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.

Входной фильтр блока питания

Устройство блока питания стационарных компьютеров подразумевает использование метода импульсной стабилизации напряжения. Отталкиваясь от указанной выше упрощенной схемы стандартного импульсного блока питания , можно выделить четыре основных этапа:. Устройство блока питания компьютера включает в себя фильтр ЭМП — это входной фильтр блока питания подавляет два типа электромагнитных помех: синфазных common-mode и дифференциальных differential-mode. Для первого типа характерно течение тока в одном направлении, а во втором случае ток течет в разных направлениях. Дифференциальные помехи подавляются с помощью включенного параллельно нагрузке конденсатора СХ, представляющий собой пленочный конденсатор. Иногда на провода вешают дроссель, выполняющий ту же функцию.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Как работает простой и мощный импульсный блок питания
• Структура БП
• Power supply II
• Из чего состоит импульсный блок питания часть 2
• Ремонт импульсного бп своими руками
• ЭМП-фильтры для контроллеров импульсных DC/DC источников питания
• Что такое импульсный блок питания (ИБП) и как он работает
• Схема импульсного блока питания
• Power supply II

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Фильтр для сети all-audio. pro он работает? Для чего нужен?

Как работает простой и мощный импульсный блок питания

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах. Отличная статья, вам можно учебники писать. Сам юзаю блок питания Вт от ПК для rep-rap. Kirich, Благодарю!

Замечательная статья, буду ждать продолжения. Часть Ваших рекомендаций попробую перевести на нужные мне 12 вольт и 24 вольта, и надеюсь, что эти светодиодные блоки питания Вы тоже рассмотрите. Пару их вероятных недостатков мне уже указали, как например, отсутствие доп.

Также просветите пожалуйста народ, почему-таки нельзя из двух любых блоков питания ATX для ПК — — делать один, но на напряжение 24 вольта. С относительной регулярностью возникает очередная дискуссия на эту тему. С Зимними Праздниками Вас! Найти два полностью одинаковых БП тяжело.

Если нагрузка подключена сразу, то возникает проблема одновременного пуска. Выходы БП необходимо шунтировать параллельными диодами.

По большому счету я вообще отношусь к противникам комповых БП, так как обычно они имеют активное охлаждение и без него могут легко выйти из строя. Под длительную работу однозначно лучше БП с пассивным охлаждением. Кроме того комповые Бп подвержены отключению при перекосе выходных напряжений из-за неравномерной нагрузки. В комповых Бп стоит дроссель групповой стабилизации, но конечно помогает, но не когда по 12 Вольт 15 Ампер, а по 5 — 1 Ампер.

Ваш ответ — понял. Но я спрашивал не про наращивание тока, а про удвоение напряжения из 2×12 в 1x Ждем 12 вольт, мощный Так все в наших силах, закажем, попробуем. Правда нагрузка позволяет проверять БП только до Ватт длительно и кратковременно, но с током не более 30 Ампер. Когда как. Мне удобнее иметь не только стабилизированный ток, а и возможность выставить его по моему желанию и при этом иметь защиту при просадке напряжения.

Кроме того автомобильные лампы не совсем удобны, так как имеют большой пусковой ток и при напряжении более 12 Вольт их использовать неудобно. Но если протестить быстро Бп 12 Вольт, то вполне нормальное решение. Спасибо за статью, очень интересная и полезная. У меня вопрос если параллельно конденсатору С2 электролитический В поставить неэлектролитический, к примеру плёночный, это облегчит работу С2 и продлит его срок службы?

Хотел задать вопрос, хочу поставить 2 блока питания на мой 3д принтер, один на электронику 12v, второй на 12 или 24 на стол. Для электроники хватит 15 ампер? Для написания комментариев, пожалуйста, авторизуйтесь. Вам было отправлено письмо с инструкцией по восстановлению пароля.

Если вы не получили письмо в течение 5 минут, проверьте папку спам, попробуйте еще раз. Подпишитесь на автора Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

Я очень люблю ковыряться с разными блоками питания, отчасти это увлечение перешедшее в работу, потому пишу я про них много и часто. Сегодня обзор блока питания на 5 Вольт. Но просто сделать обзор было бы совсем скучно, поэтому в этот раз я попробую рассказать какие компоненты в блоке питания за что отвечают и на что надо обращать внимание при выборе блока питания. В обзоре будет много букв и не очень много фотографий. И хоть я буду стараться писать на понятном языке, но могу сорваться и начать выражаться неприличными словами типа — синфазный, насыщение, утечка и т.

