простое изменение
позволяет получить хорошее подавление пульсаций и шума за счет более низкой стоимости
электролитические конденсаторы среднего класса и стандартные конструкции индукторов.

13 ВИКТОРИНА

1. Обсудите главный недостаток сравниваемых импульсных источников питания.
с более старыми типами линейных регуляторов.

2. Является ли конструкция выходного фильтра единственным наиболее важным фактором?
в уменьшении шума пульсации на выходе?

3. Объясните значение термина «дроссель» применительно к выходу.
фильтры.

4. Почему фильтры выходной мощности часто неэффективны при работе с
с высокочастотным шумом?

5. Почему в приложениях выходных фильтров иногда используются двухступенчатые фильтры?

6. В чем разница между синфазным и дифференциальным режимами?
фильтры шума?

7.Чем отличается конструкция синфазного дросселя от этого?
дросселя последовательного режима?

См. Также: Другой наш Коммутационная мощность
Руководство по расходным материалам

Выходной фильтр импульсного источника питания

: Разработка и моделирование | Блог

Захария Петерсон

| & nbsp Создано: 30 апреля 2021 г.

Импульсные источники питания

бывают разных форм, например, в виде мощных настольных лабораторных источников питания или встроенных в печатную плату со специальными ИС и пассивными элементами.Целью разработки этих систем является обеспечение стабильной подачи постоянного тока на остальную часть вашей системы с минимальным шумом. Он также идеально подходит для ослабления эффекта любой остаточной пульсации от выпрямления или удаления любого шума на входе. Для обеспечения стабильного и бесшумного выходного сигнала может потребоваться использование выходного фильтра, который может быть реализован с использованием пассивных компонентов в макете вашей печатной платы.

В этой статье я покажу, как можно использовать выходной фильтр импульсного источника питания для подавления выходного шума и как можно использовать некоторые инструменты моделирования для оптимизации конструкции фильтра для снижения шума.Как я обсуждал в предыдущей статье в этом блоге и как мы увидим из некоторых результатов моделирования, снижение шума зависит от значений компонентов в выходном фильтре и катушки индуктивности в цепи. В качестве примера рассмотрим топологию повышающего преобразователя, чтобы увидеть, как реализовать выходной фильтр для импульсного источника питания.

Начало проектирования выходного фильтра импульсного источника питания

Выходной фильтр преобразователя постоянного / постоянного тока (понижающий / повышающий или другая топология) является фильтром нижних частот.Это может быть просто шунтирующий конденсатор, хотя типичным методом является установка пи-фильтра для шунтирования переменного шума на землю. Причина этого заключается в том, что функция переключающего преобразователя заключается в обмене низкочастотной пульсации от преобразования переменного тока в постоянный ток на более высокочастотный переключающий шум переключающего транзистора. Затем выходной фильтр удаляет высокочастотный коммутационный шум на выходе фильтра, обеспечивая чистую мощность постоянного тока на нагрузку.

На изображении ниже показана схема переключающего повышающего преобразователя с силовым транзистором PMOS (вы можете использовать NMOS и изменить полярность V1 и V2).Я выделил две секции: секцию переключающего преобразователя (зеленым) и секцию выходного фильтра (красным). В этой схеме выходной конденсатор является частью выходного фильтра импульсного источника питания. Фильтр имеет стандартную топологию пи-фильтра для обеспечения фильтрации нижних частот.

Схема понижающе-повышающего преобразователя SMPS с выходным фильтром.

Наконец, у нас есть следующие параметры ШИМ: частота переключения 100 кГц, время нарастания 10 нс, рабочий цикл 30%. Вместо того, чтобы сосредотачиваться на допустимом диапазоне значений ШИМ или пассивных компонентов, которые дают определенную выходную мощность, мы хотим сосредоточиться на диапазоне значений компонентов фильтра, которые дают нам наименьший шум.Сначала мы посмотрим на фактический переходной отклик с помощью новой функции панели моделирования Altium Designer, а затем рассмотрим диапазон значений компонентов фильтра, которые дают наименьший шум.

Начальная выходная мощность

На изображении ниже показано моделирование переходного процесса, показывающее напряжение на конденсаторах (верхний график) и ток, подаваемый на нагрузку (нижний график). По этому результату мы можем сравнить нефильтрованный вывод (красная кривая, верхний график) с отфильтрованным выводом (синяя кривая, верхний график).Фильтр неплохо справляется с устранением коммутационного шума преобразователя. Однако при переключении преобразователя из состояния ВЫКЛ в состояние ВКЛ наблюдается четкая низкочастотная переходная характеристика.

Выходная мощность от схемы преобразователя постоянного / постоянного тока, показанной выше.

Этот переходный процесс очень важен. Фактически, переходный выброс зависит от рабочего цикла ШИМ и времени нарастания сигнала ШИМ. В некоторых случаях перерегулирование может достигать 50% тока нагрузки, когда преобразователь переключается между двумя состояниями напряжения, т.е.е., при переключении между двумя частотами ШИМ или рабочими циклами. Это может привести к сильному всплеску тока, который может повредить вашу нагрузку.

