Показан инженерный подход к расчету параметров типовой схемы входного фильтра ИВЭП (синфазной помехи), основанный на условии удовлетворения требованиям стандара по электромагнитной совместимости спектрального состава образующегося сигнала помехи на гармониках, кратных основной в ИВЭП с ШИМ.

Постановка задачи

При разработке импульсных источников вторичного электропитания (ИВЭП) серьезной задачей является обеспечение электромагнитной совместимости этих устройств с другой аппаратурой. В силу своего принципа действия, импульсный ИВЭП является источником разнообразных электромагнитных помех. Уровни этих помех должны удовлетворять требованиям соответствующих стандартов. В данной статье будет рассмотрен аспект этой проблемы, касающийся кондуктивных помех, отдаваемых ИВЭП в питающую сеть.

Зарубежные стандарты - CISPR22, EN55022 и др. определяют допустимый уровень помех в полосе частот 150 кГц ... 30 МГц для двух классов аппаратуры Class A - для использования в промышленности, и Class B - для использования в быту (более жесткие требования). Основным отечественным стандартом, нормирующим уровни кондуктивных помех для стабилизированных ИВЭП, а также методы их измерений, является [1]. Уровням Class A и Class B в [1] соответствуют Уровень D и Уровень B (см таблицу 1).

Таблица 1

Частота	Напряжение радиопомех, дБ (мкВ)
	Уровень D (Class A)	Уровень B (Class B)
150 кГц	79	66
150 кГц - 500 кГц	79	66-56
0,5 МГц - 5 МГц	73	56
5 МГц - 30 МГц	73	60

Методика измерения синфазной помехи в указанной полосе частот согласно [1] сводится, по сути, к измерению падения напряжения на входных зажимах ИВЭП относительно корпуса на тестовых подгружающих резисторах номиналом 50 Ом (см рис.1). При этом по постоянному напряжнию измерительная цепь отвязана от цепей питания конденсатором (0.25 мкФ для уровней потребляемого тока до 25 А либо 0.1 мкФ для уровня свыше 25 А), а влияние импеданса питающей цепи на измеряемые характеристики в области интересующих частот исключается при помощи так называемого эквивалента сети. Применение эквивалента сети также ослабляет возможное влияние помех от самой питающей сети.

Рис.1 Схема измерения синфазной помехи

Измерения производят при помощи измерителя радиопомех, имеющего входное сопротивление 50 Ом, поочередно для каждого из питающих выводов. Одно из показанных на рис.1 сопротивлений 50 Ом отображает в этом случае входное сопротивление измерителя, а другое является подгрузочным. Переключения измерителя и подгрузочного резистора производятся с помощью коммутирующих цепей, не показанных для простоты на рисунке.

Испытания на электромагнитную совместимость, в том числе кондуктивных помех производятся на сертифицированном оборудовании и требуют определенных финансовых затрат. Поэтому ещё на этапе разработки ИВЭП необходимо учитывать основные факторы, влияющие на результаты подобных испытаний. Одним из основных источников синфазных помех в ИВЭП в полосе частот 150 кГц ... 30 МГц являются процессы, связанные с самим принципом действия ИВЭП с ШИМ - а именно наличие тактовой частоты преобразования и её высших гармоник в измеряемом сигнале. Другим заметным фактором могут быть коммутационные процессы, происходящие в ключевых элементах ИВЭП - они могут проявиться в области высоких частот диапазона. Цель настоящей статьи - показать возможность расчета уровней синфазной помехи для основной гармоники и ряда высших гармоник преобразователя с ШИМ (то есть с постоянной частотой), для того чтобы учесть как минимум первый указанный фактор при проектировании фильтра синфазной помехи ИВЭП.

Практическая методика измерения синфазной помехи

Использование специального оборудования, особенно сертифицированного, для измерения синфазной помехи не всегда доступно инженеру при исследовании макетов ИВЭП на этапе разработки. Однако для приблизительной оценки уровней помех в области относительно низких частот можно использовать более доступные средства - а именно цифровой осциллограф. Идея состоит в том, чтобы оцифровать осциллограммы напряжения на тестовых резисторах, являющиеся периодическими сигналами, а затем рассчитать их гармонический состав, используя преобразование Фурье.

На рисунке 2 показаны осциллограммы напряжения Uизм1 и Uизм2 относительно заземления (согласно рис.1) для блока RCA300.10240A [2], при следующих параметрах: Vin=60 V, Vo=24V, Io=1.25A. Данный блок питается от сети постоянного напряжения, но имеет в своем составе фильтр синфазной помехи. Там же показан спектральный состав измеренных сигналов, рассчитанный с помощью преобразования Фурье до частоты, равной половине от частоты дискретизации оцифрованного сигнала (в данном случае - до 12.5 МГц).