Если вдруг что то непонятно, спрашивайте, объясню : Блоки питания бывают разные, жидкие и газообразные мощные и не очень, на высокое напряжение и на низкое, с активным охлаждением и пассивным, с корректором и без, но общие принципы выбора особо не меняются, что я и покажу. Судя по маркировке, блоки питания в таком корпусе изготавливаются на разную мощность и разные напряжения. Технические характеристики блока питания, заявленные на наклейке. Выходное напряжение — 5 Вольт Выходной ток максимальный — 7.

Написано что общая, что подразумевали под этим в данном случае, не совсем понятно.

Еще больше интересных постов Meshmixer и русский язык. Первая попытка. Hurricane Загрузка. Здравствуйте, товарищи. Это мой первый пост. Посидел тут пару вечеров, потыкался, вообщем, получилась у меня самодельная локализация перевод на русс Читать дальше. Много текста! Решил я не так давно приобщиться к фотополимерной печати.

Вместо покупки готового LCD п Многие 3D принтеры работают под управлением популярной прошивки Marlin. Прошивка изначально сконфигурирована для Ultimaker Original. Разберём основные Комментарии goga Спасибо, полезная статья. Ссылка Печатает на Anet A8. Что-то 12В линия у вас в диком просаде? Ссылка Печатает на Anycubic Kossel linear plus. Спасибо, прекрасная статья, узнал много нового и полезного. Ссылка Печатает на RepRap. Ссылка Печатает на Hercules New. Ссылка Печатает на Prusa i3 Kit.

Digital Maker 3D. Огромный труд был проделан. Автор молодец. Ждем 12 вольт, мощный. Ссылка Печатает на Prusa i3. Что такое 3D-принтер? Комментарии и вопросы Комментарии Вопросы. Сборка профессионального 3Д принтера. Рельсовые направляющие ERSK. Можно ли отучить Cura гулять по поддержкам? Подписаться на новости Контакты Реклама Обратная связь Наша команда.

Использование материалов Конфиденциальность. Подписаться на еженедельную рассылку.

Структура БП

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах. Отличная статья, вам можно учебники писать. Сам юзаю блок питания Вт от ПК для rep-rap. Kirich, Благодарю! Замечательная статья, буду ждать продолжения.

В этом блоке фильтр пульсаций намного сложнее, чем в первом . на входе дроссель большой индуктивности, такой блок питания.

Power supply II

Блог new. Технические обзоры. Опубликовано: , Версия для печати. Общий обзор блоков питания и первое знакомство. Рубрика: Моё видео. Просто общий осмотр и сравнение различных блоков питания, а также устройств для их тестирования

Из чего состоит импульсный блок питания часть 2

Импульсный блок питания служит для преобразования входного напряжения до величины, необходимой внутренним элементам устройства. Иное название импульсных источников, получившее широкое распространение, — инверторы. Инвертор — это вторичный источник питания, который использует двойное преобразование входного переменного напряжения. Величина выходных параметров регулируется путем изменения длительности ширины импульсов и, в некоторых случаях, частоты их следования.

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые трансформаторные блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств.

Ремонт импульсного бп своими руками

Теория и практика. Кейсы, схемы, примеры и технические решения, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой. Дроссель для защиты от синфазных помех, генерируемых импульсным источником питания.

ЭМП-фильтры для контроллеров импульсных DC/DC источников питания

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите , пожалуйста. Я так и не увидел выкладок почему именно такая емкость на выходе ККМ. Или просмотрел? Были расчеты или просто эмпирически с запасом?

Приведенная выше схема входного фильтра для импульсного источника питания не устраняет помехи.

Что такое импульсный блок питания (ИБП) и как он работает

В настоящее время все используемые в компьютерах источники питания — импульсные. Обусловлено это тем, что для обеспечения разумных габаритов и тепловыделения необходимы плотность мощности и КПД, принципиально недостижимые для линейных блоков питания такой мощности — так, плотность мощности обычного ATX блока питания составляет Выше на рисунке приведена несколько упрощенная блок-схема типичного компьютерного блока питания.