Значение составляющей нагрузки также влияет на пульсации на выходе в этой цепи. На изображении ниже я показал, что происходит, когда сопротивление нагрузки увеличивается до 1 МОм, что является полезным значением для моделирования входного импеданса интегральной схемы КМОП. Отсюда мы можем увидеть истинную пульсацию на выходе, которая отражается на токе нагрузки.

Пульсации при нагрузке 1 МОм.

По этой причине мы хотели бы уменьшить отклик от схемы преобразователя или переделать секцию фильтра, чтобы у нас не было такой проблемы с перерегулированием на выходе. Один из вариантов — добавить демпфирование напрямую, добавив некоторое сопротивление.

Добавочные резисторы для демпфирования

Одним из способов решения проблемы с переходной характеристикой с недостаточным демпфированием является добавление демпфирования конденсаторов C1 и C2. Для этого я добавил резисторы 1 Ом к конденсаторам C1 и C2, чтобы обеспечить некоторое демпфирование, и управляю нагрузкой 10 Ом.Это приблизит переходную характеристику к критически затухающему режиму, обеспечивая плавный переход между состояниями ВЫКЛ и ВКЛ, когда начинается моделирование. Такой же плавный переход произошел бы между двумя состояниями выходной мощности, если бы параметры ШИМ были изменены. Однако, если резисторы больше, у нас будет более медленная переходная характеристика.

Выходная мощность схемы преобразователя постоянного / постоянного тока, показанной выше, с добавленным демпфированием и нагрузкой 10 Ом.

Одна небольшая проблема с этим заключается в том, что мы потеряли небольшое количество энергии: у нас меньше тока, достигающего нагрузки, и выходное напряжение немного ниже.Часть мощности падает на резисторы в секции RC, что приводит к дополнительным потерям. Также имеется небольшой остаточный шум на выходном токе, хотя он очень мал.

Мы получаем такой же ответ, если используем нагрузку 1 МОм, но мы видим некоторую начальную пульсацию в падении напряжения на цепи C1 + (последовательный резистор). Это достойный отклик, поскольку пульсации не отражаются на выходе, но все равно наблюдается медленный рост выходного тока. Это нормально, если вам не нужно очень быстрое регулирование с обратной связью и вы хотите обеспечить плавный переход между состояниями.

Выходная мощность схемы преобразователя постоянного / постоянного тока, показанной выше, с добавленным демпфированием и нагрузкой 1 МОм.

Прежде чем идти дальше, я думаю, важно отметить, что, хотя отклик намного медленнее, мы смирились с ~ 95% ожидаемого конечного тока за ~ 3 мс, что по-прежнему является достаточно быстрым временем включения. Для сравнения, некоторые коммерческие блоки питания рассчитаны на 10-кратное общее время включения. В этом времени включения могут доминировать другие компоненты, такие как драйвер ШИМ, особенно если есть контур обратной связи для обеспечения точного управления.Таким образом, мы все еще работаем достаточно быстро, хотя время включения выглядит очень медленным.

Одним из вариантов здесь является переработка нашей схемы выходного фильтра импульсного источника питания без добавления сопротивления, чтобы получить аналогичный результат.

Замена C1, C2 и / или L2

Другой вариант — удалить резисторы и заменить C1 / C2 и L2. Проблема с изменением C1 и C2 заключается в том, что конечная пульсация на выходной стороне будет зависеть от номинала этих конденсаторов, поскольку вы изменяете условия для критического демпфирования.Условие возникновения критического затухания является довольно сложным квадратичным выражением, но здесь должна быть ясна интуиция:

Если емкость конденсатора будет слишком низкой, мы получим сильно заниженный отклик с высокочастотными колебаниями.
Если емкость конденсатора слишком высока, мы получаем очень медленную реакцию, так как конденсаторам требуется много времени для зарядки до требуемого уровня постоянного тока.

Вам может быть интересно; как у нас есть недемпфированный переходной отклик с выбросом в пи-фильтре? На самом деле у нас есть 2 LC-фильтра с несколькими полюсами в комбинированной передаточной функции из-за наличия нескольких реактивных элементов (2 катушек индуктивности и 2 конденсатора).Если вы внимательно посмотрите на приведенные выше результаты, мы можем увидеть два переходных отклика, наложенных друг на друга. Это отклик коммутируемого LC от L1 и C1 (стандартный отклик повышающего повышающего преобразователя) и типичный отклик RLC от L2, C2 и нагрузочного резистора.

Совместная настройка L2 и выходных конденсаторов — еще один способ снизить пульсации на выходе. На изображении ниже я создал частотную развертку на панели инструментов Simulation Dashboard, чтобы перемещаться по диапазону значений индуктивности.Здесь я хочу ограничиться практическими индуктивностями, которые я обнаружил в более мелких компонентах при работе с нагрузкой 10 Ом. Чтобы убедиться, что я как можно ближе подхожу к критическому демпфированию, я собираюсь пролистать различные значения C1 = C2 и L2. Я начинаю с меньшей емкости (1 мкФ) и увеличиваю значения L2 до 0,2 мГн. Для нагрузки 1 МОм просто выполните ту же процедуру, используя условия для критического демпфирования в цепи RLC.

