Jak zredukować szum wspólny w zasilaczu przy użyciu balansowania impedancji

Proste obwody regulatorów przełączających, które działają w kompaktowych przestrzeniach, takich jak na małej płytce PCB, zazwyczaj mogą być stosowane w hałaśliwych środowiskach bez nakładania znaczącego hałasu na poziom mocy wyjściowej. Pod warunkiem, że odpowiednio zaprojektujesz płytkę, prawdopodobnie będziesz potrzebować tylko prostego obwodu filtrującego, aby usunąć EMI na wejściach i wyjściach. W miarę jak regulator staje się większy, zarówno fizycznie, jak i elektrycznie, problemy z hałasem mogą stać się znacznie bardziej widoczne, mianowicie promieniowane EMI i przewodzone EMI w układzie PCB.

Wspólne przewodzone prądy są typowym problemem w przetwornicach DC-DC z wieloma masami, który pojawia się z powodu sprzężenia pojemnościowego. Standardową metodą jest stosowanie filtracji na wyjściu, na przykład za pomocą dławika trybu wspólnego, aby poradzić sobie z przewodzonym hałasem wspólnego węzła docierającym do węzła wyjściowego. Jednak nie eliminuje to promieniowanego EMI, które istnieje w pętli prądu trybu wspólnego, pozostawiając ekranowanie jako ostatnią opcję. A co jeśli można stłumić oba typy hałasu z mniejszą potrzebą ekranowania?

W tego typu przetwornicach przełączających można stosować podejście oparte na równoważeniu impedancji, aby tłumić szumy wspólnego trybu na węźle wyjściowym zasilacza. To podąża za prostą ideą, gdzie masa systemu jest używana jako globalne odniesienie do definiowania impedancji na węzłach wyjściowych zasilacza. Spójrzmy, jak to działa i co powinieneś zbadać za pomocą symulacji w swoim projekcie.

Co to jest równoważenie impedancji?

Równoważenie impedancji wykorzystuje konfigurację z 3 przewodami (2 sygnałowe, 1 GND), aby zbierać pomiar napięcia różnicowego za pomocą wzmacniacza. Ta technika jest używana w kablach audio XLR jako sposób na zapewnienie, że odbiornik różnicowy może całkowicie anulować szumy wspólnego trybu, które mogą być przewodzone przez kabel. Mark Harris omawia to pokrótce w ostatnim poście na blogu, chociaż zostało to zrobione w kontekście czujników, a nie audio czy zasilaczy.

Centralna idea polega na ustawieniu impedancji dwóch przewodów sygnałowych na równe, co zapewni, że każda strona jednostronnego końca kabla zobaczy tę samą impedancję wejściową na odbiorniku i odrzucenie szumów wspólnego trybu jest zapewnione na odbiorniku różnicowym.

Jeśli się nad tym zastanowić, układ linii sygnałowych i masy w tym systemie nie różni się od par różnicowych na PCB. W parze różnicowej każda ścieżka ma swoją impedancję jednostronną zdefiniowaną względem płaszczyzny odniesienia pary (w tym przypadku, płaszczyzny masy). Jedyna różnica między balansowaniem impedancji a sygnalizacją różnicową polega na tym, że w zbalansowanym połączeniu impedancyjnym nie musimy mieć równych i przeciwnych sygnałów dla V1 i V2; teoretycznie mogą one przyjmować dowolną wartość. Odbiornik następnie mierzy napięcie na każdej parze względem płaszczyzny odniesienia.

Balansowanie impedancji w przetwornicy przełączającej

Szum wspólny w przetwornicy przełączającej występuje z powodu sprzężenia pojemnościowego z powrotem do najbliższej płaszczyzny odniesienia, która zwykle jest masą obudowy GND, lub może to być inny duży przewodnik będący częścią masy systemu lub ekranowania obudowy. Może to być bardzo problematyczne w fizycznie dużych układach zasilających o wysokim prądzie; pasożytnicza pojemność Cp (patrz poniżej) może być bardzo duża, dając bardzo niską impedancję podczas wysokiego zdarzenia przełączania dI/dt w obwodzie przetwornicy przełączającej.

