Как спроектировать фильтр электромагнитных помех для DC-DC преобразователя?29.06.2022 23:32

Поставщики компонентов наперебой рассказывают, как просто при помощи их изделий создать готовое к промышленному выпуску решение. После посещения одного из таких мероприятий от Wurth Electronics по проектированию пассивных фильтров электромагнитных помех (ЭМП) у меня и моих коллег осталось непонимание методики подбора компонентов, и мы решил провести собственное исследование.

Сегодня мы постараемся рассеять маркетинговый туман и внести осознанность в проектирование фильтров ЭПМ для импульсных преобразователей (DC-DC) на примере прохождения испытаний на соответствие стандарту CISPR 25.

Таблица 1. Характеристики тестового импульсного преобразователя

Параметр	Значение	Единицы измерения
Электрические характеристики
Номинальное выходное напряжение	34	В
Номинальная выходной ток	6	А
Номинальная выходная мощность	204	Вт
Пульсации выходного напряжения	100	мВ
Номинальное входное напряжение	12,5	В
Максимальное входное напряжение	16	В
Максимальный входной ток входном напряжении 12,5 В	15	A
Номинальный КПД	96	%
Геометрические размеры
Длина	200	мм
Ширина	45	мм
Высота	24	мм
Диапазон рабочих температур	-40 до +80	класс G по ISO16750–4 (п.4), класс А по ISO16750–1 (п.6)
Исполнение	IP67
Электромагнитная совместимость		CISPR 25 class 5

Структурная схема блока

В качестве опорного решения был выбран повышающий преобразователь топологии boost с технологией синхронного выпрямления. Был разработан электронный макет изделия в Altium Designer для последующей экстракции паразитных параметров печатной платы.

Рисунок 1. Структурная схема повышающего преобразователя

Несколько слов о методах борьбы с электромагнитными помехами в импульсной технике. На рисунке 2 представлены основные направления работы по уменьшению электромагнитных помех, излучаемых импульсными преобразователями. В данной публикации мы постараемся рассмотреть только работу с пассивными фильтрами электромагнитных помех.

Рисунок 2. Методы устранения электромагнитных помех в импульсных силовых преобразователях

Тестовый преобразователь построен на базе контроллера LM5122. Для проведения моделирования в программном пакете PSPICE была разработана модель для решения во временной области.

Подход, использованный в данной работе схож с тем, что предлагают производители пассивных компонентов, например, Wurth Electronics, для проектирования фильтров ЭМП импульсных преобразователей.

Типовой фильтр представлен на рисунке 3. Он имеет три секции и демпфер (для подавления резонансных явлений между фильтром и входным конденсатором $C_{in}$ ).

Рисунок 3. Типовой пассивный фильтр электромагнитных помех

Для того, чтобы разобраться с проектированием пассивных фильтров в качестве стандарта был выбран CISPR 25.

В общем случае измерение помех в соответствии со стандартом CISPR 25 производится двумя способами: методом напряжений и методом токов. Рассмотрим метод напряжений.

В методе напряжений оценка уровня помех происходит путем измерения падения напряжения на измерительных резисторах, которые встроены в эквивалент сети (Line Impedance Stabilization Network — LISN). В процессе измерения анализатор спектра подключается к одному из измерительных разъемов эквивалента сети, другой разъем нагружается сопротивлением 50 Ом. Измерения производятся последовательно на обоих шинах питания.

На рисунках 3 и 4 представлены пути протекания токов синфазных и дифференциальных помех, которые в сумме и составляют полную величину тока помехи.

С точки зрения генерации помех особый интерес представляет точка соединения транзисторов и дросселя, именно здесь происходит колебание электрического потенциала с максимальной амплитудой. При открытии ключа VT1 потенциал этой точки становится равным 0, а в момент закрытия VT1 потенциал равен выходному напряжению (без учета падения напряжения на открытом транзисторе VT2 или кратковременно на его встроенном диоде). Целесообразно предположить, что емкости, образованные полигоном подключения силовых ключей и полигоном GND печатной платы или корпусом, являются основными путями протекания токов помех.

