Celem tego artykułu jest zaprezentowanie inżynierskich metod doboru filtrowania torów zasilania dla przetwornic DC/DC małej mocy. Na potrzeby artykułu wykonałem badania przetwornicy XP Power JTC0624S05.
Jej podstawowe parametry to Vin 9-36VDC, Vout 5VDC, Iout 800mA.
Aby zapewnić porównywalność pomiarów, w każdym przypadku napięcie zasilania wynosić będzie 24VDC. Badania EMC/EMI będą przeprowadzane zgodnie z normą MIL-STD-461F, która jest o wiele bardziej restrykcyjna niż w przypadku urządzeń dedykowanych na rynek konsumencki. Ogólnie rzecz biorąc, urządzenia mające spełniać ów normę z reguły są zamknięte w uziemionej metalowej obudowie. W naszym przypadku będziemy badać przetwornicę bez żadnej obudowy.
Wariant 1 – Brak filtrowania
Schemat elektryczny:
Zamieszczone na schemacie kondensatory elektrolityczne dają co prawda „jakieś” filtrowanie, jednak użyte zostały tylko po to aby zapewnić przetwornicy stabilną pracę. Ich brak może uszkodzić przetwornicę.
Wstępna ocena zakłóceń za pomocą oscyloskopu:
Ustawiamy w oscyloskopie Coupling dla wybranego kanału na AC, następnie ustawiamy czułość na około 100mV/dz. Podstawą czasu czasem trzeba trochę pokręcić. W opisywanym przypadku zakłócenia były dobrze widoczne. Na poniższych fotografiach pokazałem kolejne zbliżenia na badane zakłócenie:
Na ostatnim oscylogramie widzimy zaznaczone dwie wartości napięcia. Pomiar polega na tym aby złapać kursorami czas narastania od 10% do 90% wartości szczytowej. Liczymy różnicę czasu pomiędzy nimi a następnie obliczamy jej odwrotność. Oscyloskop potrafi to za nas policzyć. W tym przypadku otrzymaliśmy 119MHz. Nie jest to dokładne wskazanie. W zależności od przeprowadzonego pomiaru, wartość ta może się wahać między 90 a 160MHz dla tego przypadku. Otrzymaną wartość mnożymy przez 0.35. Otrzymana wartość to prawdopodobnie najbardziej wyraźna i problematyczna częstotliwość zakłóceń EMI. W naszym przypadku wynik wynosi 41,65 MHz. Biorąc pod uwagę rozrzut pomierzonej wartości możemy się spodziewać, że wysoka emisja promieniowania będzie zawierać się w zakresie 31 – 56MHz.
Amplituda naszego pomiaru wynosi około 280mV. Z doświadczenia wiem, że to oznacza spore kłopoty. Jeżeli badany układ cechują tętnienia poniżej 40mV peak-peak to wtedy możemy być spokojni.
Badanie EMC/EMI
Badanie zaburzeń przewodzonych:
PLUS:
MINUS:
Jak widać na powyższych wykresach, poziom zakłóceń w przewodzie zasilającym jest znaczny. Szczególną uwagę należy zwrócić na prawie identyczny wygląd zaburzeń w dodatnim i ujemnym przewodzie zasilającym. Będzie to później istotne w doborze odpowiedniego filtrowania. W aktualnej formie urządzenie nie ma szans na przejście badań pozytywnie.
Emisja promieniowana w paśmie 2-50MHz:
Powyższy wykres może nam powiedzieć dużo na temat przyszłych trudności w dobraniu filtra. Obecność dużej ilości „prążków” jest dobrą wiadomością. W przypadku gdy na wykresie widzielibyśmy linię ciągłą, oznaczałoby to, że zakłócenia niosą ze sobą znacznie większą energię. Energię, którą trzeba wytłumić, lub rozproszyć w ciepło. Prążki, nawet wysokie nie są tragedią.
Emisja promieniowana w paśmie 30-300MHz:
Polaryzacja pozioma:
Polaryzacja pionowa:
Z powyższych wykresów możemy wyczytać jakie częstotliwości są najbardziej problematyczne. Z naszych wstępnych pomiarów oscyloskopem oszacowaliśmy, że największe zakłócenia będą w paśmie 31-56MHz. Na wykresie jest to pierwszy od lewej obszar. Jest tam sporo zakłóceń, jednak nie są największe. Cóż, niepewność pomiaru oscyloskopem, może akurat złapałem łagodniejsze zbocze, które dało zaniżony wynik.
Najtrudniejsze do wyeliminowania będą zakłócenia w zakresie 50-100MHz ponieważ na wykresie są poprowadzone linią ciągłą. Niosą ze sobą najwięcej energii. Na szczęście jest też dostępnych sporo materiałów, pozwalających na wytłumienie tych częstotliwości.
Problemy może też stwarzać pasmo 160-220MHz, ponieważ dosyć trudno filtrować te częstotliwości bez użycia metalowych puszek ekranujących. Jest szansa, że to pasmo jest jedynie trzecią harmoniczną od najwyższego piku na wykresie (71 MHz): 71MHz*3 = 213MHz.
