Методы снижения уровня помех и их применение для снижения уровня помех в блоке питания системы кондиционирования воздуха на Международной космической станции

f_max =0,35/t_r,Гц

t_r - время фронта при переключении микросхемы, подключенной к системе распределения питания; f_max - максимальная частота.

Максимальная рабочая частота равна целевой частоте f_T. Как правило, целевая частота ограничена диапазоном 100 - 200 МГц. Далее необходимо провести расчет основных параметров системы распределения питания:

1.1 При одновременном переключении (N) вентилей определяется максимальное значение изменения тока:

N - количество вентилей переключающихся одновременно; С - емкость нагрузки;

- время фронта (переключение);

- амплитуда допустимых пульсаций.

1.2 Необходимо определить значение полного сопротивления системы распределения питания: Параметры спецификации микросхемы:

1. уровень напряжения питания V_DD (MIN), B;

2. максимальный потребляемый ток I_DD (MAX), A;

3. минимальный потребляемый ток I_DD (MIN), A;

4. допустимая амплитуда пульсации напряжения Rip, %.

Определение целевого полного сопротивления:

где I_DD(MAX) - I_DD (MIN), А.

Оценка значения минимальной емкости конденсаторов для развязки в среднечастотном диапазоне:

С_bp1min = 2рf_bpZ_t ,Ф

f_bp - в среднечастотном диапазоне граничная частота(можно принять = 100 кГц); Z_t - полное целевое сопротивление, Ом; С_bp - удерживающая емкость, которая требуется.

1.3 Расчет минимальной развязывающей емкости для конденсаторов, работающих на высоких частотах:

С_{dec_min} = 2рf_maxZ_t ,Ф

1.4 Значение емкости на каждый вывод питания:

С_{dec_n} = С_{dec_min} n ,Ф

n - Число выводов питания, которые задействованы.

1.5 Конденсаторы необходимо выбирать с такими номиналами, емкость которых не должна быть ниже рассчитанных значений.

Выбор конденсаторов и их размещение.

Для высокочастотных конденсаторов, которые обладают низкой индуктивностью, важно правильное расположение. Для уменьшения индуктивности на пути от выводов конденсаторов к выводам питания устройств необходимо минимизировать длину трасс насколько это возможно, включая пути, которые идут через питание и GND. В случае, когда микросхема имеет несколько напряжений питания (внутренний каскад, вентили вход/выход), тогда в стеке многослойной печатной платы могут присутствовать два планарных конденсатора для каждого напряжения питания. Маршруты отверстий развязывающего конденсатора должны быть проложены к плоскостям питания и GND.

Среднечастотные конденсаторы могут располагаться в любом месте на плате, но по возможности как можно ближе к интегральной микросхеме.

Высокочастотный развязывающий конденсатор для цепей питания должен располагаться не дальше чем 1 см от выводов питания. Среднечастотные развязывающие конденсаторы должны размещаться не далее 3 см от выводов питания. Рассчитав максимальный радиус размещения конденсаторов можно сделать оценку допустимого расстояния.

Электромагнитная помеха возникает в замкнутых контурах, в которых течет ток. Как выше было указано, в качестве средства подавления помех нужно использовать развязывающие конденсаторы. Для минимизации полного сопротивления системы распределения питания и устранения негативного индукционного воздействия устанавливаются развязывающие конденсаторы около выводов микросхем.

При рассмотрении системы распределения питания понятно, что заряд, который поддерживается штатным источником питания микросхемы, не обеспечивает необходимую скорость перепада напряжения при переключении вентилей. Если установить конденсатор большой емкости, это улучшит ситуацию. Отрезок времени, который поддерживает высокий уровень заряда максимальный, относительно всех вариантов развязки. Но из-за больших размеров и высокого уровня индуктивности он не может поддерживать крутой фронт сигнала. Большим быстродействием обладает конденсатор с меньшей емкостью, но на длительность поддержания заряда тока его заряда не хватает. Исходя из таких предпосылок к выбору развязывающего конденсатора, было необходимостью принять компромиссное решение. Таким решением стала установка двух развязывающих конденсаторов для каждой микросхемы на плате управления. Один конденсатор с большой емкостью для накопления значительного заряда, второй конденсатор небольшой емкости для быстрого заряда и разряда.

Методы решения.