Схема импульсного блока питания

ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Назначение входного фильтра блока питания

В настоящее время в большинстве электронных устройств источников постоянного напряжения используются встроенные или внешние импульсные блоки питания ИБП. Основной принцип работы ИБП заключается в том, что сетевое переменное напряжение сначала выпрямляется, далее преобразуется в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое затем понижается или повышается трансформатором до необходимых значений, далее выпрямляется, фильтруется и стабилизируется посредством обратной связи ОС. Широкое распространение ИБП обусловлено несколькими причинами: небольшим весом, малыми габаритами, высоким КПД, низкой стоимостью, широким диапазоном питающего сетевого напряжения и частоты, высокой степенью стабилизации выходного напряжения и т. К недостаткам ИБП можно отнести то, что все они без исключения являются источниками интенсивных электромагнитных помех ЭПМ , это связано с принципом работы схемы преобразователя, так как сигналы в ИБП представляют собой периодическую последовательность импульсов. Спектры таких сигналов занимают диапазон частот шириной до нескольких мегагерц. Помехи могут распространяться в виде токов, текущих в проводящих элементах, контуре заземления и самой земле кондуктивные помехи и в виде электромагнитных полей в непроводящих средах индуктивные помехи.

Неотъемлемой частью каждого компьютера является блок питания.

Power supply II

Начнем с основ. Блок питания в компьютере выполняет три функции. Во-первых, переменный ток из бытовой сети электропитания нужно преобразовать в постоянный. Второй задачей БП является понижение напряжения В, избыточного для компьютерной электроники, до стандартных значений, требуемых конвертерами питания отдельных компонентов ПК, — 12 В, 5 В и 3,3 В а также отрицательные напряжения, о которых расскажем чуть позже. Наконец, БП играет роль стабилизатора напряжений. Есть два основных типа источников питания, которые выполняют перечисленные функции, — линейный и импульсный.

Мы уже рассматривали классический вариант диагностики импульсного блока питания некоторые моменты мы сознательно опустили, для более простой подачи материала.

Практика показала, что у части специалистов возникают вопросы даже после ознакомления с публикацией, постараемся исправить этот пробел. Материал является самостоятельным и строго ориентирован на ремонт блока питания с ШИМ UC ,, Хотя часть ремонтируемых блоков питания не имеют родных схем, большинство ремонтов блоков питания на ШИМ ,, мы выполняем по нижеприведенной принципиальной электрической схеме.

Ридли Инжиниринг | — [009] Ваш входной фильтр вызывает проблемы?

Вы можете быстро и легко проанализировать фильтр блока питания с помощью бесплатно загружаемого программного обеспечения. Это позволяет проверить взаимодействие импеданса фильтра, затухание и правильное демпфирование.

Введение

Эта статья содержит бесплатную раздачу, которая поможет вам в процессе проектирования источника питания. Независимо от того, проектируете ли вы полные ШИМ-преобразователи с нуля, работаете с модульными источниками питания или что-то среднее между ними, вы столкнетесь с проблемами проектирования входного фильтра. Прочитав эту статью, вы можете загрузить бесплатную программу InputFilter.xls, чтобы быстро и легко проанализировать конструкцию вашего входного фильтра.

Ваш входной фильтр вызывает проблемы?

Вечная проблема при проектировании импульсных источников питания связана с входным фильтром. Современная силовая электроника началась с этой проблемы, когда были построены самые первые импульсные источники питания. Было обнаружено, что добавление входного фильтра может сделать ранее стабильную систему нестабильной. Об этом много писалось в прошлом, и читателю рекомендуется ознакомиться с доступной литературой, начиная со ссылки [1].

Благодаря современным преобразователям постоянного тока, доступным как в полностью упакованном виде, так и в виде встроенных контроллеров, многие новые инженеры размещают блоки питания на плате. Проблема взаимодействия с входным фильтром продолжает досаждать многим проектам, особенно для инженеров, которые не знакомы с надлежащими рекомендациями по проектированию.

Входные фильтры источника питания используются для ослабления помех импульсного источника питания и предотвращения искажения входной линии. Если вы проектируете в соответствии со строгими стандартами на выбросы, необходим по крайней мере двухступенчатый фильтр для снижения шума до приемлемого уровня. Если вы проектируете питание для монтажа на плате и коммутируете значительные токи, рекомендуется по крайней мере использовать LC-фильтр для предотвращения проблем с шумом на плате.