Как оказалось, наилучшее значение индуктивности для L2 составляет порядка 150-200 мкГн.Существует множество индукторов с проволочной обмоткой с номинальным постоянным током, превышающим ~ 1,5 А. Одним из примеров является IHV30EB150 от Vishay.

Выходная мощность для диапазона значений L2 и нагрузки 10 Ом.

Сводка стратегий фильтрации

Что мы узнали здесь? Вот несколько идей, которые мы получили, и несколько моментов, которые мы можем вывести из этих симуляций:

Конструкция вашего фильтра сильно зависит от номиналов выходных конденсаторов преобразователя. Если выходные конденсаторы слишком малы, вам необходимо установить дополнительный конденсатор параллельно, чтобы получить достаточно малую частоту среза для обеспечения фильтрации шума.
Мы рассмотрели только выходной фильтр, но установка фильтрации на входе часто намного эффективнее для снижения общего шума. В основном это то, что вы делаете с выходным конденсатором двухполупериодного выпрямителя: вы пытаетесь подать стабильную мощность постоянного тока в секцию преобразования мощности источника питания.
Происходит перерегулирование переходной характеристики пи-фильтра, которое может быть довольно большим. Это можно уменьшить обычным способом, подключив резистор последовательно с конденсаторами C1 и C2 или регулируя значение L2.
При добавлении демпфирования обязательно сравните необходимое сопротивление со значением ESR конденсаторов, которые вы используете. Также обратите внимание, что вы замедляете реакцию схемы и жертвуете некоторой мощностью.
Поскольку всплеск тока в нагрузке во время переходной характеристики зависит от параметров ШИМ, мы могли бы также использовать подход для определения допустимого диапазона частот ШИМ / времени нарастания, который дает достаточно низкий уровень шума.

Дальнейшие улучшения

Последний вариант улучшения отклика фильтра после изменения конструкции — использование демпфера RC до и после фильтра.Это уменьшит отклик и компенсирует пульсации выходного тока. Будьте осторожны с этим, так как это может добавить еще один полюс к передаточной функции схемы фильтра. Кроме того, для демпфирующих цепей до и после могут потребоваться конденсаторы различной емкости; на выходной стороне обычно используется конденсатор немного большего размера, чтобы обеспечить достаточное снижение высокочастотных пульсаций.

Завершение работы над схемой SMPS

В приведенном выше примере мы показали только секцию преобразователя SMPS, и есть другие важные блоки схемы, необходимые для работы SMPS.Другие разделы, необходимые в SMPS, зависят от конечного приложения и от того, какой уровень контроля или точности требуется в системе. В приведенный выше пример мы не включили некоторые другие необходимые функции:

Генерация ШИМ: Чтобы установить выходное напряжение на определенный уровень для данной частоты ШИМ, можно использовать генератор ШИМ, чтобы обеспечить выходное напряжение на желаемом уровне. Это может быть так же просто, как схема ГУН, или могут использоваться специальные ИС генератора ШИМ.
Контур управления: Для некоторых топологий источников питания, таких как резонансные преобразователи LLC, потребуется сильноточный контур управления, в котором измеряется выходной сигнал преобразователя, а рабочий цикл или частота ШИМ регулируются для поддержания напряжения на желаемом уровне.Операционный усилитель с опорным напряжением — самый простой способ выполнить эту настройку, или это можно сделать в цифровом виде с помощью микроконтроллера. Вы также можете использовать специализированные микросхемы контроллеров.
Интерфейс пользователя: Системе может потребоваться какой-то способ принимать вводимые пользователем данные и применять рабочий цикл / частоту ШИМ, необходимые для достижения желаемого выходного напряжения. Самый простой способ сделать это — использовать приложение, реализованное на MCU.

Есть некоторые компоненты контроллера источника питания, которые будут находиться в контуре управления, измерять выходное напряжение и регулировать сигнал ШИМ на основе настроек, применяемых через цифровой интерфейс (обычно I2C) и реализованных с помощью микроконтроллера.

После того, как вы закончите схему SMPS и выходной фильтр импульсного источника питания, вы можете заменить любые общие компоненты реальными компонентами с помощью панели поиска производителя в Altium Designer®. Затем вы можете поделиться своими проектами с коллегами и вашим производителем, используя платформу Altium 365 ™.

Мы лишь слегка коснулись того, что можно делать с Altium Designer на Altium 365. Вы можете проверить страницу продукта, чтобы получить более подробное описание функций или один из вебинаров по запросу.

Важность фильтрации для источников питания

Импульсные источники питания (SMPS) могут генерировать синфазные и дифференциальные шумовые токи, которые проходят к нагрузке и обратно к источнику питания, создавая как кондуктивные, так и излучаемые излучения. Поэтому важно фильтровать не только сторону нагрузки, но и линии электропередач и сам ИИП. Высокопроизводительные импульсные источники питания и другое электрическое или электронное оборудование (например, частотно-регулируемые приводы, солнечные инверторы) значительно выигрывают от конденсаторов для подавления (безопасности) электромагнитных помех и фильтров электромагнитных помех.Защитная пленка и фильтр электромагнитных помех KEMET предлагают надежные решения для энергетики, автомобилестроения, промышленности, потребительского и медицинского применения и многого другого.

