Projektowanie filtru wejściowego dla zasilaczy impulsowych

Rys. 1.

Obojętnie, z jakim typem zasilacza impulsowego i jaką topologią stopnia mocy, każde kluczowane źródło napięcia zasilającego staje się źródłem szerokopasmowych zaburzeń w postaci szybkozmiennych napięć i pól elektromagnetycznych, które mogą zakłócić pracę otaczającego sprzętu.

Głównym źródłem zakłóceń przenoszonych do sieci energetycznej jest napięcie tętnień, o częstotliwości takiej samej z jaką taktowany jest stopień mocy, pojawiające się na wejściowym kondensatorze filtrującym, wynikające z istnienia niezerowej zastępczej rezystancji szeregowej tego elementu. To napięcie może zostać usunięte przez filtr wejściowy, tłumiący wyższe częstotliwości w napięciu sieci.

Jego działanie odgrywa główną rolę w redukcji emitowanych zaburzeń do sieci do akceptowalnego przez normy poziomu. Aby urządzenie było zgodne z obowiązującymi normami, konieczne jest utrzymanie poziomu emitowanych zaburzeń poniżej odpowiedniej wartości - na przykład norma EN61000-6-4 dla częstotliwości 150 kHz wprowadza limit zaburzeń o wartości 79 dBμV.

Na rynku komponentów pasywnych można do takich zastosowań znaleźć wiele gotowych filtrów, których karty katalogowe zapewniają, że elementy te mają wysoki poziom tłumienia. Czasem niektórzy producenci deklarują ten parametr na poziomie nawet 70-100 dB, lecz w praktyce rzadko uzyskuje się takie wyniki.

Rys. 2.

To głównie dlatego, że pomiary dla tego typu filtrów przeprowadzane są przy obciążeniu impedancją 50 Ω, natomiast większość źródeł zasilania i obciążeń ma ten parametr o innej wartości. Stąd chcąc uzyskać duże tłumienie filtra, zaleca się stworzenie własnego, autorskiego projektu.

Jego projekt powinno się rozpoczynać od określenia typu zaburzeń, z jakim mamy do czynienia w systemie zasilającym, czy są one symetryczne, czy też niesymetryczne, gdyż filtr umieszczony na wejściu konwertera tłumi składową niesymetryczną. Badanie poziomu i tłumienia zaburzeń można prowadzić w trakcie realizacji projektu. Do tego celu używa się obwodu zwanego LISN (Line Impedance Stabilisation Network) oraz analizatora widma (rys. 1).

Bazując na takim systemie, można zmierzyć rzeczywiste zaburzenia niesymetryczne, ponieważ potencjałem odniesienia jest masa przetwornicy, nie zaś zewnętrzna masa niezwiązana z badanym układem. LISN ma za zadanie wydzielić zaburzenia w postaci sygnału zmiennego i pozwolić na analizę za pomocą analizatora widma.

Wewnętrzny filtr dolnoprzepustowy zapobiega przedostawaniu się zaburzeń z badanego urządzenia do sieci zasilającej i poprzez to chroni inne urządzenia w otoczeniu przed zakłóceniami. Rysunek 2 ilustruje przebiegi napięcia zaburzeń Unoise wyrażone w dBμV zmierzone w konwerterze DC/DC obniżającym napięcie, taktowanym 2 MHz, przy napięciu wejściowym 10 V i prądzie wejściowym rzędu 0,7 A.

Na rysunku widać wyraźnie składową o częstotliwości podstawowej i harmoniczne o stopniowo malejącej amplitudzie, ale wciąż lokujące się powyżej wartości granicznej. Wartość maksymalna 116 dBμV jest osiągana dla częstotliwości taktowania (2 MHz), co odpowiada napięciu tętnień 631 mV. Oznacza to, że potrzebny jest filtr wejściowy.

Indukcyjność filtru

Rys. 3.

