Jak redukować zaburzenia w impulsowych układach zasilających? Kluczową sprawą jest zrozumienie mechanizmu i źródeł ich powstawania

Zrozumienie mechanizmu i źródeł powstawania zaburzeń w obwodach uziemiających przetwornic DC/DC pozwala zmniejszyć ich skutki już w początkowym stadium projektowania, wyboru podzespołów, ich rozmieszczania i analizy działania.

Rysunek 1 przedstawia schemat zastępczy przetwornicy obniżającej napięcie obciążonej stałym prądem. Jest on prosty i typowy, niemniej z punktu widzenia zaburzeń można uznać go za niepełny. Płynące prądy w przewodach, tranzystorze, a nawet pomiędzy okładkami kondensatora stają się źródłem pola magnetycznego. Podzespoły elektroniczne oraz odcinki łączącego je przewodnika tworzą pętlę obwodu, w którym płynie prąd. Schemat z rysunku 1 trzeba zatem tak skorygować, aby lepiej przedstawiał rzeczywistość.

Rys. 1. Schemat zastępczy obniżającej przetwornicy DC/DC. Tak przedstawiony schemat nie ułatwia poszukiwania źródeł zaburzeń

Rys. 2. Strumień magnetyczny jest iloczynem natężenia pola magnetycznego i obszaru pętli prądowej. Zmiany tego strumienia wywołują napięcia zakłócające. Działanie przetwornicy wymusza szybkie zmiany prądu w pętli, a zatem pola magnetycznego, a te z kolei indukują w połączeniach uziemiających zaburzenia napięciowe

Rysunek 2 pokazuje poprawioną wersję schematu zastępczego przetwornicy obniżającej. W tych samych przewodach widać teraz, jak wraz z działaniem kluczy zmienia się pętla przepływającego prądu i otaczające przewody pole magnetyczne. Gwałtowne zmiany pola w pętli są jedną z głównych przyczyn powstawania zaburzeń w obwodach masy przetwornicy. Strumień magnetyczny w pętli "U_WEJ-t1-masa" pojawia się i znika w każdym cyklu pracy konwertera.

Te zmiany strumienia magnetycznego indukują napięcia we wszystkich częściach pętli, z przewodem masowym (uziemiającym) włącznie. Napięć tych nie da się zredukować zwiększeniem przekroju miedzi lub powiększeniem szerokości ścieżek. Skuteczne może być jedynie zmniejszenie wypadkowego strumienia magnetycznego. Zmienić go można, tylko wpływając na szybkość zmian pola oraz na natężenie pola magnetycznego czy na pole pętli. Częstotliwości taktowania stromości zboczy zmienić zwykle nie można, pozostaje więc tylko zmniejszenie obszaru pętli.

Wartość indukcyjności konwertera jest proporcjonalnie związana ze strumieniem magnetycznym. Na rysunku 3, elektrycznie uzupełnionym schemacie z rysunku 2, widać, że zmiany prądu w pasożytniczej indukcyjności L_P1 wywołują zaburzenia napięcia w obwodzie masy, a prąd stały w pasożytniczej L_P2 nie.

Schemat na rysunku 3 jest przybliżonym tylko przedstawieniem rzeczywistości, ponieważ napięcia zakłócające powstają w każdym fragmencie obwodu, nadaje się on jednak do analizy mechanizmu ich powstawania. Pokazany na rysunku 3 pulsujący prąd zakłócający płynie przez L_P1 i wywołuje zaburzenia, ale widoczny na rysunku 4 kondensator wejściowy redukuje pole pasożytniczej pętli sprzężonej ze strumieniem magnetycznym i kieruje pulsujący prąd przez ścieżkę omijającą przewód masowy.

Rys. 3. Pasożytnicze indukcyjności magazynują pola magnetyczne. Pulsujący prąd w LP1 indukuje zaburzenia w ścieżce uziemiającej, a prąd stały w LP2 nie

Rys. 4. Umieszczenie kondensatora wejściowego w starannie dobranym miejscu ogranicza obszar pętli prądowej i kieruje pulsujący prąd w ścieżkę omijającą przewód masowy.

