Снижение шумов и фильтрация напряжения источника питания

4.11. Снижение шумов и фильтрация напряжения источника питания

Прецизионные аналоговые схемы обычно питаются от источника с хорошим линейным стабилизатором с низким уровнем шума. Однако за последние 10 лет в электронных схемах стали гораздо чаще использоваться импульсные источники питания (ИИП), и как следствие, они стали использоваться также для питания аналоговых схем. Причины их популярности – высокий КПД, малое повышение температуры, небольшой размер и вес.

Несмотря на эти преимущества, ИИП имеют отрицательные стороны, и самое главное – большой уровень помех на выходе. Эти помехи обычно занимают широкую полосу частот, проявляются в проводимых и излучаемых шумах, а также в нежелательных электрических и магнитных полях. Напряжение выходного шума ИИП представляет собой короткие импульсы или пики напряжения. Хотя значение частоты переключения лежит в пределах 20 кГц-1 МГц, выбросы могут содержать частотные компоненты, достигающие 100 МГц и выше. В спецификации на ИИП обычно указано значение среднеквадратичного напряжения шума, но как потребитель вы должны также знать амплитуду выбросов при определенной нагрузке, соответствующей вашей системе.

В данной главе рассматриваются приемы фильтрации постоянного напряжения со сравнительно небольшими потерями для доведения качества напряжения на выходе ИИП до уровня пригодного для аналоговых устройств, то есть достаточно "тихого" для прецизионных аналоговых схем. Рассмотренные схемные решения фильтров обычно подходят для всех типов источников питания, использующих импульсные элементы в тракте питания. Это относится и к различным преобразователям постоянного напряжения (DC-DC), и к распространенным источникам питания на напряжение 5 В (компьютерным).

Чтобы понять, как шум источника питания действует на аналоговые схемы и системы, необходимо понимание процессов электромагнитного взаимодействия. В каждом случае, связанном с помехами, имеется свой источник, путь и место воздействия. В целом, существуют три метода борьбы с помехами. Во-первых, излучение источника может быть уменьшено с помощью надлежащей разводки, управления временем нарастания импульса, фильтрации и грамотного заземления. Во-вторых, пути проведения и излучения должны быть устранены посредством физического разделения и экранирования. В-третьих, помехоустойчивость объекта воздействия может быть улучшена благодаря фильтрации сигналов и напряжения питания, контролю уровня импеданса, балансу импеданса и использованию дифференциальных технологий для подавления нежелательных синфазных сигналов. Этот раздел посвящен уменьшению уровня шума питания посредством внешних дополнительных фильтров.

 Средства, применяемые для борьбы с высокочастотными шумами ИИП, следующие:

 -Конденсаторы;

-Катушки индуктивности;

-Дроссели с ферритовыми бусинами;

-Резисторы;

Рекомендуемые материалы

-Линейный пост-стабилизатор;

-Надлежащее размещение и заземление;

 -Физическое разделение с чувствительными аналоговыми схемами.

Они различаются по электрическим характеристикам, а также по их эффективности по части уменьшения шума, и перечислены приблизительно в порядке предпочтения. Из этих средств катушки индуктивности и конденсаторы и являются наиболее действенными фильтрующими элементами, они наиболее выгодны по соотношению цена/эффективность, а также невелики по размеру.

Конденсаторы, пожалуй, самые важные компоненты фильтра для ИИП. Существует много различных типов конденсаторов, и совершенно необходимо разбираться во всех их характеристиках для того, чтобы сконструировать на практике хороший фильтр питания. Существует три больших класса конденсаторов, используемых в фильтрах на частотах 10 кГц-100 МГц, различающихся по типу диэлектрика: электролитические, пленочные органические и керамические. Эти типы могут в свою очередь делиться на подклассы. Кратко основные характеристики конденсаторов приведены в таблице 4.1.