Использование X- и Y-конденсаторов для безопасности и подавления электромагнитных помех

Шум в дифференциальном режиме можно изучить и понять, взглянув на схему, компоновку печатной платы или электрическую схему цепи SMPS. Синфазный шум нежелателен, труден для понимания и часто связан с физикой токов, протекающих вокруг паразитной емкости или другого, казалось бы, случайного источника, который становится более сложным в электронике большой мощности.

Синфазный шум может возвращаться в линию электропередачи, когда оборудование подключено к местной электросети или сети переменного тока. Чтобы предотвратить распространение шума на другое оборудование, подключенное к линии переменного тока (питания), между линией переменного тока и выпрямителем в SMPS помещается фильтр электромагнитных помех (EMI). Конденсаторы фильтруют линию питания, отделяя ее от любого синфазного шума, который может генерироваться SMPS, и подавляют электромагнитные помехи.

Конденсаторы

классов X и Y обычно предназначены для фильтрации шума от линии питания переменного тока (сети), которая питает электрическое и электронное оборудование.Они обозначаются как X-конденсаторы (C _X) или Y-конденсаторы (C _Y) в зависимости от типа шума, который они помогают фильтровать. C _X, расположенный между линией и нейтралью, запрещает SMPS создавать помехи в дифференциальном режиме. C _Y -конденсаторы подключаются между линией питания и основной заземляющей пластиной или шасси SMPS и фильтруют синфазный шум. X- и Y-конденсаторы расположены в фильтре электромагнитных помех перед выпрямительным каскадом в SMPS.Защита SMPS от сети переменного тока и наоборот добавляет как фильтрацию электромагнитных помех, так и безопасность.

Рис. 1. Пленочная технология KEMET предлагает полное семейство конденсаторных решений, отвечающих всем требованиям, предъявляемым к каждой ступени ИИП. Для получения более подробной информации посетите https://www.kemet.com/en/us/applications/filtering.html

.
Y-конденсаторы

обычно изготавливаются из металлизированной полипропиленовой пленки, пропитанной бумаги или керамической диэлектрической технологии. Металлизированные пленочные и бумажные конденсаторы обладают превосходными свойствами самовосстановления и могут восстанавливаться после коротких замыканий и избегать более критических катастрофических отказов, обычно выходя из строя в цепи с разомкнутым режимом.Напротив, керамические конденсаторы могут стать нестабильными в зависимости от температуры и времени и не обладают свойствами самовосстановления. Керамические конденсаторы также склонны к короткому замыканию. Поскольку электромагнитные помехи всегда были фундаментальной трудностью при преобразовании мощности или интеграции различных систем, фильтрация является основным инструментом в наборе инструментов дизайнера.

Рисунок 2: Фильтр электромагнитных помех (вверху) имеет пленочные конденсаторы C _X и C _Y. Внизу показан сигнал до и после фильтрации конденсаторами для подавления электромагнитных помех или фильтром электромагнитных помех.

После выпрямления переменного напряжения конденсаторы являются еще одним ключевым компонентом ИИП. «Идеальная» конструкция имеет коэффициент мощности 1,0 и, следовательно, может потреблять всю энергию, которая может быть передана в нее. Предварительные регуляторы коррекции коэффициента мощности (PFC) повышают эффективность за счет увеличения коэффициента мощности и помогают снизить содержание гармоник на токовом входе. Конденсаторы компенсируют потери реальной мощности из-за индуктивных нагрузок. Схема PFC компенсирует всякий раз, когда формы волны напряжения и тока не совпадают по фазе, снижая уровень гармонических искажений.Поскольку PFC также требует использования полупроводниковых переключающих устройств, вместе с входным фильтром электромагнитных помех необходимо использовать дополнительные конденсаторы (предохранительные), фильтрующие электромагнитные помехи.

Преимущества внешней фильтрации

Схема переключения или переключаемого режима — это сердце SMPS. Транзисторы включаются и выключаются на высоких частотах, создавая чистую форму волны переменного тока с желаемой частотой и уровнями напряжения и тока. SMPS обеспечивает высокую эффективность с низким уровнем рассеивания тепла.Однако при переключении возникают пульсации, переходные процессы и шум в целом. Еще один каскад фильтра на выходе ИИП необходим для качественного питания нагрузки.

Высокопроизводительный SMPS будет иметь выходной каскад, поскольку пульсации выходного напряжения схемы переключения являются неотъемлемой частью. В других областях также могут возникать помехи (например, паразитная емкость), влияние которых можно увидеть на формах выходных сигналов SMPS.

Емкостной фильтр сглаживает дополнительные импульсы в выходном каскаде, так что на нагрузку подается почти постоянное напряжение постоянного тока.Выходной фильтр заряжается до пика входного напряжения, как видно на CF (положительная часть входа). Когда входное напряжение выходного каскада опускается ниже 0 В, конденсатор разряжается в нагрузку. Скорость его разряда зависит от постоянной времени RC, которая формируется сопротивлением нагрузки и конденсатором.