Do podanego konwertera można użyć filtru dolnoprzepustowego zbudowanego z nieekranowanej cewki WE-PD2 o dużej częstotliwości rezonansowej (L=1 μH, SRF=110 MHz, RDC=49 mΩ) oraz kondensatora elektrolitycznego z serii FK (C=10 μF, U=35 VDC). Filtr jest umieszczony przed wejściowym kondensatorem filtrującym (rys. 3).

Cewka o wysokiej częstotliwości rezonansowej (SRF) jest wymagana z uwagi na to, że zazwyczaj traci ona swe zdolności do filtracji wraz ze wzrostem częstotliwości na skutek obecności pojemności pasożytniczych. By uniknąć nasycenia rdzenia, dopuszczalny maksymalny prąd nasycenia (ISAT) powinien być przynajmniej o 10% wyższy niż szczytowa wartość prądu wejściowego.

Należy też zwrócić uwagę na wartość rezystancji cewki dla prądu stałego (RDC), aby była jak najniższa po to, aby uniknąć dużego spadku napięcia wejściowego. Wartość indukcyjności należy dobrać tak, aby częstotliwość graniczna filtra była równa w przybliżeniu 0,1 częstotliwości taktowania przetwornicy, co zapewnia skuteczne tłumienie składowej podstawowej i znacznej części harmonicznych i zapewnia stabilność działania.

W przypadku niezachowania tego warunku mogą pojawić się niestabilności w pracy urządzenia i kontroler zasilacza nie będzie w stanie wystarczająco szybko reagować np. na zmianę napięcia wejściowego. Jest to wynikiem istnienia ujemnej impedancji wejściowej przetwornicy. W teorii przy stałych warunkach pracy zasilający prąd wejściowy powinien maleć w momencie wzrostu napięcia wejściowego.

Jednak z powodu zależności wielu parametrów komponentów od częstotliwości, nie w każdych warunkach tak jest. Rezystancja wejściowa zmienia się dynamicznie i wymaga analizy małosygnałowej. Niemniej praktycznym podejściem do tego problemu jest zachowanie impedancji wejściowej filtra na poziomie znacznie niższym od wejściowej impedancji samego konwertera.

Dobór kondensatora

Rys. 4.

Maksymalne napięcie pracy kondensatora w filtrze musi przewyższać napięcie wejściowe o co najmniej 25%, po to aby uniknąć spadku pojemności występującej przy maksymalnym napięciu znamionowym. Aby zapewnić wysoką częstotliwość rezonansu własnego, można użyć indukcyjności o stosunkowo niskiej wartości.

Powinno się wybierać kondensator o stosunkowo wysokiej wartości ESR, gdyż wysoka wartość tego parametru obniża dobroć filtru i przeregulowanie rezonansu filtra dolnoprzepustowego. Wybór stosunkowo dużej pojemności oraz małej indukcyjności daje dużą wartość częstotliwości rezonansu własnego, stąd najlepszym wyborem wydaje się kondensator elektrolityczny.

Dla uniknięcia niedopasowania impedancji, ważne jest także, aby poprawnie zaprojektować wzajemne położenie elementów składowych filtru. Z uwagi na obecność wejściowego kondensatora filtrującego, impedancja wejściowa przetwornicy jest niższa niż źródła zasilania, stąd dławik filtru powinien być ulokowany pomiędzy źródłem zasilania oraz wejściem przetwornicy.

Kondensator filtra podłącza się za cewką, równolegle do źródła zasilania. Zadaniem cewki jest bowiem ograniczenie tętnień, natomiast kondensator odprowadza napięcia zaburzeń do masy. Rysunek 4 pokazuje wyniki zastosowania takiego filtru na wejściu. Mimo że dławik ma tylko 1 μH, a pojemność 10 μF, główna składowa zaburzeń została stłumiona o 30 dB, natomiast harmoniczne są poniżej szumu tła.

Filtr wejściowy jest nieodzowną częścią zasilacza impulsowego i jego obecność należy przewidzieć już na etapie projektowania. Dobrze zaprojektowany filtr LC z poprawnie dobranymi elementami pasywnymi zapewnia wymagane tłumienie zaburzeń, pozwalając przy tym zachować stabilność działania układu konwertera.

Würth Elektronik Poland
www.we-online.com