Stąd możemy zauważyć, że fioletowe strzałki wyznaczają duży obwód prądowy. Nawet jeśli usuniemy prądy przewodzone przy obciążeniu za pomocą dławika trybu wspólnego, nadal będziemy mieli do czynienia z silną emisją promieniowaną pochodzącą z pętli prądu trybu wspólnego. Może się to również zdarzyć w topologiach przetwornic impulsowych, które używają izolacji galwanicznej z transformatorem, takich jak przetwornica rezonansowa LLC.

Jednym z rozwiązań w następującym obwodzie przetwornicy podwyższającej jest umieszczenie kondensatorów wokół cewki z powrotem do masy obudowy, ale przed zaciskami POS_OUT i NEG_OUT. Tutaj, szyna ujemna jest połączona z powrotem do masy systemu przy źródle V1, co może ułatwić ścieżkę dla szumu trybu wspólnego między szyną ujemną a resztą systemu. Dodanie kondensatorów C1/C2 i cewki L2 tworzy obwód mostkowy dla ścieżki, którą podąża szum trybu wspólnego wpływający do tranzystora MOSFET:

Intencjonalne używanie kondensatorów do połączenia szyn wysokiego i niskiego napięcia z powrotem do masy pozwoli na ustawienie dwóch przeciwnie kierunkowych prądów w układzie, co naśladuje obwód mostkowy. Powstały szum trybu wspólnego jest eliminowany, gdy zachodzi następujący warunek impedancji:

To jest omówione bardziej szczegółowo w następującym źródle:

• Zhang, Shuaitao i wsp. "Modelowanie i optymalizacja techniki równoważenia impedancji do tłumienia szumów wspólnych w przetwornicach DC-DC Boost." Electronics 9, nr 3 (2020): 480.

Ostatecznie, podobne strategie zostały omówione dla różnicowych wejść ADC i sterowników silników w obecności szumów zasilania:

• Bae, Bumhee i wsp. "Techniki projektowania na chipie do redukcji wpływu szumów zasilania na ADC z hierarchiczną strukturą chip-PCB." Na 2012 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, s. 549-553. IEEE, 2012.
• Chen, Ruirui i wsp. "Redukcja szumów wspólnych z wykorzystaniem równoważenia impedancji w napędach silników zasilanych prądem stałym." Na 2018 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), s. 2515-2520. IEEE, 2018.

Po utworzeniu układu PCB należy upewnić się, że zaimplementowano symetryczne trasowanie po stronie wysokiej i niskiej tranzystora MOSFET. Jest to ważne, ponieważ pozwoli to na ustawienie przeciwnie propagujących się pętli prądowych, które wygenerują antyrównoległe pola magnetyczne. Każda część trasowania, która nie jest częścią anulowania szumu wspólnego trybu, będzie miała emisję promieniowaną w trybie różnicowym, która jest znacznie słabsza niż emisja z prądów trybu wspólnego.

Symuluj równoważenie impedancji z parasitami

W powyższym obwodzie ważne jest, aby pamiętać, że wszystkie komponenty mają pewne parasity i rezonans własny, co oznacza, że zależność impedancji powyżej będzie zachowana tylko do określonej częstotliwości. Jeśli użyjesz komponentów z wyższymi częstotliwościami rezonansu własnego, możesz usunąć szum trybu wspólnego do znacznie wyższych częstotliwości. Upewnij się, że symulujesz funkcję przejścia tego obwodu filtrującego, aby zobaczyć granice tłumienia szumu w tym systemie.

Z najlepszymi narzędziami do projektowania PCB w Altium Designer®, możesz łatwo projektować swoje obwody i symulować schemat równoważenia impedancji do usuwania szumu trybu wspólnego. Możesz również natychmiast przechwycić swoje schematy na pustym układzie PCB z kompletnym zestawem narzędzi projektowych w jednej aplikacji.

Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał udostępnić pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365 ułatwia współpracę i dzielenie się projektami. To tylko wierzchołek góry lodowej tego, co można zrobić z Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu po bardziej szczegółowy opis funkcji lub jeden z Webinarów na Żądanie.