На рис. 1 показана типичная конфигурация двухступенчатого фильтра. На выходе фильтра показаны два разных конденсатора. Один обеспечивает объемное накопление энергии, а другой обеспечивает низкий импеданс на высоких частотах.

Рис. 1: Входной фильтр с пятью реактивными элементами.

Ослабление входного фильтра

Входной фильтр работает двумя способами. Во-первых, он ослабляет шум от входного источника до выхода фильтра. В этом направлении его можно рассматривать как фильтр напряжения, а передаточная функция выражается как отношение напряжения от В _в к В _вых .

Затем, чтобы ослабить помехи источника питания, фильтр действует как токовый фильтр. На вход источника питания подается ток переключения, который приводит в действие фильтр. Передаточная функция представляет собой ток справа от фильтра к току слева от фильтра, при условии, что вход замкнут накоротко (источник напряжения).

В обоих случаях затухание одинаково. На рисунке 2 показано затухание для примера значений фильтра на рисунке 1.

Рисунок 2: Затухание входного фильтра.

Перед добавлением фильтра вам потребуется измерить спектр шума, чтобы определить, какое ослабление необходимо для удовлетворения требований вашей системы.

Продолжить чтение этой статьи?

Зарегистрируйтесь, чтобы читать дальше…

ЧТО МЫ ДЕЛАЕМ

О НАС

• Компания
• Доктор Ридли
• Логотип
• Стажировки
• Контакт для СМИ

Доступно Worldwide

Связаться с нами

Наш мировой штаб
725 W Ventura Blvd
Suite H
Camarillo, CA 93010

Телефон US: +1 805 4212
Телефон UK: + 44 (0) 15096 3166 316 276.
Электронная почта: [email protected]

Связаться с нами

СОЦИАЛЬНЫЕ СЕТЬ

Получить консультацию

• Группа LinkedIn
• Группа Facebook
• Видео

2017 Ridley Engineering, Inc. Все права защищены.

 

Конструкция входного фильтра для импульсного источника питания | Altium Designer

Главная Целостность питания Конструкция входного фильтра для импульсного источника питания

Марк Харрис

| Создано: 18 июля 2021 г. &nbsp|&nbsp Обновлено: 24 октября 2022 г.

СОДЕРЖАНИЕ

• Пассивные фильтры R-C
• Пассивные фильтры L-C
• Используемые фильтры L-C
• Композитные фильтры L-C
• Активные фильтры

. Поката по выключателям приходят к аспектным фильтрам. Во-первых, фильтр должен препятствовать тому, чтобы помехи на входных линиях питания передавались через блок питания на выход. Во-вторых, фильтр должен предотвращать появление на выходе шума, создаваемого коммутационной схемой. В-третьих, фильтр должен препятствовать тому, чтобы шум коммутационной схемы возвращался через источник питания к входным линиям питания. Таким образом, импульсные источники питания вызывают больше всего вопросов и в наибольшей степени проверяют навыки проектировщика в части проектирования фильтров источника питания.

Самый простой доступный фильтр — фильтр R-C. Он находит применение в решениях с низким энергопотреблением, где существенными ограничениями являются стоимость и размер компонентов. Тем не менее, фильтр LC предлагает значительные преимущества, которые ограничивают использование фильтра RC в производительности и эффективности.

Пассивные LC-фильтры могут обеспечить требуемые результаты для входной фильтрации в относительно простом решении. Разработчик может найти компромисс между производительностью и размером компонентов и стоимостью, чтобы создать оптимальное решение.

Катушка индуктивности, включенная последовательно между источником питания и входом импульсного источника питания в сочетании с конденсатором на входе импульсного источника питания, будет действовать как незатухающий фильтр нижних частот. Значения компонентов будут определять частоту среза и коэффициент демпфирования фильтра, причем коэффициент демпфирования определяет характеристики затухания на частоте среза. Следовательно, разработчик должен убедиться, что значения выбраны таким образом, чтобы плохой коэффициент демпфирования не мог привести к колебаниям в контуре управления коммутационной цепи. Хорошее эмпирическое правило — стремиться к минимальному коэффициенту демпфирования 1/√2.