Рисунок 4. Путь протекания тока синфазной помехиРисунок 5. Путь протекания тока дифференциальной помехи

Задача испытаний состоит в том, чтобы определить какой уровень помех генерирует устройство. Для имитации сети в процессе испытаний используется специальная схема — эквивалент сети. Он представляет собой электрический четырехполюсник, импеданс которого имеет постоянное значение в полосе частот, на которых производятся измерения во время испытаний. Соответствующую характеристики эквивалента сети можно найти в приложениях к тексту стандарта испытаний.

Рисунок 6. Эквивалент сети для для испытаний на соответствие стандарту CISPR 25

Величину полной помехи можно представить в виде двух составляющих: синфазной и дифференциальной. Дифференциальная помеха протекает через силовые проводники в разных направлениях. В отличие от дифференциальной составляющей синфазная помеха протекает по силовым проводам в одном направлении и замыкается через паразитную емкость между полигоном, к которому подключены силовые ключи, и корпусом. Из схем видно, что в одном измерительном плече эквивалента сети токи синфазной и дифференциальной помех складываются, а в другом вычитаются (рисунок 5). Исходя из этого можно написать:

$\begin{matrix} V_1=50\left(I_{CM}+I_{DM}\right) \\ {-V}_2=50\left(I_{DM}-I_{CM}\right)\end{matrix}$

Что приводит к следующим выражениям для определения уровня синфазных $\left|V_{CM}\right|$ и дифференциальных помех $\left|V_{DM}\right|$ :

$\begin{matrix} \left|V_{CM}\right|=\left|50I_{CM}\right|=\left|\frac{V_1+V_2}{2}\right|\\ \left|V_{DM}\right|=\left|50I_{DM}\right|=\left|\frac{V_1-V_2}{2}\right| \end{matrix}$

Стандарт CISPR 25 нормирует уровень помех для измерения методом напряжения в ДбмкВ.

С чего начать проектирование фильтра?

Основная задача фильтра снизить уровень генерируемых помех ниже пределов, заданных стандартом, на разных частотах. Допустимые уровни помех в соответствии со стандартом CISPR 25 class 5 представлены на рисунке 7.

Рисунок 7. Допустимые уровни помех в соответствии со стандартом CISPR 25 class 5

Проектирование фильтра начинается с анализа методики испытаний.

В соответствии со стандартом CISPR 25 испытания производятся в постановке, представленной на рисунке 8.

Рисунок 8. Методика измерения кондуктивных помех по стандарту CISPR25

Требуемое ослабление фильтра можно рассчитать по формуле:

$|Att|_{dB}=\frac{20 log⁡(\frac{I_{peak}}{(π^2 f_{sw} C_{in}} sin⁡(πD))}{(1 мкВ)}-V_{max}$

где,

$V_{max}$ — максимально допустимый уровень помех в соответствии со стандартом;

— коэффициент заполнения;

$f_{sw}$ — частота преобразования;

$C_{in}$ — входная емкость;

$I_{peak}$ — пиковый ток.

Частота среза фильтра f_c может быть рассчитана:

$f_c=\frac{f_{sw}}{10^{(|Att|_{dB}/40)}}$

Параметры основных индуктивности L_f и емкости фильтра C_f быть определены из соотношения:

$L_f C_f=\frac{1}{(2πf_c )^2}$

Элементы демпфера можно приблизительно рассчитать:

$\begin{matrix} C_{damp}≥4C_{in} \\ R_{damp}=\sqrt{(L_f/C_{in} )} \end{matrix}$

Расчет паразитной емкости

Рисунок 9. Расположение паразитных емкостей

Для примерной оценки величин паразитной емкости можно воспользоваться в первом приближении формулой емкости плоского конденсатора:

$C=εε_0 \frac {S}{d}$

где,

— площадь обкладок;

— расстояние между обкладками;

ε_0 -электрическая постоянная;

диэлектрическая проницаемость материала изолятора.