Некоторые приложения требуют точности и менее устойчивы к шуму, например, в медицинских, промышленных и бытовых приложениях. Шум, передаваемый по шине напряжения питания чувствительного оборудования, может вызвать неожиданные результаты в случайные моменты.В некоторых случаях это может стоить жизни или огромных денежных потерь продукции при производстве, например, если шум влияет на оборудование в критический момент. Перед покупкой всего нового оборудования или заменой источника питания простой в установке и предварительно спроектированный фильтр электромагнитных помех может помочь решить проблемы электромагнитных помех при гораздо меньшей стоимости и более быстрой конструкции. KEMET предлагает множество фильтров EMI / RFI.

Новый сертифицированный cUL / ENEC / CQC, F862-V054 X2 Конденсатор подавления электромагнитных помех

Конденсатор

KEMET F862-V054 идеально подходит как для входной фильтрации электромагнитных помех, так и для каскадов коррекции коэффициента мощности в импульсных источниках питания или любых других конструкциях с аналогичными требованиями.F862-V054 также соответствует критериям для приложений, требующих более высокого уровня безопасности и долговременной стабильности в суровых условиях. Этот конденсатор обладает превосходными тепловыми преимуществами благодаря исключительно высоким характеристикам самовосстановления и устойчивости к ионизации из-за его специальной конструкции, защищающей от условий смещения при высокой температуре и влажности.

Превосходные результаты испытаний на погрешность температуры-влажности (THB) имеют решающее значение для определения адекватной производительности в реальной жизни в суровых условиях окружающей среды.Пленочные конденсаторы, такие как KEMET F862-V054, идеально подходят для того, чтобы выдерживать различные суровые условия, которые используются экзонами в бортовых системах зарядки автомобильных гибридных / электромобилей, микроинверторах солнечной энергии и интеллектуальных измерителях мощности.

Рисунок 3: F862-V054 Внутренняя конструкция X2

F862-V054 Конденсаторы класса X2 изготовлены из металлизированной полипропиленовой пленки, залитой самозатухающей смолой (см. Рисунок 3 выше). Они соответствуют стандарту AEC – Q200 Совета автомобильной электроники и имеют оценку IIB (по тесту THB при 85 ° C, 85% R.H. 310 В переменного тока, 500 часов) в соответствии с последним стандартом IEC. Они рассчитаны на 310 В переменного тока / 630 В постоянного тока и имеют диапазон рабочих температур от -40 ° C до + 110 ° C.

Новый сертификат cUL / ENEC, SMP253 Y2, SMD EMI Suppressor, бумажный конденсатор с пропиткой

SMP253 — единственный в отрасли бумажный конденсатор SMD с сертифицированным классом безопасности Y2. Y-конденсаторы в каскаде входного фильтра ослабляют синфазный шум, излучаемый устройством в сеть / линию электропередачи, или наоборот.

SMP253 обеспечивает высочайшую производительность и надежность из существующих конденсаторных технологий в корпусе для поверхностного монтажа (SMD) и идеально подходит для массовой сборки небольших портативных продуктов. Y –конденсаторы, подключенные от одной ветви линии питания к земле (подключенной к шасси), должны выдерживать переходные процессы без сбоев, которые могут вызвать короткое замыкание или высокий ток утечки. Удары молнии — прекрасный пример того, почему перезаряжаемой бытовой электронике нужны фильтры, которые защищают ее от грязного электричества, ударов молнии или чего-то еще, что переносится в общедоступную сеть переменного тока.

Рисунок 4: Внутренняя конструкция SMP253 Y2

Конденсаторы

SMP253 изготовлены из пропитанной эпоксидной смолой бумаги в качестве диэлектрического материала (см. Рисунок 4 выше). Такая конструкция сводит к минимуму риск образования внутренних воздушных карманов. Такие карманы могут начать ионизацию, которая со временем приведет к окислению металлизации конденсатора, что приведет к потере емкости. Во влажных условиях водяной пар может усилить процесс окисления и ускорить потерю емкости.Однако в конденсаторной технологии такого типа не наблюдается такого явления. Напротив, поглощение воды приведет к увеличению емкости из-за вклада более высокой диэлектрической проницаемости воды.

Рисунок 5: Ускоренный срок службы, испытание на отклонение температуры и влажности (85 ° C / относительная влажность 85%) с использованием различных технологий пленок для подавления электромагнитных помех. Пример: Бумага: SMP253 Y2; Для тяжелых условий эксплуатации: полипропилен F862-V054 X2; Стандарт: полипропилен R46 X2.

Во время ускоренного испытания срока службы (рис. 5) бумажный диэлектрик SMP253 поглощает водяной пар с более высокой диэлектрической проницаемостью, чем другие конденсаторные технологии, что приводит к увеличению значения емкости.Напротив, конструкция для тяжелых условий эксплуатации (синяя тенденция на рис. 5) наглядно демонстрирует характеристики технологии F862-V054 X2 PP, поддерживая очень стабильное падение низкого значения емкости в аналогичных жестких условиях испытаний в течение продолжительных часов.