Добавление второго конденсатора последовательно с резистором на входе к импульсному источнику питания сразу после первого основного конденсатора фильтра изменит фильтр на работу в качестве параллельного демпфированного фильтра нижних частот. Резистор уменьшает пиковое сопротивление фильтра на частоте среза, не влияя на частоту среза, если номиналы резистора и второго конденсатора выбраны правильно. Второй конденсатор должен иметь меньшее сопротивление, чем резистор на резонансной частоте, но значительно большее, чем конденсатор основного фильтра.

Альтернативой параллельному демпфированному фильтру нижних частот является последовательный демпфированный фильтр нижних частот. Здесь вместо второго конденсатора вторая катушка индуктивности последовательно с резистором помещена через первую катушку индуктивности первичного фильтра. При этом вторая катушка индуктивности должна иметь меньшее сопротивление, чем резистор на резонансной частоте. Преимущество фильтра нижних частот с параллельным демпфированием по сравнению с фильтром нижних частот с последовательным демпфированием заключается в том, что он имеет значительно лучшие характеристики на высоких частотах, что делает его более подходящим для импульсных источников питания.

Недостатком для проектировщика является то, что для LC-фильтров обычно требуются крупные компоненты, которые сложно установить на печатной плате. Простое решение — объединить несколько LC-фильтров. Например, создание составного фильтра из недемпфированного фильтра нижних частот, питающего параллельный демпфированный фильтр нижних частот, увеличит количество компонентов, но потребует гораздо меньших значений компонентов и, следовательно, физически меньших деталей. Это также позволяет разработчику настраивать производительность фильтра, имея больше факторов для настройки с помощью инструмента моделирования для оптимизации значений.

Там, где диктуют требования к производительности, активные фильтры могут обеспечить значительные преимущества за счет увеличения сложности конструкции, а также стоимости компонентов, занимаемой площади и количества. Проще говоря, активный фильтр обеспечивает усиление мощности в дополнение к функции фильтрации, как правило, с использованием операционного усилителя или «операционного усилителя». Входной сигнал, пропущенный через последовательный резистор в операционный усилитель, плюс обратная связь, направленная через резистор параллельно с конденсатором, сформируют активный фильтр нижних частот. Преимущество активной фильтрации заключается в том, что она обеспечивает превосходную стабилизацию выходного напряжения при изменении нагрузки. Недостатком, однако, является то, что активные фильтры имеют ограничения, когда речь идет о высоких частотах, что обычно наблюдается в импульсных источниках питания. Этот недостаток ограничивает их полезность в данном приложении.

Выбор компонентов

Конденсаторы являются критически важными компонентами в импульсных фильтрах источников питания, и их характеристики могут повысить или снизить эффективность любой конструкции фильтра. Поэтому выбор правильного типа фильтра может иметь решающее значение, в частности, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL), напрямую влияющие на характеристики отклика фильтра.

Керамические конденсаторы обеспечивают наилучшие общие характеристики в импульсных источниках питания. Кроме того, они имеют самые низкие значения ESR и ESL, что обеспечивает наилучшие результаты по уменьшению пульсаций. Они обеспечивают наиболее стабильную работу в течение всего срока службы и выпускаются в широком диапазоне температурных режимов. Они также поставляются в широком диапазоне форматов упаковки. Однако их конструкция делает их наиболее восприимчивыми к механическим повреждениям и вибрациям, что может быть конструктивным фактором.

Пленочные конденсаторы обеспечивают наилучшие характеристики в импульсных источниках питания с высокими требованиями к току, при этом они относительно недороги и имеют небольшие размеры. Однако их ESR и ESL выше, чем у эквивалентных керамических конденсаторов, и они менее устойчивы к условиям перенапряжения.

Алюминиевые электролитические конденсаторы недороги и физически малы, что сделало их наиболее популярным типом конденсаторов для разработчиков. Однако они имеют относительно высокое ESR, что может существенно повлиять на производительность на высоких частотах. Кроме того, их производительность и емкость могут существенно ухудшиться в течение срока службы компонента.

Танталовые конденсаторы в общих чертах обладают лучшими характеристиками, чем алюминиевые электролитические конденсаторы, но имеют более высокую удельную стоимость. Однако они не подходят для высокочастотных или высоковольтных приложений, что ограничивает их использование в импульсных источниках питания.

Для получения дополнительной информации о выборе конденсатора см. мою статью о том, какой тип конденсатора следует использовать.