Modelowanie filtra pojemnościowego:
Wprowadzając odpowiednie modele rzeczywiste stosowanych kondensatorów można z powodzeniem zaprojektować filtr w programie LT Spice.
Ja swoich kondensatorów ceramicznych przyjąłem indukcyjność pasożytniczą na poziomie 800pH (obudowa 0805) oraz 1200pH (obudowa 1206).
Poniżej zaprojektowany filtr oraz jego tłumienie:
Wariant 2 – Filtrowanie różnymi pojemnościami ceramicznymi
Schemat elektryczny:
Wstępna ocena zakłóceń za pomocą oscyloskopu:
Nastawy oscyloskopu jak w poprzednim przypadku. Poniżej zamieściłem tylko złapane zbocze zakłócenia:
Amplituda tętnień spadła prawie o połowę. To dobry znak, jednak jest to prawie granica działania filtrów wyłącznie pojemnościowych.
Badania EMC/EMI:
Badanie zaburzeń przewodzonych:
PLUS:
MINUS:
Słabo. Bez zmian w stosunku do wersji niefiltrowanej.
Emisja promieniowana w paśmie 2-50MHz:
Także brak widocznej poprawy.
Emisja promieniowana w paśmie 30-300MHz:
Polaryzacja pozioma:
Polaryzacja pionowa:
Troszkę lepiej ale i tak bardzo słabiutko….
Dodajmy trochę zwojów…
Nowo projektowany filtr wygląda tak:
Wariant 3 – Filtrowanie z użyciem kombinacji L(CM)+C
Schemat elektryczny:
Wstępna ocena zakłóceń za pomocą oscyloskopu:
Nastawy oscyloskopu jak w poprzednim przypadku. Poniżej zamieściłem tylko złapane zbocze zakłócenia:
Wygląda troszkę lepiej. Ważne jest, że na wykresie widzimy ładną sinusoidę. Nie ma nieregularnych kształtów jak w poprzednich przypadkach.
Badania EMC/EMI:
Badanie zaburzeń przewodzonych:
PLUS:
Minus:
Teraz jest znacznie lepiej. Jeżeli zaburzenia przewodzone są identyczne w obu przewodach zasilających to konieczne jest użycie dławika Common Mode (właśnie taki zastosowałem, co dało efekt). Chwilowe strumienie magnetyczne indukowane przez ów szpilki zaburzeń znoszą się wtedy wzajemnie, wygładzając wykres na analizatorze. W tym momencie urządzenie bez problemów przejdzie badania emisji przewodzonej.
Emisja promieniowana w paśmie 2-50MHz:
Mocna poprawa. Możliwe, że trzeba dodać więcej pojemności przed i za filtrem.
Emisja promieniowana w paśmie 30-300MHz:
Polaryzacja pozioma:
Polaryzacja pionowa:
Duża poprawa. Może po dodaniu większej pojemności byłoby jeszcze lepiej. Tak wygląda wykres po założeniu dwóch ferrytów (Wurth 742 727 22) na kabel wejściowy i wyjściowy przetwornicy:
Polaryzacja pozioma:
Polaryzacja pionowa:
Spadek o kilka dB
Bardzo ładnie.
Wygląda na to, że pierwotne pomiary oscyloskopem i strzał w częstotliwość 31-56MHz okazał się celny. Po odfiltrowaniu prawie wszystkiego okazało się, z jakim pasmem jest najwięcej problemów. Aby wytłumić tętnienia w tym paśmie zalecałbym użycie innego filtra Common Mode niż aktualnie użyty. Zastosowany filtr P0354NL najlepiej się nadaje dla częstotliwości w paśmie 1-17MHz. Pewnie lepszy byłby P0421NL. Temat wymaga kolejnych eksperymentów.
Wariant 4 – Filtrowanie z użyciem kombinacji L(CM)+(DUŻO) C
Do poprzedniego układu dodałem jeszcze po 30uF z każdej strony przetwornicy.
Na oscyloskopie już nie zobaczymy prawie żadnej zmiany.
Badania EMC/EMI:
Badanie zaburzeń przewodzonych:
PLUS:
MINUS:
Poprawiła się emisja w górnym paśmie. Warto więc dorzucić kilka kondensatorów więcej aby mieć pewność.
Emisja promieniowana w paśmie 2-50MHz:
Tutaj także widać poprawę w górnym paśmie.
Emisja promieniowana w paśmie 30-300MHz:
Polaryzacja pozioma:
Polaryzacja pionowa:
Jest niewielka poprawa. Czasem te kilka dB robi różnicę
Podsumowując:
Projektowanie filtra zasilania zawsze będzie wymagało co najmniej kilku prób i kilku prototypów.
W powyższym przykładzie celowo użyłem długich przewodów zasilających (1m) oraz prowadzących do rezystora obciążającego (0.5m). Cel takiego zabiegu jest taki aby ów przewody działały jak porządne anteny nadawcze. Po zmniejszeniu długości przewodów i zamknięciu przetwornicy w obudowę chociażby z folii aluminiowej, będzie ona spełniała normę MIL-STD-461F w zakresie emisji przewodzonej i promieniowanej.
Zapraszam do dyskusji.
Cool? Ranking DIY