вывод 2 (+Vin) 10 mV/div, 1us/div

вывод 3 (-Vin) 10 mV/div, 1us/div

Рис.2 Осциллограммы и спектральный состав синфазной помехи блока RCA300.10240A

На рис.2 черным цветом показана ограничительная кривая по Class A, а синим цветом - по Class B. Как видно из рисунка, наиболее критичный диапазон с точки зрения удовлетворения требованиям стандарта - первые пять гармоник частоты преобразования (однако первая гармоника - чуть выше 100 кГц не попадает ещё в интересующий нас диапазон частот). Следует отметить, что различие в осциллограммах и спектрах сигналов, снятых на разных выводах блока связано с отсутствием фильтра дифференциальной помехи в его составе, так что сигнал дифференциальной помехи в первом случае (осциллограмма слева) вычитается из сигнала синфазной помехи, а во втором случае (справа) складывается с ним. Тем не менее и в том и в другом случае блок не удовлетворяет требованиям по Class B, но "проходит" по Class A.

Определение источников синфазной помехи

Учет дифференциальной составляющей

При отсутствии специального фильтра дифференциальной помехи в ИВЭП, её доля в синфазной составляющей, отдаваемой в сеть может быть весьма существенной (пример смотри выше). Источником помехи можно считать напряжение Uдиф - напряжение на входе ИВЭП (после фильтра). Здесь L1, C1, C2 составляют стандартную схему фильтра синфазной помехи. При этом дифференциальная составляющая без помех проходит через дроссель синфазного фильтра и выделяется с соответствующим знаком на делителе напряжения, образованном тестовыми резисторами (рис.3). Разделительные конденсаторы здесь не показаны, так так их импедансом в рассматриваемой полосе частот можно пренебречь.

Рис.3 Дифференциальная составляющая помехи

Напряжение Uдиф может быть достаточно хорошо определено исходя из анализа электрических процессов в преобразователе, в частности в качестве Uдиф может быть принята высокочастотная пульсация на входном конденсаторе, входящем в составе ИВЭП. Как можно видеть, дифференциальная составляющая совершенно не подавляется синфазным фильтром, и может присутствовать в измеряемом сигнале в результате применения методики измерения из [1]. Хорошим методом исключения этой составляющей из сигнала помехи является применение дополнительного фильтра дифференциальной помехи (в простейшем случае LC фильтра).

Учет синфазной составляющей

Однако основной составляющей помехи относительно заземления (особенно при хорошем фильтре дифференциальной помехи), служит именно синфазная помеха - то есть помеха, одинаковая для обоих входных выводов ИВЭП в заданном частотном диапазоне. Для данного случая справедлива схема замещения, показанная на рисунке 4.

Рис.4 Синфазная составляющая помехи

Сигнал помехи Uсинф выделяется на Y-конденсаторах фильтра (для данной схемы замещения они оказываются включенными параллельно), в результате деления напряжения некого эффективного источника помехи Uef емкостным делителем с коэффициентом передачи (1), верхнее плечо которого образует эффективная емкость Сef.

(1)

Чем больше суммарная емкость Y-конденсаторов Cy, по сравнению с Cef, тем меньше будет и напряжение помехи. Отметим, что ограничения на увеличение емкости Y-конденсаторов накладывают стандарты безопасности, нормирующие максимально-допустимый ток утечки. Далее сигнал помехи фильтруется LR фильтром с коэффициентом передачи (2), составленным из индуктивности синфазного дросселя L1 и тестовых сопротивлений R, соединенных параллельно, согласно схемы замещения (рис.4).

(2)

Задача определения Uэф и Cэф в общем случае нетривиальна. Её решение будет зависить от примененных схемы ИВЭП, компонентов, конструкции и технологии. В простейшем случае Cэф будет определяться межобмоточной емкостью трансформатора, а Uэф - напряжением, приложенным между его обмотками. Очевидно, что чем больше индуктивность дросселя L1, тем сильнее будет подавляться синфазная помеха.

Примеры расчета

Расчет в одной точке

В качестве первого примера, рассмотрим расчет уровня синфазной помехи для преобразоватея, экспериментальные характеристики которого были показаны на рисунке 2. В данном случае ставится скорее задача анализа, для проверки методики и сравнения с экспериментальными результатами.

В этом случае сначала была расчитана синфазная составляющая сигнала помехи Uсинф (рис.4), являвшаяся для данного режима прямоугольными импульсами напряжения с размахом (от пика до пика) dU1 (3), где Vin, Vo - входное и выходное напряжения преобразователя, w1, w2 - числа витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Преобразователь - обратноходовый, работающий (при данном Vin) в режиме непрерывного тока, и скважностью G=tи/T.

(3)

Затем сигнал Uсинф раскладывался на гармоники с помощью процедуры быстрого преобразования Фурье, и умножался на коэффициент передачи фильтра Ks (2). После этого полученный сигнал восстанавливался во временной области с помощью обратного быстрого преобразования Фурье. Таким образом была получена синфазная составляющая в измеряемом сигнале.

