а

Силовая электроника №2'2004

Модули фильтрации и защиты Vicor для обеспечение электромагнитной совместимости импульсных источников питания с другим оборудованием

Владимир Белотуров


Обеспечение электромагнитной совместимости импульсных источников питания с другим оборудованием и их защита от импульсов перенапряжений, присутствующих в первичных сетях питания, часто оказывается сложной задачей, стоящей перед системными разработчиками. Данные проблемы помогают решить модули фильтров фирмы Vicor.


В настоящее время при конструировании импульсных источников питания и систем электропитания все больше применяются стандартные импульсные преобразователи напряжения (DC-DC конвертеры) различных фирм. Связано это с несомненными преимуществами импульсных источников питания, такими как малогабаритность и высокий КПД, а также с тем, что системному разработчику нет необходимости досконально знать и изучать принципы и схемотехнические особенности преобразователей напряжения. Он использует их как готовые блоки с нужными входными и выходными параметрами. В современных DC-DC конвертерах преобразование энергии осуществляется на высокой (порядка нескольких сотен килогерц) частоте при коммутации ключевым элементом значительной по величине мощности. Поэтому DC конвертер принципиально является генератором паразитных электромагнитных помех, которые распространяются как в пространство (радиочастотные), так и по соединительным проводам. Принято считать, что частотный спектр значимых помех лежит в пределах от 100 кГц до 30 МГц, и они могут наводиться на расположенную рядом электронную аппаратуру, вызывая в ней сбои и ложные срабатывания, что ведет к снижению надежности функционирования. Особенно актуальной данная проблема является в медицинской, военной технике, системах управления технологическими процессами — то есть там, где требуется повышенная надежность и безопасность работы РЭА. Поэтому во всем мире принят целый ряд нормативных документов, определяющих уровень радио- и электромагнитных помех, которым должны удовлетворять электронные устройства.

Большинство DC-DC конвертеров имеют встроенные фильтры, более того, в DC конвертерах Vicor преобразование энергии ведется в режиме переключения силовых транзисторов при нулевом токе (квазирезонансный режим), что значительно снижает уровень помех, но в ряде случаев этого оказывается недостаточно. Кроме того, для различных видов аппаратуры уровни допустимых помех различаются в несколько раз. Поэтому для производителей модулей является экономически нецелесообразным комплектовать их полноценными фильтрами для снижения помех до минимального уровня. В таких случаях разработчик вынужден принимать решение о применении внешних фильтров.

Стандартным решением для борьбы с помехами является использование индуктивных и индуктивно-емкостных фильтров на входе DC конвертера. Но при этом разработчик должен самостоятельно рассчитывать параметры фильтра, грамотно сделать разводку, элементы фильтра получаются достаточно крупных размеров, что в целом снижает преимущество малогабаритности преобразователей напряжения. Кроме того, часто встает задача тестирования устройства на удовлетворение соответствующим стандартам и нормам по электромагнитной совместимости, что само по себе является трудоемким и сложным процессом, так как требует соответствующей специальной аппаратуры, методик испытаний и т. д. Эффективность такого подхода к решению проблемы с электромагнитной совместимостью становится сомнительной.

Второй важной задачей по обеспечению надежности функционирования импульсного источника питания и, соответственно, всего электронного устройства, признана необходимость защиты самого источника от импульсных помех и перенапряжений, которые могут присутствовать в первичной цепи и вывести элементы преобразователя напряжения из строя или нарушить его функционирование. Под первичной цепью питания понимается как промышленная выпрямленная сеть 300 В, где по ГОСТу допускается присутствие импульсов микросекундной длительности амплитудой 1…1,5 кВ, так и бортовая или другая шина питания 24, 28, 48 В, где могут возникать выбросы напряжения длительностью около нескольких миллисекунд, превосходящих номинальное напряжение на десятки процентов.