Краткий обзор

При проектировании фильтрации для импульсных источников питания у разработчика есть широкий набор опций, которые можно согласовать с конкретными требованиями. После того, как тип схемы выбран, выбор компонентов может затем выбрать компромиссные варианты для оптимизации характеристик фильтра.

Есть еще вопросы? Позвоните эксперту Altium и узнайте, как мы можем помочь вам в разработке вашей следующей печатной платы. Вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer здесь.

Об авторе

Об авторе

Марк Харрис — инженер-технолог с более чем 16-летним опытом работы в электронной промышленности, начиная от контрактов в аэрокосмической и оборонной промышленности и заканчивая запуском небольших продуктов, хобби и всем, что между ними. До переезда в Великобританию Марк работал в одной из крупнейших исследовательских организаций Канады; каждый день приносил новый проект или задачу, связанную с электроникой, механикой и программным обеспечением. Он также публикует самую обширную библиотеку компонентов базы данных с открытым исходным кодом для Altium Designer, которая называется Celestial Database Library. Марку нравится аппаратное и программное обеспечение с открытым исходным кодом, а также инновационное решение проблем, необходимых для решения повседневных задач, возникающих в таких проектах. Электроника — это страсть; наблюдение за тем, как продукт превращается из идеи в реальность и начинает взаимодействовать с миром, — бесконечный источник удовольствия.

Вы можете связаться с Марком напрямую по адресу: [email protected]

Дополнительный контент от Марка Харриса

Связанные ресурсы

Основы PDN для проектировщика печатных плат Когда проектировщики печатных плат слышат термин «PDN» или «сеть распределения питания», у него могут возникнуть представления о диаграммах Боде, черной магии и других таинственных, пугающих вещах. На самом деле цель PDN так же проста, как и большинство аспектов проектирования печатных плат, влияющих на производительность PDN. В этой статье мы объясним различные аспекты большинства проектов PDN и то, как программное обеспечение для проектирования печатных плат может повлиять на них. ОБЩАЯ ЦЕЛЬ: ДОСТАТОЧНЫЙ ТОК И НАПРЯЖЕНИЕ Читать статью

Управление жизненным циклом продуктов и электронных компонентов в производстве электроники В этой статье будет рассмотрено эффективное решение для управления жизненным циклом продукта (PLM) для производства электроники. Прочтите и узнайте, как легко и безболезненно управлять разработкой своей электронной продукции. Читать статью

Анализ целостности питания в программном обеспечении для проектирования печатных плат Проблемы с целостностью питания могут встречаться в современных печатных платах, особенно в высокоскоростных платах, которые работают с высокой скоростью перепада. Эти системы требуют точного определения импеданса PDN, чтобы обеспечить постоянную подачу стабильной мощности по всей системе. Без тщательного учета импеданса PDN вы рискуете создать пульсации и шум в сети распределения электроэнергии при переключении состояний быстрых сигналов. Чем больше сигналов переключается в больших ИС, тем Читать статью

Целостность электропитания и моделирование с Хайди Барнс Какая очень содержательная дискуссия с Хайди Барнс из Keysight. В этом выпуске мы подробно обсудим все, что связано с симуляцией и целостностью питания. Мы погрузимся в моделирование ЭМ, размещение конденсаторов, корреляционные измерения параметров Z, Y и S и многое другое! Читать статью

Анализ целостности электропитания для вашей сети энергоснабжения Проектирование печатных плат, обеспечивающих стабильную выходную мощность, — это не только наука, но и искусство. Анализ целостности питания и моделирование предназначены для проверки того, что конструкция будет обеспечивать требуемую мощность, а также то, что подаваемая мощность будет стабильной. Идея о том, что блок питания может не обеспечивать стабильную мощность, не обязательно связана с блоком питания, она связана с конструкцией PDN на печатной плате. Структура печатной платы, элементы, используемые для хранения и Читать статью

Что такое рассеивающая индуктивность? Рассеивающая индуктивность плоской пары имеет простое значение, но ее трудно вычислить. Вот некоторые моменты, которые разработчики должны знать о рассеивающей индуктивности плоской пары. Читать статью

Модели ферритовых шариков и передаточный импеданс в моделировании PDN В статье исследуются ферриты в ПДН и передаточный импеданс.