Так как обкладки паразитного конденсатора имеют значительно различную площадь, то применение формулы емкости даст приблизительный результат. Оценку величины этой емкости целесообразно провести методом конечных элементов (МКЭ).

Для этого подготовленную геометрию печатной платы необходимо загрузить в препроцессор МКЭ решателя (рисунок 10), и назначить элементам геометрии советующие материалы.

Создание расчетной модели

Рисунок 10. Общий вид расчетной модели

Рисунок 11. Полигон GND печатной платы

Рисунок 12. Назначение условий возбуждения модели

Рисунок 13. Металлическое основание испытательного стола Ground Reference Plane

Рисунок 14. Задание возбуждения модели

Ко всем полигонам, участвующим в вычислении емкости, применяется условие возбуждения «Voltage».

Вычисление емкости можно производить при помощи решателя для статических моделей, моделей в частотной области или моделей во временной области.

Для вычисления емкости в статической постановке могут использоваться нижеприведенные зависимости.

где,

— заряд;

— разность потенциалов.

Рисунок 15. Система тел, используемая для расчета взаимных емкостей

Для системы из нескольких заряженных тел может быть составлена система уравнений:

$\begin{matrix} Q_1=C_{10} V_1+C_{12} (V_1-V_2 )+C_{13} (V_1-V_3 ) \\ Q_2=C_{20} V_1+C_{21} (V_2-V_1 )+C_{23} (V_2-V_3 ) \\ Q_3=C_{30} V_3+C_{31} (V_3-V_1 )+C_{32} (V_3-V_2 ) \end{matrix}$

В матричной форме:

$\begin{bmatrix} Q_1 \\Q_2\\Q_3 \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} C_{10}+C_{12}+C_{13}&-C_{12}&-C_{13}\\-C_{12}&C_{20}+C_{12}+C_{23}&-C_{23}\\-C_{13}&-C_{23}&C_{30}+C_{13}+C_{23} \end{bmatrix}\begin{bmatrix} V_1 \\V_2\\V_3 \end{bmatrix}$

В диагональных элементах матрицы содержаться полные емкости элементов, остальные элементы матрицы представляют собой взаимные емкости.

Для расчета матрицы решатель производит приложение потенциала 1 В к одному элементу возбуждения модели, в то время как остальные элементы возбуждения имеют потенциал 0 В. Количество расчетов соответствует числу элементов возбуждения модели.

Если к металлическому элементу не назначено никакое условие возбуждения, то по умолчанию назначается условия Floating.

Для автоматического расчета матрицы емкости можно применить инструмент Matrix в программном пакете Ansys Maxwell.

Рисунок 16. Задание расчета матрицы емкости

После выполнения расчета получим значения взаимных емкостей между элементами модели.

Рисунок 17. Значения взаимных емкостей между элементами модели

Таблица 2. Исходные данные для расчета элементов фильтра

Таблица 3. Параметры фильтра

Таблица 4. Параметры элементов фильтра

После получения значений паразитных емкостей они были внесены в SPICE модель.

В процессе этого исследования было проведено моделирование различных фильтров, спроектированных для работы в преобразователях с различными частотами коммутации ключей (250, 350, 450 и 550 кГц). Увеличение частоты приводит к снижению размеров элементов фильтра, но сопровождается ростом потерь на силовых ключах, что является нежелательным. В статье приведены данные расчетов только для частоты 250 кГц, так как результаты на других частотах являются аналогичными.

Таблица 5. Характеристики синфазного дросселя

На частоте 250 кГц было проведено 4 вычислительных эксперимента:

— без фильтра;
— с Г образным LC фильтром;
— только синфазным дросселем;
— с комбинированным фильтром.

