Кондуктивные помехи в преобразователях постоянного тока — сравнение имитации и измерения

Измерительная задача

Измерения невозможно провести, пока не будет доступен первый аппаратный прототип. А чтобы предоставить разработчикам средства для получения результатов до появления какого-либо оборудования, поставщики микросхем управления источником питания предлагают различные инструменты проектирования фильтров ЭМП. Однако на практике модель всегда отличается от реальной аппаратной реализации. Так что для проверки эффективности смоделированного решения разработчикам необходимо проводить измерения на оборудовании. Для этого требуются правильные измерительные инструменты.

За последние несколько десятилетий в Интернете появилось большое количество бесплатных инструментов имитации источников питания от различных поставщиков микросхем. Благодаря этому разработчики источников питания могут получить более глубокое представление о своих конструктивных решениях до того, как будет доступен первый прототип и можно будет провести реальные измерения. Такой подход позволяет получить полное представление о различных аспектах конструкции на раннем этапе разработки. Разработчики могут быть более уверены в своих проектных решениях, что должно повысить надежность конструкции. Кроме того, использование имитации помогает сократить цикл разработки.

Расчет потерь мощности, имитация контура управления и имитация переходного режима при изменении нагрузки — это лишь некоторые из функций, предоставляемых инструментами имитации источников питания. Одним из наиболее часто используемых инструментов проектирования на рынке является бесплатный инструмент проектирования LTpowerCAD® II от Analog Devices. Помимо упомянутых выше функций, этот инструмент может имитировать кондуктивные помехи в источниках питания. Он позволяет разрабатывать и оптимизировать входные фильтры ЭМП до того, как будет доступно какое-либо оборудование. При использовании инструментов имитации для этих целей разработчик должен понимать, что имитация в высокой степени зависит от точности модели. Для быстрого и эффективного получения результатов требуется компромисс между точностью модели и скоростью вычислений. Поскольку из-за ограниченной точности модели результаты имитации не могут воспроизвести все аспекты реальности, важно понимать, что смоделированные результаты отклоняются от результатов измерений. Это отклонение существует всегда, поэтому нужно обязательно проверять модели с использованием подходящего контрольно-измерительного оборудования, как только будет доступен первый прототип.

Решение компании Rohde & Schwarz

Осциллографы серии R&S®RTO6 с мощной функцией многоканального БПФ, эквивалентом сети (LISN) и подходящей пластиной заземления обеспечивают требуемую точность для измерения кондуктивных помех. Результаты используются в качестве эталона для сравнения моделей с аппаратной реализацией. Кроме того, это решение способно отделить синфазный шум от дифференциального. Это позволяет напрямую сравнивать измеренные и смоделированные кондуктивные помехи. Данная функция имеет решающее значение, поскольку инструменты имитации обычно выдают только дифференциальный шум.

Измерительная установка и настройка устройства

Измерительная установка изображена на рисунке «Установка для разделения кондуктивных помех синфазного/дифференциального режима». Она состоит из двух эквивалентов сети, осциллографа с мощной функцией многоканального БПФ и подходящей пластины заземления. Для измерения кондуктивных помех и отделения синфазного шума от дифференциального в источнике питания требуется эквивалент сети с двумя портами измерения. В качестве альтернативы можно использовать два идентичных однопортовых эквивалента сети. Два коаксиальных выхода эквивалента сети должны быть подключены к осциллографу коаксиальным кабелем, а в осциллографе должно быть активировано входное сопротивление 50 Ом для обеспечения соответствующего согласования. Для измерения спектра кондуктивных помех в осциллографе должны быть выполнены следующие действия:

• Выберите два БПФ и настройте минимальную и максимальную частоту, а также полосу разрешения.
• Выберите следующие уравнения БПФ: Ch1 + Ch2 для синфазного шума (CM); (Ch2 – Ch1)/2 для дифференциального шума (DM).
• Настройте чувствительность по вертикали во временной области так, чтобы входные каналы не перегружались при включении испытуемого устройства (ИУ).
• Отключите питание ИУ и проведите опорное измерение для определения уровня собственного шума установки, чтобы его можно было отделить от шума ИУ.
• Включите питание и выполните измерение. Проверьте соответствие результата известным нормам на кондуктивные помехи для ИУ. Учтите дополнительное ослабление, вносимое эквивалентом сети. В следующем примере предполагается, что ослабление из-за эквивалента сети для всех результатов составляет 10 дБ.

Пример применения

В измерительной установке используется демонстрационная схема (DC3042A) от Analog Devices с понижающим преобразователем постоянного тока LTC3310. На плату подается входное напряжение 5 В, которое преобразуется в выходное напряжение 1,2 В. На выходе установлен подходящий резистор для получения постоянного тока 6 А. Преобразователь настроен на работу с частотой переключения 2 МГц. Плата имеет синхронную топологию понижения напряжения с очень низким уровнем ЭМП. Конфигурация оборудования была максимально точно отражена в файле модели для полноценной имитации схемы с помощью инструмента проектирования LTpowerCAD® II. Также был создан и запущен другой файл модели с использованием LTspice® от Analog Devices. Это позволило оценить альтернативный механизм имитации, обеспечивающий дополнительный уровень свободы, например позволяющий указать паразитные компоненты.