KEMET SMP253 Y2 поддерживает функции безопасности, фильтрации и обработки переходных процессов для снижения электромагнитных помех в низкопрофильном корпусе. SMP253 является лучшим по характеристикам безопасности для Y-конденсаторов благодаря превосходным свойствам самовосстановления, которые могут предотвратить катастрофические отказы.Для критически важных и требовательных приложений, таких как военные и медицинские, где также требуется высокая производительность, значение емкости должно оставаться постоянным, независимо от того, как долго он должен непрерывно работать. SMP253 очень стабилен при импульсных переходных процессах напряжения, рассчитан на максимальную надежность и безопасность, и он начинает терять минимальное значение емкости только после более чем 11 лет непрерывной работы.

Новый сертифицированный cUL и ENEC, фильтр электромагнитных помех FLLE2- (P, Q, R, S, U)

KEMET FLLE2 пяти серий (P, Q, R, S, U) — это внешние фильтры электромагнитных помех, которые были разработаны специально для развязки синфазных и дифференциальных шумов от оборудования, загрязняющего общие соединения.Внешний фильтр FLLE2 очищает шумы, создаваемые импульсным источником питания, от влияния на другое оборудование через линию электропитания переменного тока. Серия FLLE2- (P, .., U) — это универсальные внешние однофазные фильтры с высоким затуханием, что увеличивает запас для производственных различий между системами. Характеристики FLLE2 делают их идеальными для промышленного или медицинского применения.

Рисунок 6: Пример конфигурации цепи для серий FLLE2-P и FLLE2-U (наименьшее и наибольшее затухание)

Серия FLLE2 рассчитана на 300 В переменного / постоянного тока со стандартным номинальным током от 1 до 32 А (при 40 ° C).Линейка из пяти серий фильтров предлагает повышенные характеристики вносимых потерь, выбор из средних, высоких и сверхвысоких уровней затухания, а также версии медицинского класса для обеспечения нулевого тока утечки. Также есть вариант с гибкими проводными соединениями.

Фильтры

— это как предоплаченная страховка на случай неисправностей оборудования в будущем. Однако качество компонентов фильтра может повлиять на фактические результаты. Высокопроизводительную фильтрацию можно решить с помощью качественных компонентов от KEMET.

Фильтр FLLE2- (P, Q, R, S, U), конденсаторы SMP253 и F862-V054 обеспечивают определяющее в отрасли качество для множества приложений, требующих безопасных вариантов фильтрации. Узнайте больше, посетив https://www.kemet.com/en/us/applications/filtering.html.

Конденсаторы 4 типов для фильтрации приложений в импульсных системах питания — Блог о пассивных компонентах

Источник

: блог Capacitor Faks

Саймон Ндириту из General Dielectrics объясняет некоторые основные рекомендации по выбору конденсаторной технологии в импульсных источниках питания.

Введение

Импульсные источники питания (ИИП) широко используются в современных электронных системах. Они популярны в основном благодаря своей впечатляющей эффективности, небольшому весу и небольшому объему. Надежность источника питания во многом определяет срок службы электронной системы. В случае персональных компьютеров 90% отказов могут быть связаны с проблемами, связанными с SMPS. Таким образом, ожидается, что системы электроснабжения будут обеспечивать высокую надежность.

Конденсаторы являются важными компонентами импульсной системы питания.И входной, и выходной каскады системы SMPS имеют конденсаторы. На входе используются выпрямитель и конденсатор для преобразования переменного напряжения в постоянное. Выходной каскад состоит из LC-фильтра, комбинации конденсатора и катушки индуктивности, которая удаляет шум и пульсации напряжения.

Типичная система импульсного источника питания имеет следующие ключевые компоненты: входной выпрямитель, входной фильтр, силовые переключатели, силовой трансформатор, выходной выпрямитель, выходные фильтры и схему управления.Входные и выходные фильтрующие конденсаторы ИИП выбираются в зависимости от требований к электрическим характеристикам. Эти конденсаторы в значительной степени определяют надежность системы SMPS.

Выбор конденсаторов для фильтрации SMPS

Ключевые факторы, которые следует учитывать при выборе конденсатора для приложений фильтрации SMPS, включают эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), эквивалентную последовательную индуктивность (ESL), плотность емкости, температурные характеристики, диэлектрическую постоянную, характеристики напряжения, частотные характеристики и стоимость.Типы конденсаторов, которые обычно используются для входной и выходной фильтрации в импульсных системах питания, включают алюминиевые электролитические, танталовые, керамические и пленочные конденсаторы.

Алюминиевые электролитические конденсаторы
В течение долгого времени проектировщики энергосистем использовали алюминиевые электролитические конденсаторы для входной и выходной фильтрации в импульсных системах питания. Эти конденсаторы обладают превосходной емкостью на единицу объема и недороги. Высокое значение CV алюминиевых электролитических конденсаторов достигается нанесением тонких слоев диэлектрического материала на протравленную алюминиевую металлическую фольгу.Превосходная плотность емкости и относительно низкая стоимость этих конденсаторов делают их популярным выбором для приложений фильтрации в импульсных источниках питания.