Dzięki temu w pasożytniczych L_P1 i L_P2 płynie jedynie prąd stały, a na masie nie powstają zaburzenia. Oprócz tego redukcja pola obejmującego strumień magnetyczny w podobnym stopniu zmniejsza EMI i inne indukowane w pętli zaburzenia. Reasumując, redukcję zaburzeń w obwodach uziemiających przetwornicy DC/DC uzyskuje się przez zmniejszenie pola pętli prądowej i użycie bocznikującego kondensatora. Istotny w tym udział ma przemyślane rozmieszczenie ścieżek i kondensatora na płytce drukowanej.

Innym źródłem zaburzeń jest pojemność pasożytnicza dławika przetwornicy. Na rysunku 5 wyeksponowano sam dławik oraz jego pojemność rozproszoną. Tak jak napięcie nie może zmieniać się nagle na kondensatorze, tak prąd w indukcyjności nie może nagle zmieniać natężenia. Zmiany napięcia w punkcie LX biorą się więc bezpośrednio zarówno z rozproszonej pojemności cewki C_L, jak i z kondensatora filtrującego przetwornicy C_T, i pojawiają się na pasożytniczych indukcyjnościach L_P1 i L_P2.

Gdy t₁ jest rozwarty, nie przepływa żaden ładunek, ale w następnej chwili prąd narasta we wszystkich elementach, a energia gromadzona w rozproszonej pojemności cewki E_CL = ½ C_L·U_LX² jest przekazywana do pasożytniczego pola magnetycznego uzwojenia E_Lp = ½ L_Pi²_max, a L_P w tym wzorze jest sumą wszystkich indukcyjności pasożytniczych. Ta niepożądana energia oscylacyjnie przerzuca się z pola elektrycznego w magnetyczne, aż zostanie wypromieniowana i pochłonięta w elementach rezystancyjnych, niepokazanych na rysunku 5.

Zarówno szczytowe napięcie, jak i czas trwania oscylacji w obwodach masy są źródłem kłopotów. Napięcie szczytowe U_GB zależy od zmian napięcia w punkcie LX, od pojemności rozproszonej cewki C_L i niewykazanej na rysunku, dodatkowej pojemności ścieżki. Duża pojemność C_L magazynuje energię, a więc im jest mniejsza, tym lepiej. Dławik wybierany do przetwornicy powinien mieć możliwie wysoką częstotliwość rezonansu własnego, bo wiąże się to z małą pojemnością C_L. Dwukrotnie wyższa częstotliwość rezonansowa cewki oznacza czterokrotnie mniejszą jej pojemność rozproszoną i tyleż mniejszą energię zakłócającą!

Rys. 5. Zmieniające się napięcie w punkcie LX pompuje ładunek poprzez pojemność pasożytniczą cewki CL do pasożytniczych indukcyjności ścieżek uziemiających LP1 i LP2, wywołując zaburzenia w obwodach masy

Rys. 6. Indukcyjności dwóch jednakowych szeregowo połączonych cewek sumują się, ale ich pasożytnicza pojemność maleje czterokrotnie. Wprowadzany ładunek jest redukowany, a zatem i zaburzenie w uziemieniu

Gdy jakości przyznaje się przewagę nad kosztem, warto użyć dwóch połączonych szeregowo cewek o dwukrotnie mniejszej indukcyjności ½L_T, zamiast jednej L_T (rys. 6). Pojemność seryjnych cewek jest zazwyczaj proporcjonalna do indukcyjności, mają więc one dwukrotnie mniejszą pojemność pasożytniczą. W szeregowym połączeniu cewek ich indukcyjność się sumuje, ale pojemność jest odwrotnością sumy ich odwrotności i jest dzięki temu mniejsza czterokrotnie. W tym samym stopniu są mniejsze zaburzenia w obwodzie masy. (KKP)