Имитация

На рисунке показано окно конфигурации входных компонентов, включая компоненты входного фильтра ЭМП («Компоненты входного фильтра ЭМП и структура входа»). Встроенная библиотека, содержащая разнообразные компоненты от разных поставщиков, помогает пользователю выбрать подходящие компоненты. Если требуемый компонент недоступен, пользователь может задать его свойства вручную. Выполнив настройку, пользователь может сразу получить первые результаты имитации. Для этого нужно запустить процесс расчета, нажав кнопку обновления.

Будет показан смоделированный спектр кондуктивных помех («Имитация кондуктивных ЭМП (инструмент проектирования LTpowerCAD® II)»). Кроме того, можно выбрать предельные линии в зависимости от того, какие требования ЭМП необходимо соблюсти проектировщику. Помимо графика ЭМП, инструмент отображает график затухания и импеданса для фильтра ЭМП. Эти два аспекта обязательно нужно учитывать при оптимизации конструкции фильтра с точки зрения стабильности.

Инструмент проектирования LTpowerCAD® II помогает получить много ценной информации, однако он имеет ряд ограничений, которые необходимо учитывать:

• Модуль имитации фильтра ЭМП генерирует заданную структуру или схему, но имеет ограниченные возможности определения более сложных структур. Например, пользователи могут добавить только ограниченное количество высокочастотных керамических шунтирующих конденсаторов с разными номиналами в любой точке структуры.
• Невозможно указать паразитные компоненты на печатной плате.

Некоторые типы компонентов, например ферритовые фильтры, нельзя выбрать из библиотеки — их нужно конфигурировать как простые катушки индуктивности.

В то же время инструмент LTspice® является более гибким, позволяя сконфигурировать практически любую схему с любыми типами компонентов. Можно смоделировать даже синфазный шум, если пользователь укажет необходимые элементы паразитной связи. Хотя инструмент LTspice® и помогает пользователям лучше понять поведение ЭМП в их схемах, он требует дополнительных усилий и знаний для настройки всех компонентов и увеличивает время имитации.

Результаты, полученные с помощью инструмента проектирования LTpowerCAD® II, инструмента LTspice® и измерений

Измерение

Измерение кондуктивных ЭМП с компонентами, используемыми в имитации, было проведено на оценочной плате. Было применено разделение синфазного и дифференциального режимов, чтобы обеспечить возможность прямого сравнения измеренного спектра и смоделированного спектра. В верхней части снимка экрана «Измеренные кондуктивные ЭМП» показан соответствующий дифференциальный шум, а в нижней части — синфазный шум. В этой конструкции спектр синфазных помех не играет большой роли, однако эта информация может быть полезной в других схемах, например схемах с изолированными источниками питания, для создания оптимизированного фильтра ЭМП.

Отклонение результатов имитации от результатов измерений

Для простоты отклонение каждого смоделированного результата от результата измерений (см. таблицу выше) было определено только на основной частоте импульсного преобразователя. В качестве основной частоты переключения была выбрана частота 2 МГц. Кроме того, имитация была выполнена с фильтром ЭМП и без него.

Как видно из приведенной выше таблицы, для инструмента проектирования LTpowerCAD® II отклонение от результатов измерений составило примерно 10 дБ в обоих случаях, то есть с фильтром ЭМП и без него. Основной причиной несоответствия является тот факт, что на смоделированной печатной плате не было паразитных компонентов и высокочастотных развязывающих конденсаторов. Паразитные компоненты, такие как последовательная индуктивность и последовательное сопротивление в любом конденсаторе в схеме имитации, оказывают значительное влияние на ЭМП, особенно на высоких частотах.

Инструмент LTspice® обеспечивает более точные результаты, поскольку смоделированная схема более точно воспроизводит реальную оценочную плату. Однако в рассматриваемом примере соответствующие компоненты печатной платы были неизвестны и не были включены в имитацию, поэтому небольшое отклонение является вполне ожидаемым. Если не демпфировать реактивные элементы, такие как катушки индуктивности и конденсаторы, механизм имитации инструмента LTspice® будет иметь тенденцию к возникновению колебаний. Для получения стабильных результатов имитации нужно обязательно выполнить тонкую настройку, что требует наличия у пользователя некоторого опыта. С другой стороны, инструмент имитации, такой как LTspice®, поддерживает моделирование более сложных схем, поскольку позволяет определять электрические схемы с любыми паразитными компонентами. Если разработчики не против приложить больше усилий для определения наиболее важных паразитных компонентов, а также увеличить время имитации, этот инструмент может принести большую пользу.

Заключение

Как показывают результаты, имитация кондуктивных помех может сильно помочь разработчикам в оценке проектов с точки зрения кондуктивных помех на раннем этапе разработки, еще до того, как будет доступен первый прототип. Однако результаты имитации нужно обязательно сравнить с результатами измерений, как только будет доступно оборудование для испытаний. Только это позволяет разработчикам получить целостное представление и уверенность в своих проектах, чтобы можно было переходить к дальнейшим шагам. Высокоточное измерительное решение Rohde & Schwarz на основе осциллографа R&S®RTO6 с функцией многоканального БПФ позволяет подтвердить результаты имитации с помощью первого прототипа.

См. также