С другой стороны, алюминиевые электролитические конденсаторы имеют высокое эквивалентное последовательное сопротивление. Конструкция этих конденсаторов является основной причиной такого высокого ESR. Такое высокое значение ESR является серьезной проблемой в высокочастотных приложениях. Кроме того, на характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов значительно влияет воздействие высоких температур.

Испарение электролита сокращает срок службы алюминиевых электролитических конденсаторов. Кроме того, эти конденсаторы имеют полярность, и неправильное их подключение может привести к выходу из строя. Более того, в условиях перенапряжения алюминиевый электролитический конденсатор может взорваться.

Танталовые конденсаторы
Танталовые конденсаторы обладают высокой емкостью и обычно используются в приложениях фильтрации SMPS. Танталовый конденсатор имеет высокопористый анод, который обеспечивает большую площадь диэлектрической поверхности, следовательно, чрезвычайно высокую плотность CV.По сравнению с алюминиевыми электролитическими конденсаторами эти конденсаторы обладают лучшими характеристиками для фильтрации приложений в импульсных системах питания. Тем не менее стоимость производства этих конденсаторов выше, чем у алюминиевых электролитических конденсаторов.

На высоких частотах танталовые конденсаторы демонстрируют относительно высокое эквивалентное последовательное сопротивление и значительную потерю емкости. Для некоторых приложений фильтрации требуются конденсаторы с высоким номинальным напряжением. Танталовые конденсаторы менее эффективны для таких применений.Кроме того, производительность танталовых конденсаторов значительно ухудшается, если они подвергаются многократным циклам заряда / разряда. Кроме того, эти конденсаторы имеют высокие токи утечки и могут содержать токсичные ингредиенты.

Керамические конденсаторы
Для создания керамических конденсаторов доступны различные диэлектрические материалы. Выбор материала во многом зависит от желаемых эксплуатационных характеристик. Впечатляющие рабочие характеристики керамических конденсаторов делают их подходящим вариантом для входной и выходной фильтрации в системах SMPS.И керамический диск, и многослойные керамические конденсаторы (MLCC) используются в фильтрации SMPS. Хотя керамические дисковые конденсаторы стабильны в широком диапазоне температур и подходят для приложений, требующих высоких значений напряжения, многие производители перешли на многослойные керамические конденсаторы из-за их плотности CV.

Многослойные керамические конденсаторы способны достигать высоких уровней емкости. Возможность высоких уровней емкости является одним из факторов, делающих эти конденсаторы подходящим вариантом для входной и выходной фильтрации в системах SMPS.Большинство керамических конденсаторов для фильтров SMPS основано на диэлектрических материалах класса II. По сравнению с диэлектрическими материалами класса I материалы класса II имеют более высокую диэлектрическую проницаемость. Свойства диэлектрического материала X7R класса II делают его одним из широко используемых материалов для создания конденсаторов для фильтрации импульсных источников питания. Хотя материалы класса II обладают более высокой диэлектрической проницаемостью, они демонстрируют снижение диэлектрической проницаемости при воздействии постоянного напряжения и старении.

По сравнению с алюминиевыми электролитическими конденсаторами, танталовыми конденсаторами и пленочными конденсаторами многослойные керамические конденсаторы имеют более низкое эквивалентное последовательное сопротивление. Это свойство помогает минимизировать потери мощности в фильтрах SMPS. Кроме того, низкое последовательное последовательное сопротивление (ESR) помогает снизить пульсации выходного напряжения, и это делает многослойные керамические конденсаторы лучшим вариантом для выходной фильтрации в импульсных источниках питания. По сравнению с другими конденсаторами, используемыми для фильтрации SMPS, многослойные керамические конденсаторы обеспечивают лучший ESL. У них также есть лучшая способность справляться с пульсациями тока.Более того, MLCC бывают разных физических форматов и имеют широкий диапазон температурных характеристик, обычно до 250oC. Это свойство делает их подходящим вариантом для фильтрации SMPS в автомобильной, военной промышленности, при бурении скважин и других высокотемпературных применениях.

Процесс изготовления керамических конденсаторов включает их обжиг при высоких температурах. Обожженный керамический материал прочен на сжатие, но слаб при растяжении. Таким образом, воздействие на эти конденсаторы механических нагрузок может привести к отказу компонентов.Кроме того, конструкция керамических конденсаторов увеличивает их восприимчивость к тепловому удару. Поэтому важно учитывать условия эксплуатации при выборе конденсатора для приложений фильтрации SMPS. Кроме того, по сравнению с алюминиевыми электролитическими и танталовыми конденсаторами MLCC имеют более низкую плотность CV.