Для защиты импульсного источника питания, а вместе ним и питаемой аппаратуры от помех и бросков напряжения в сети признаны целесообразными различные технические решения, такие как использование металло-оксидных варисторов, газовых разрядников, сетевых фильтров, кондиционеров (нормализаторов) питания. Под нормализаторами питания подразумевается активные электронные устройства, защищающие преобразователь напряжения от микросекундных импульсных помех, выбросов напряжения амплитудой до 100% от номинальной.

Таким образом, использование малогабаритных DC-DC конвертеров не решает всех задач, связанных с конструированием импульсного источника питания для обеспечения потребителей качественным и надежным электропитанием. Для облегчения работы разработчиков фирма Vicor, следуя принципу конструирования импульсного источника питания из отдельных функциональных модулей, предлагает ряд модулей фильтров с различными наборами параметров.

Модули входных фильтров Vicor одновременно осуществляют следующие функции:

  • подавление электромагнитных помех (электромагнитная совместимость);
  • защиту от коротких импульсов перенапряжений большой амплитуды;
  • защиту от выбросов напряжения миллисекундной длительности;
  • ограничение тока при резком увеличении нагрузки;
  • дистанционного включения и отключениямодуля.

Ограничение пускового тока осуществляется за счет резистора с отрицательным ТКС, зашунтированным управляемым транзистором. Защита от миллисекундных импульсов осуществляется электронной схемой, где роль силового элемента выполняет проходной транзистор. В номинальном режиме транзистор находится в режиме насыщения. При появлении импульса перенапряжения транзистор переходит в активный режим работы, ограничивая выходное напряжение на безопасном уровне, близком к номинальному. Фильтр электромагнитных помех представляет собой набор стандартных индуктивно-емкостных фильтров для подавления синфазных и дифференциальных помех до уровня, соответствующего стандарту EN55022 (B).

Конструктивно модули выполнены в стандарте «полкирпича» (half-brick) размерами 58x61x12,7 мм. Основные технические характеристики приведены в таблице. Подробные технические описания доступны на сайте www.vicorpower.com. На рис. 1 приведена схема подключения, а на рис. 2 3, 4 — графические иллюстрации работы фильтров. Как и другие модули Vicor, фильтры выпускаются в коммерческом, индустриальном и военном исполнениях.

Рис. 3. Отклик фильтра RAM на сетевой импульс перенапряжения tимп=10 мкс
Рис. 3. Отклик фильтра RAM на сетевой импульс перенапряжения tимп=10 мкс

Picor (дочерняя компания Vicor) производит активные фильтры серии QPI (рис. 5) для подавления синфазных и дифференциальных помех для источников с шинами питания 24 и 48 В. Использование метода активной фильтрации позволяет значительно уменьшить размеры модулей и избавиться от резонансных явлений, свойственных пассивным LC-фильтрам. На рис. 6 приведены частотные характеристики коэффициента подавления синфазных и дифференциальных помех при использовании фильтров QPI. Модули Picor выполнены в форматах BGA и LGA размерами 25x25x5 мм и допускают последовательное ( для большей степени подавления помех) и параллельное (для увеличения тока) соединение. Доступны для заказа макетные платы со смонтированными на них модулями. На сайте www.picorpower.com приведены рекомендации по оптимизации разводки печатной платы.

Рис. 5. Модуль фильтра QPI-1 Picor (размеры 25x25x5 мм)
Рис. 5. Модуль фильтра QPI-1 Picor (размеры 25x25x5 мм)
Рис. 6. Частотная характеристика подавления помех фильтра QPI-1 (верхняя кривая для дифференциальных помех, нижняя—для синфазных)
Рис. 6. Частотная характеристика подавления помех фильтра QPI-1 (верхняя кривая для дифференциальных помех, нижняя—для синфазных)

Фильтры разрабатывались в основном для применения совместно с соответствующими по напряжению DC-DC конвертерами Vicor, но также могут быть использованы и с преобразователями напряжения других фирм.

 

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

купить накладные волосы . Sintesi wood плитка фабрики sintesi www.d2art.ru. . Мы советуем Вам приобрести стеллаж металлические для шин в Москве от профессиональной компании.