Какой бы диэлектрик не применялся, основная составляющая потерь в конденсаторе выражается через эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), это – суммарное паразитное сопротивление конденсатора. ESR ограничивает эффективность фильтра и требует особого внимания, т.к в некоторых типах конденсаторов ESR может изменяться в зависимости от частоты и температуры. Другая составляющая, понижающая качество конденсатора, – эквивалентная последовательная индуктивность (ESL). Индуктивностью ESL определяется частота, на которой полная характеристика импеданса конденсатора переходит от емкостной к индуктивной. Эта частота разная – от 10 кГц в некоторых электролитических конденсаторах до 100 МГц или даже больше в керамических конденсаторах для поверхностного монтажа (SMD). ESR и ESL минимизированы в безвыводных компонентах. Все упомянутые типы конденсаторов доступны в исполнении для поверхностного монтажа (SMD), которое предпочтительно для высокоскоростных устройств.

Конденсаторы из семейства электролитических являются прекрасным, эффективным по стоимости низкочастотным компонентом фильтра по причине широкого диапазона значений емкости, большого отношения емкости к объему и широкому диапазону рабочих напряжений. В семейство входит алюминиевый электролитический конденсатор общего применения, который работает при напряжении от 10 В до 500 В, и имеет емкость от 1 до несколько тысяч мкФ. Все конденсаторы этого типа полярные и не могут выдерживать без повреждения более 1 В обратного напряжения. Они также имеют относительно большие токи утечки (до десятков мкА, этот параметр сильно зависит от особенностей конструкции).

В семейство электролитов входят танталовые конденсаторы, обычно рассчитанные на напряжение 100 В и ниже, с емкостью до 500 мкФ. Танталовые конденсаторы имеют большее значение отношения емкости к объему, чем электролитические конденсаторы общего назначения, и имеют более высокий диапазон частот и низкое значение ESR. Обычно они дороже, чем стандартные электролитические конденсаторы, и должны использоваться с осторожностью, с учетом скорости нарастания и пульсаций тока.

Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют подвид импульсных конденсаторов, который разработан для работы с большим импульсным током на частотах до нескольких сотен килогерц и имеют небольшие потери. Конденсаторы этого типа конкурируют с танталовыми в высокочастотных фильтрах, имея преимущество в виде более широкого диапазона емкостей.

Более специализированные алюминиевые высокоэффективные конденсаторы типа OS-CON содержат органический полупроводниковый электролит. Такие конденсаторы имеют значительно более низкое значение ESR и более широкий диапазон частот, чем другие электролитические конденсаторы, и к тому же у них имеется свойство – не слишком снижается значение ESR при низких температурах.

Пленочные конденсаторы имеют очень широкий диапазон значений емкости и разновидностей диэлектриков, в том числе полиэстер, поликарбонат, полипропилен и полистирол. Из-за малой диэлектрической проницаемости этих материалов размеры данных конденсаторов довольно велики; так, например, конденсатор с полиэстеровым диэлектриком на 10 мкФ/50 В имеет размер с ладонь. Металлизированные электроды (по сравнению с электродами из фольги) способствуют уменьшению размеров, но даже конденсаторы с самой высокой диэлектрической постоянной среди конденсаторов этого типа (полиэстер, поликарбонат) все же больше по размеру, чем любой электролитический, даже при использовании самой тонкой пленки с самым низким номинальным напряжением (50 В). Хотя пленочные конденсаторы имеют очень низкие диэлектрические потери, этот фактор не обязательно является преимуществом на практике для фильтра импульсного источника питания. Например, ESR в пленочных конденсаторах может быть даже менее 10 мОм, и их свойства в том, что касается добротности, очень хорошие. Но на практике это может вызвать нежелательные резонансные явления в фильтрах, там, где требуется затухание.