Пленочные конденсаторы
Пленочные / фольговые и металлизированные пленочные конденсаторы обладают впечатляющими свойствами самовосстановления. В большинстве пленочных конденсаторов используется диэлектрический материал из полипропилена или полиэстера.Полиэстер легко доступен и имеет высокую диэлектрическую проницаемость. С другой стороны, полипропилен имеет относительно низкий коэффициент рассеяния. Пленочные конденсаторы на основе полиэфира в основном используются в приложениях, требующих высокого объемного КПД, в то время как конденсаторы на основе полипропилена в основном используются для приложений с высоким постоянным током и высоким напряжением / высокой частотой переменного тока. Конструкция пленочных конденсаторов позволяет им выдерживать экстремальные переходные процессы, что делает их лучшим вариантом для фильтрации SMPS в сильноточных приложениях.Кроме того, пленочные конденсаторы легкие, небольшие по размеру и относительно недорогие в производстве.

Хотя пленочные конденсаторы обладают впечатляющими характеристиками, которые делают их подходящим вариантом для многих приложений фильтрации SMPS, у них есть ограничения. Начнем с того, что эти конденсаторы имеют более высокое ESR и ESL по сравнению с керамическими конденсаторами. Кроме того, пленочные конденсаторы не подходят для высокотемпературных применений. Хотя некоторые пленочные конденсаторы рассчитаны на 125 ° C, большинство из них не подходят для температур выше 105 ° C.В приложениях переменного тока пленочные конденсаторы могут выйти из строя, если они подвергаются перенапряжению. Этот отказ вызван коронным разрядом.

Заключение

Производительность и надежность импульсной системы питания во многом определяется входными и выходными фильтрующими конденсаторами. Типы конденсаторов, которые обычно используются для фильтрации в SMPS, включают алюминиевые электролитические конденсаторы, танталовые конденсаторы, пленочные конденсаторы и керамические конденсаторы. Тип и количество конденсаторов, которые будут использоваться для конкретного применения, в основном зависят от условий эксплуатации источника питания.Выбор подходящих фильтрующих конденсаторов помогает максимально повысить надежность импульсной системы питания.

Выходные фильтры импульсных блоков питания. . Обзоры техники.

ЭМП-фильтры для контроллеров импульсных DC/DC источников питания

Необходимость во входном фильтре

Измерение напряжения помех

Влияние управляющего контура

Требования к выходному фильтру

Ос лабление пульсаций

Прямые потери по току на выходном фильтре

Стабильность управляющей схемы

Переходная характеристика

Выводы

Способы устранения помех в импульсных блоках питания

Фильтр для импульсных блоков питания

Качественный фильтр сетевых помех для аудио + своими руками

Посчитаем?

Так что же покупить?

Грамотные производители должны были всё предусмотреть!

За работу!

Скажи мне, кто твой враг

Блокировочный конденсатор

Дроссель

Синфазный трансформатор

Два маленьких компаньона

Антизвон

Разрываем контур заземления

Собираем

А ещё лучше — можно?

Что дальше?

Сетевой фильтр – последний барьер в импульсном источнике питания

Паразитные токи на входе импульсного источника питания

Расчетный спектр шума

Проектирование сетевого фильтра

Оптимизация сетевого фильтра

Использование сетевого фильтра без дросселя

Дополнительный дифференциальный фильтр

Выводы

о волшебных розетках, “чудо-фильтрах”, и “вреде” импульсных блоков питания / Блог компании Pult.ru / Хабр

Sonus lumine veritatis

Блоки питания

Розетки и фильтры

Почему аудиофилы действительно слышат разницу?

Сухой остаток

Снижение шума импульсного регулятора с LC-фильтром

Разработка выходных фильтров второго каскада для импульсных источников питания

Процесс проектирования выходного RC-фильтра второй ступени

Процесс проектирования LC-фильтра с использованием параллельного резистивного демпфирования (метод 1 на рисунке 4)

Процесс проектирования LC-фильтра с использованием RC-демпфирующей сети (метод 2 на рисунке 4)

Заключение

3 способа снижения шума источника питания

Функции / требования SMPS с прямым автономным питанием — ВЫХОДНЫЕ ФИЛЬТРЫ

: Разработка и моделирование | Блог

Начало проектирования выходного фильтра импульсного источника питания

Начальная выходная мощность

Добавочные резисторы для демпфирования

Замена C1, C2 и / или L2

Сводка стратегий фильтрации

Дальнейшие улучшения

Завершение работы над схемой SMPS

Важность фильтрации для источников питания

Использование X- и Y-конденсаторов для безопасности и подавления электромагнитных помех

Преимущества внешней фильтрации

Новый сертифицированный cUL / ENEC / CQC, F862-V054 X2 Конденсатор подавления электромагнитных помех

Новый сертификат cUL / ENEC, SMP253 Y2, SMD EMI Suppressor, бумажный конденсатор с пропиткой

Новый сертифицированный cUL и ENEC, фильтр электромагнитных помех FLLE2- (P, Q, R, S, U)

Конденсаторы 4 типов для фильтрации приложений в импульсных системах питания — Блог о пассивных компонентах

alexxlab

Вам также может понравиться

График отключение горячей воды: График отключения горячей воды в Москве

Реквизиты оао петербургская сбытовая компания: Реквизиты и стандарты

Магнитные усилители: §72. Магнитные усилители

Добавить комментарий Отменить ответ

Необходимость
во входном фильтре

Требования
к выходному фильтру

Прямые потери по току
на выходном фильтре

Стабильность
управляющей схемы