Как уменьшить помехи общего режима в вашем источнике питания с помощью балансировки импеданса

Простые схемы переключающих регуляторов, работающие в компактных пространствах, например, на маленькой печатной плате, обычно могут использоваться в шумных средах без значительного наложения шума на уровень выходной мощности. Если вы правильно спроектируете плату, скорее всего, вам понадобится только простая фильтрующая схема для устранения ЭМИ на входах и выходах. По мере увеличения размеров регулятора, как физически, так и электрически, проблемы с шумом могут стать гораздо более заметными, а именно излучаемые ЭМИ и проводимые ЭМИ в компоновке печатной платы.

Общий режим проводимых токов является типичной проблемой в преобразователях постоянного тока с несколькими заземлениями, которая возникает из-за емкостной связи. Стандартный метод заключается в использовании фильтрации на выходе, например, с помощью дросселя общего режима, для борьбы с проводимым шумом общего узла, достигающим выходного узла. Однако это никак не подавляет излучаемые ЭМИ, существующие в петле тока общего режима, оставляя вам экранирование в качестве последнего варианта. А что если вы можете подавить оба типа шума с меньшей необходимостью в экранировании?

В этих типах коммутационных преобразователей вы можете использовать подход с балансировкой импеданса для подавления общемодовых помех на выходном узле вашего источника питания. Это следует простой идее, где системная земля используется в качестве глобальной ссылки для определения импеданса на выходных узлах вашего источника питания. Давайте посмотрим, как это работает и что вам следует исследовать с помощью симуляций в вашем проекте.

Что такое балансировка импеданса?

Балансировка импеданса использует конфигурацию с тремя проводниками (2 сигнальных, 1 GND) для сбора дифференциального измерения напряжения с помощью усилителя. Эта техника используется в аудиокабелях XLR как средство для обеспечения полного подавления общемодовых помех, которые могут передаваться через кабель, дифференциальным приемником. Марк Харрис кратко обсуждает это в недавнем блог-посте, хотя это было сделано в контексте датчиков, а не аудио или источников питания.

Центральная идея заключается в том, чтобы установить импедансы двух сигнальных проводов равными, что обеспечит видение каждой однополярной стороны кабеля одинакового входного импеданса на приемнике и гарантирует отклонение общемодового шума на дифференциальном приемнике.

Если подумать, расположение сигнальных линий и земли в этой системе ничем не отличается от дифференциальных пар на печатной плате. В дифференциальной паре каждый проводник имеет свой одиночный импеданс, определенный относительно плоскости отсчета пары (в данном случае, плоскости земли). Единственное отличие между балансировкой импеданса и дифференциальной передачей сигнала заключается в том, что в балансированном по импедансу соединении нам не нужно иметь равные и противоположные сигналы для V1 и V2; теоретически они могут быть любыми значениями. Затем приемник измеряет напряжение на каждой паре относительно плоскости отсчета.

Балансировка импеданса в коммутационном преобразователе

Общий режим помех в коммутационном преобразователе возникает из-за емкостной связи обратно к ближайшей плоскости отсчета, которой обычно является корпусное заземление (GND), или это может быть другой большой проводник, являющийся частью системного заземления или экранирования корпуса. Это может быть очень проблематично в физически больших схемах питания, которые источают высокий ток; паразитная емкость Cp (см. ниже) может быть очень большой, обеспечивая очень низкий импеданс во время события высокого dI/dt коммутации в цепи коммутационного преобразователя.

Отсюда мы видим, что фиолетовые стрелки обозначают большой токовый контур. Даже если мы удалим проводимые токи на нагрузке с помощью общего дросселя, будут сильные излучаемые помехи от контуров общего режима тока. Это также может происходить в топологиях переключающих преобразователей, использующих гальваническую изоляцию с трансформатором, таких как резонансный преобразователь LLC.

Одно из решений в следующей схеме повышающего преобразователя заключается в размещении конденсаторов вокруг индуктора обратно на шасси, но перед терминалами POS_OUT и NEG_OUT. Здесь отрицательная шина соединена обратно с землей системы у источника V1, что может обеспечить путь для общего шума между отрицательной шиной и остальной частью системы. Добавление конденсаторов C1/C2 и индуктора L2 создает мостовую схему для пути, по которому течет общий шум, поступающий в MOSFET:

Намеренно используя конденсаторы для соединения высокой и низкой шин обратно с землей, вы создадите два встречно направленных тока в компоновке, имитирующих мостовую схему. Результирующий общий шум устраняется, когда выполняется следующее условие импеданса:

Это обсуждается более подробно в следующем источнике:

• Чжан, Шуайтао и др. "Моделирование и оптимизация техники балансировки импеданса для ослабления общемодовых помех в повышающих DC-DC преобразователях." Электроника 9, № 3 (2020): 480.

В заключение, аналогичные стратегии были обсуждены для дифференциальных входов АЦП и драйверов двигателей в условиях шума источника питания:

• Бэ, Бумхи и др. "Техники проектирования на кристалле для снижения влияния шума источника питания на АЦП с иерархической структурой чип-ПП." В 2012 IEEE Международный симпозиум по электромагнитной совместимости, стр. 549-553. IEEE, 2012.
• Чен, Руйруй и др. "Снижение общемодового шума с балансировкой импеданса в приводах двигателей с питанием от постоянного тока." В 2018 IEEE Конференция и выставка по прикладной силовой электронике (APEC), стр. 2515-2520. IEEE, 2018.

После создания макета печатной платы важно обеспечить симметричную трассировку на высокой и низкой сторонах MOSFET. Это важно, поскольку это создаст контр-пропагирующие токовые петли, которые будут генерировать антипараллельные магнитные поля. Любая часть вашей трассировки, которая не является частью устранения общемодового шума, будет иметь дифференциально-модовое излучаемое излучение, которое значительно слабее, чем излучение от общемодовых токов.

Симуляция балансировки импеданса с паразитными параметрами

В вышеупомянутой схеме важно помнить, что все компоненты имеют некоторые паразитные параметры и собственную резонансную частоту, что означает, что отношение импеданса будет сохраняться только до определенной частоты. Если вы используете компоненты с более высокими собственными резонансными частотами, вы можете устранить общемодовый шум на гораздо более высоких частотах. Убедитесь, что вы симулируете передаточную функцию этой фильтрующей схемы, чтобы увидеть пределы подавления шума в этой системе.

С лучшими инструментами проектирования печатных плат в Altium Designer®, вы можете легко проектировать свои схемы и симулировать схему балансировки импеданса для устранения общемодового шума. Вы также можете мгновенно захватить свои схемы в пустом макете печатной платы с полным набором инструментов проектирования в одном приложении.

Когда вы закончили свой проект и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365 упрощает сотрудничество и обмен проектами. Мы только начали знакомиться с возможностями Altium Designer на Altium 365. Вы можете посетить страницу продукта для более подробного описания функций или один из Вебинаров по запросу.