Пленочные конденсаторы с конструкцией в виде многослойного рулона могут обладать индуктивностью. Это может уменьшить их эффективность при высокочастотной фильтрации. Разумеется, только неиндуктивные пленочные конденсаторы могут быть использованы в фильтрах импульсных источников питания. Один из специфических неиндуктивных типов конденсатора – это многослойный, где пластины конденсатора вырезаны как небольшие слоистые прямые кусочки из большого намотанного барабана, состоящего из слоев диэлектрика/проводника. Эта технология привлекательна низкой индуктивностью конденсаторов. Очевидно, для лучшей эффективности на высокой частоте длина выводов должна быть минимальной. Также выпускаются конденсаторы с поликарбонатной пленкой, рассчитанные на высокие токи, специально разработанные для импульсных источников питания, с различными низкоиндуктивными выводами для уменьшения значения индуктивности ESL.

В зависимости от электрических параметров и физических размеров, пленочные конденсаторы могут применяться на частотах до 10 МГц и даже выше. На самых высоких частотах могут применяться только многослойные конденсаторы. Некоторые производители сейчас выпускают пленочные конденсаторы безвыводной конструкции для поверхностного монтажа (SMD), что устраняет проблему индуктивности выводов.

На частоте выше нескольких МГц обычно используют керамические конденсаторы из-за их компактных размеров, низких потерь и наличия номиналов до нескольких мкФ при использовании диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью (X7R и Z5U), с номинальным напряжением до 200 В. В конденсаторах типа NP0 (также обозначаемых COG) используется диэлектрик с низкой диэлектрической проницаемостью, они имеют нулевой температурный коэффициент емкости (ТКЕ) плюс низкий коэффициент зависимости емкости от приложенного напряжения (по сравнению с менее стабильными конденсаторами с высоким значением диэлектрической проницаемости). Значения емкостей конденсаторов типа NP0 ограничены величиной 0,1 мкФ и ниже, обычно на практике менее 0,01 мкФ.

Многослойные керамические "чипы-конденсаторы" очень популярны для развязки и фильтрации на частотах 10 МГц и выше, т.к. их очень низкая индуктивность обеспечивает почти оптимальное прохождение радиочастотных сигналов. Керамические чип-конденсаторы с меньшими значениями емкости имеют рабочий диапазон частот до 1 ГГц. Для применения на высоких частотах правильный выбор заключается в выборе конденсатора, который имеет собственную резонансную частоту более высокую, чем самая высокая частота, которая имеется в данной цепи.

Все конденсаторы имеют некоторое конечное значение эквивалентного последовательного сопротивления ESR. В некоторых случаях ESR может даже способствовать подавлению резонансных пиков в фильтрах, обеспечивая некоторое затухание. Например, для большинства электролитических конденсаторов область последовательного резонанса можно найти на графике зависимости импеданса от частоты. Это происходит там, где |Z| падает до минимального уровня, почти равного ESR конденсатора на этой частоте. Данный низкодобротный резонанс может обычно покрывать относительно большой диапазон частот в несколько октав. По сравнению с очень высокодобротными острыми резонансными пиками пленочных и керамических конденсаторов, поведение электролитов может быть полезно при подавлении резонансных явлений.

В большинстве электролитических конденсаторов значение ESR заметно увеличивается при низких температурах, примерно в 4-6 раз при изменении температуры от комнатной до –55°C. В схемах, для которых значение ESR критично, это может вызвать сбои. Для решения этой проблемы существуют некоторые специальные типы электролитических конденсаторов, например у конденсаторов типа HFQ значение ESR на частоте 100 кГц при –10°C возрастает не более чем в 2 раза по сравнению со значением при комнатной температуре. Электролитические конденсаторы типа OSCON также имеют достаточно пологие характеристики зависимости ESR от температуры.