Рисунок 18. Эскиз расчетной модели без применения фильтраРезультаты

Рисунок 20. Спектр кондуктивной помехи на выводе V1 при отсутствии фильтра

Рисунок 21. Спектр дифференциальной составляющей кондуктивной помехи на выводе V1 при отсутствии фильтра

Рисунок 22. Спектр синфазной составляющей кондуктивной помехи на выводе V1 при отсутствии фильтра

Рисунок 23. Эскиз расчетной модели с Г-образным фильтромРезультаты

Рисунок 24. Спектр кондуктивной помехи на выводе V1 при добавлении Г-образного фильтра

Рисунок 25. Спектр дифференциальной составляющей кондуктивной помехи на выводе V1 при добавлении Г-образного фильтра

Рисунок 26. Спектр синфазной составляющей кондуктивной помехи на выводе V1 при добавлении Г-образного фильтра

Рисунок 27. Эскиз расчетной модели с паразитными параметрами и синфазным дросселемРезультаты

Рисунок 28. Спектр кондуктивной помехи на выводе V1 при добавлении синфазного дросселя

Рисунок 29. Спектр дифференциальной составляющей кондуктивной помехи на выводе V1 при добавлении синфазного дросселя

Рисунок 30. Спектр синфазной составляющей кондуктивной помехи на выводе V1 при добавлении синфазного дросселя

Рисунок 31. Эскиз расчетной модели с комбинированным фильтром

Идея комбинированного фильтра основывается на том, что синфазный дроссель кроме основной синфазной индуктивности имеет еще и паразитную дифференциальную индуктивность. Это позволяет предположить, что можно одновременно использовать оба параметра. В таком случае можно считать, что дифференциальная индуктивность является эквивалентом индуктивности фильтра L_f обычного Г-образного фильтра.

Результаты

Рисунок 32. Спектр кондуктивной помехи на выводе V1 при добавлении комбинированного фильтра

Рисунок 33. Спектр дифференциальной составляющей кондуктивной помехи на выводе V1 при добавлении комбинированного фильтра

Рисунок 33. Спектр синфазной составляющей кондуктивной помехи на выводе V1 при добавлении комбинированного фильтра

Результаты моделирования

По результатам моделирования можно сказать, что электронный блок, не оснащенный фильтром электромагнитных помех, не смог бы пройти испытаний на электромагнитную совместимость, так как уровни генерируемых помех значительно превышали бы установленные значения.

Применение Г-образного LC фильтра позволяет достичь уровней помех, установленных стандартом, но стоит учитывать допущения, принятые в процессе создания моделей. При расчете по аналитическим выражениям можно получить значения параметров элементов фильтра в первом приближении и использовать в качестве начальной точки при проектировании фильтра. Генерируемые помехи в этом случае немного превышают установленные значения или немного не доходят до них.

Снижение частоты среза Г-образного LC фильтра может не привести к уменьшению общего уровня помех, что ставит перед инженером вопрос о дальнейшей доработке проекта. Потенциальной имеется два направления работы: применение синфазной секции фильтра или снижение площади полигона под транзисторами. Стоит помнить, что ДбмкВ представляют собой логарифмическую величину, поэтому не стоит надеется на то, что уменьшение паразитной емкости в 2 раза приведет к снижению уровня помех в 2 раза.

Применение синфазного дросселя увеличивает габариты платы, в то время как снижение паразитной емкости требует изменения расположения элементов на печатной плате. Стоит учитывать дифференциальную индуктивность синфазного дросселя, при значительной величине данного параметра возможно совместить синфазный и дифференциальный фильтр.

В каждом конкретном случае решение остается за проектировщиком, но применение расчетных методик позволяет на начальном этапе произвести количественный анализ конструкции и выбрать оптимальное решение. Не стоит забывать о том, что моделирование зависит от точности исходных данных и допущений, принятых при создании моделей.

Если у вас нет PSPICE и Ansys, то вы можете использовать другое решение для моделирования схемы, например, LTSpice. Ansys можно попробовать заменить справочником по расчету емкостей Иоссель Ю.Я., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости.

Используемы программные продукты:

Pspice — одномерное моделирование электрических цепей;

Ansys Maxwell — расчет паразитных емкостей;

Matlab — построение графиков.