После этого к полученному сигналу была прибавлена с соответствующим знаком дифференциальная составляющая (согласно рис.3), которая была определена как произведение тока во входном конденсаторе преобразователя на его ESR (эквивалентное последовательное сопротивление). Дифференциальная составляющая в этом случае определялась по (4), где I0 - начальное значение тока первичного ключа преобразователя, L - индуктивность намагничивания. Отметим, что начальное значение тока I0 в данном случае было близко к нулю, т.е. блок был близок к граничному режиму. Также следует отметить, что сложение сигналов на тестовых резисторах производилость без учета их постоянных составляющих, что позволило существенно упростить расчеты во временной области. В результате, были получены идеализированые эпюры напряжений на измерительных резисторах, показанные на рисунке 5, которые можно сравнить с экспериментальными осциллограммами на рисунке 2.

(4)

красн - Uизм1, син - Uизм2

Рис.5 Идеализированные эпюры напряжений на измерительных резисторах

Спектральный состав (до 7-й гармоники) этих временных характеристик представлен на рисунке 6. Несмотря на некоторые отличия от характеристик, вычисленных по экспериментальным данным, можно утверждать, что в первом приближении расчет даёт правильные результаты.

красн - Uизм1, син - Uизм2

Рис.6 Спектральный состав напряжений на измерительных резисторах.

В заключение этого примера приведем значения всех параметров, использовавшихся при расчетах:

Vin=60 V - входное напряжение преобразователя
Vo=24 V - выходное напряжение преобразователя
Io=1.25 А - выходной ток преобразователя
w1=60, w2=27 - витки трансформатора
T=10 мкс - период коммутации
G=0.48 - коэффициент заполнения (скважность)
Cef=62 пФ - межобмоточная емкость трансформатора
Cy=4.4 нФ - суммарная емкость Y-конденсаторов
Ls=3.8 мГн - индуктивность синфазного дросселя
L=40 нГн - индуктивность намагничивания силового трансформатора, приведенного к единичному витку
ESR=20 мОм - эквивалентное последовательное сопротивление входного конденсатора
I0=0.06 А - значение тока первичного ключа преобразователя при t=0
R=50 Ом - номинал тестового резистора

Расчет при вариации параметров

Расчет в одной точке не всегда удовлетворяет разработчика, так как параметры преобразователя (например входное напряжение) могут меняться. На основе знания о характере влияния тех или иных параметров, разработчик может сделать окончательный выбор параметров фильтра синфазной помехи.

Для примера рассмотрим как будут меняться гармонический состав дифференциальной и синфазной составляющих помехи, измеряемой на тестовом резисторе, в зависимости от питающего напряжения ИВЭП. Данный пример касается серии ИВЭП, рассчитанных на расширенный диапазон входного напряжения (85...342 Vdc) и выходную мощность 30 Вт. Для этой серии ИВЭП был сделан расчет зависимости амплитуд первых пяти гармоник, измеряемых на тестовом резисторе, согласно рис.1, от входного напряжения преобразователя. На рисунке 7 показаны результаты этого расчета для наихудшего случая в ряду выходных напряжений (Vo=5В).

1-я гармоника - 100 кГц (красн) 2-я гармоника - 200 кГц (син) 3-я гармоника - 300 кГц (зел) 4-я гармоника - 400 кГц (фиол) 5-я гармоника - 500 кГц (голуб)

Рис.7 Дифференциальная (слева) и синфазная (справа) составляющие помехи для первых пяти гармоник

Из рисунка видно, что в части дифференциальной составляющей блок не может удовлетворят требованиям ГОСТ [1], и требуется введение фильтра дифференциальной помехи. В части синфазной помехи при использовании синфазного дросселя номиналом 8.2 мГн, блоки попадают в Class A (промышленное применение). Выход из группы Class B происходит на второй гармонике при Vin>200 В. Увеличение индуктивности синфазного дросселя на 20%, согласно расчету, позволит удовлетворить требованиям Class В (бытовое применение).

Заключение

Для схем с ШИМ достаточно просто ещё на этапе проектирования ИВЭП оценить, с помощью предложенной методики, удовлетворяет ли выбранный фильтр синфазной помехи заданному классу по ЭМС в части кондуктивных электромагнитных помех. Рассмотенная методика излагалась для простоты на примере питания ИВЭП от источника постоянного напряжения, однако её можно распространить и на синусоидальный питающий источник, исходя из кокретных условий применения. Например можно было бы учесть влияние высших гармоник выпрямленного питающего напряжения на состав сигнала помехи (для случая относительно высокой частоты питающей сети и относительно низкой частоты преобразователя), либо оценить интервалы в которые происходит передача помех в питающую сеть (например для мостового выпрямителя). В любом случае этот вопрос выходит за рамки этой статьи.

Литература