Как было замечено, все конденсаторы имеют паразитные свойства, которые ограничивают их эффективность. Эквивалентная электрическая схема, описывающая реальный конденсатор, моделирует ESR, ESL, основную емкость плюс некоторое шунтирующее сопротивление (см. рис. 4.12). Импеданс реального конденсатора на низких частотах почти чисто емкостной. На средних частотах его импеданс определяется значением ESR, например, для ряда типов, около 0,12–0,4 Ома на частоте 125 кГц. На частотах, превышающих значение примерно 1 МГц, этот конденсатор становится индуктивным, в импедансе доминирует эффект ESL. У всех электролитических конденсаторов кривые изменения импеданса близки по форме к изображенной на рис. 4.13. Минимальный импеданс будет изменяться в зависимости от значения ESR, а диапазон индуктивного импеданса зависит от величины ESL (которая, в свою очередь, сильно зависит от конструкции корпуса).

Рис. 4.12. Эквивалентная схема конденсатора и его ответ на импульсное воздействие.

Рекомендуем посмотреть лекцию "5 Обменная адсорбция".

Рис. 4.13. Зависимость импеданса электролитического конденсатора от частоты.

Что касается катушек индуктивности, в фильтрах источников питания очень часто применяются ферриты – непроводящая керамика, производимая из оксидов никеля, цинка, марганца и других соединений. На низких частотах (меньше 100 кГц), катушки с ферритовыми сердечниками обладают индуктивностью, поэтому они полезны в низкочастотных LC фильтрах. На частотах более 100 кГц импеданс катушки с ферритовым сердечником становится резистивным, что важно для разработки высокочастотных фильтров. Импеданс индуктивностей с ферритовыми сердечниками является функцией материала, диапазона рабочих частот, постоянного тока смещения, числа витков, размера, формы и температуры.

Несколько производителей ферритов предлагают большой выбор ферритовых материалов самой различной формы. Простейшая форма – бусинка из ферритового материала, ферритовый цилиндр, который просто надевается на вывод питания для развязки. Также имеются ферритовые бусинки с выводами – это та же бусинка, уже установленная на кусочек провода и используемая как компонент. Более сложные бусинки имеют много продольных каналов в цилиндре для улучшения развязки; существуют и другие варианты. Также существуют бусинки с выводами для монтажа на поверхность (SMD).

Для материалов Fair-Rite имеются модели PSpice, с их помощью можно оценить импеданс катушек с ферритовыми сердечниками. Эти модели разработаны в соответствии с реально измеренным, а не теоретическим импедансом.

Полное сопротивление дросселей с ферритовыми сердечниками зависит от нескольких взаимно зависимых переменных и аналитическому расчету поддается с трудом, поэтому трудно напрямую подобрать требуемый феррит. Однако знание следующих характеристик сделает выбор проще. Во-первых, определите диапазон частот шума, который должен фильтроваться. Во-вторых, должен быть известен ожидаемый диапазон температур фильтра, т.к. импеданс дросселей с ферритовыми сердечниками изменяется в зависимости от температуры. В-третьих, должен быть известен максимальный постоянный ток, протекающий через дроссель, чтобы удостовериться, что феррит не войдет в насыщение. Хотя модели и другие аналитические средства могут подтвердить правильность предпосылок, приведенная выше общая последовательность выбора, подкрепленная несколькими экспериментами с реальным фильтром, с подключенной нагрузкой, соответствующей реальным условиям, должна привести к правильному выбору феррита.

При соответствующем выборе компонентов низко- и высокочастотные фильтры могут быть спроектированы так, чтобы сгладить шум на выходе импульсного источника питания и обеспечить пригодное для питания аналоговых схем 5-вольтовое питание. На практике лучше добиваться этого, используя две ступени (а иногда и больше), каждая ступень должна быть оптимизирована для определенного диапазона частот. Для всего постоянного тока нагрузки может быть использовано общее фильтрующее звено, фильтрующее шум на 60 дБ или больше в диапазоне до 1-10 МГц. Этот главный фильтр используется как входной фильтр на печатной плате и обеспечивает широкополосную фильтрацию, общую для всех линий питания печатной платы. Прямо на выводах питания отдельных частей устройства используются более простые локальные фильтрующие звенья, чтобы обеспечить развязку на высоких частотах.