На основании анализа литературы и анализа произведенных измерений были предложены рекомендации по модернизации платы управления. После снятия осциллограмм четко видно как нарушается целостность сигнала, это говорит о том, что система распределения питания не выполняет свою главную функцию - своевременный перенос заряда. От переноса заряда по шинам питания зависит быстродействие устройства. Так как время переключение больше, чем должно быть, это говорит о том, что неправильно были рассчитаны емкости развязывающих конденсаторов. Именно развязывающие конденсаторы отвечают за быстродействие данного электронного устройства. Развязывающие конденсаторы на плате управления: для микросхемы D10 - C33,C35; D9 - C28,C29; D1 - C1,C3; D14 - C45,46; D15 - C48,C49; D12,D13,D2 -D7 - C42 - C54.

На целостность питания в плате управления также влияют электромагнитные помехи, создаваемые токоведущими дорожками и металлизированными отверстиями.

Изучив конструкцию платы управления можно сделать вывод, что шины питания и металлизированные отверстия в печатной плате не защищены от негативной взаимоиндукции.

Рекомендации для модернизации платы управления БП СКВ с целью подавления уровня помех в системе распределения питания:

Необходимо произвести расчеты:

1. Развязывающих емкостей;

2. Индуктивность трасс.

4.6 Расчет развязывающих емкостей

Расчет развязывающих емкостей для напряжений питания внутренних каскадов V_CCINT и вентилей входов/выходов V_CCIO на плате управления преобразователя тока БП СКВ.

Емкость развязывающего конденсатора для напряжения питания внутренних каскадов V_CCINT. Для печатных плат отдельные структуры логических матриц в определенных архитектурных особенностях за очень короткое время (пс) проходят очень малые токи (пА). Не смотря на то, что эти токи малы, при их суммировании по всему устройству они могут достигать несколько ампер. Такие малые перепады тока в секунду могут случаться сотни миллионов раз, так же как и существующие миллионы отдельных коммутаторов, которые осуществляют данные переходы. Учитывая данные факты на основе требования хранения средней энергии можно провести расчет развязывающего конденсатора.

Эквивалентная емкость переключающейся логической матрицы определяется по формуле:

C_tm=P_din/V²_CCINT*f_c.max



где P_din - мощность логических матриц, Вт; V_CCINT - напряжение питания матриц, В; f_c.max - тактовая максимальная частота, Гц;

Для уменьшения мощности помех, развязывающий конденсатор для источника питания V_CCINT должен быть больше в 25 - 100 раз, чем эквивалентная емкость логической матрицы. Превышение емкости в 50 раз приведет к 2 % пульсации источника питания V_CCINT. Следовательно, необходимо использовать такую зависимость:

С_dec = (25…100)C_tm

Развязывающий конденсатор должен иметь каждый вывод питания и GND. Для определения подходящей емкости к каждому развязывающему конденсатору, необходимо разделить общую развязывающую емкость С_dec на количество контактов n источника питания V_CCINT устройства и округлить до следующего значения доступных номиналов. Таким образом, можно посчитать минимальное значение емкости для каждого конденсатора:

С_{dec -n}= С_dec/n

1. Определим развязывающую емкость на цепи питания V_CCINT.

Условия для проведения расчета: мощность цепей V_CCINT платы управления БП СКВ P_din=5 Вт; V_CCINT = 1,2 В; Тактовая частота системы f_c.max = 120 кГц; множитель ВЧ развязывающего конденсатора - 14; количество выводов V_CCINT устройства n = 36;

При данных условиях получается:

C_tm=5/(1,2²*120*10³) = 2.77*10^-5 Ф, C_tm=27.7 мкФ;

С_dec= 14*27.7=388 мкФ

С_{dec -n}=388/16=24.3 мкФ

Исходя из этих вычислений, на один вывод емкость конденсатора должна быть не менее 24.3 мкФ. Необходимо обеспечить емкость конденсаторов не меньше рассчитанного значения.

Емкость развязывающего конденсатора напряжения питания для вентилей входа/выхода V_CCIO.

Требования к цепям развязки V_CCIO основываются на требованиях сохранения средней энергии, так же как и требования к развязке цепей V_CCINT. Размер эквивалентной емкости переключения определяют нагрузки, которые питаются от устройств. Различные сектора входа/выхода могут работать на разных частотах и напряжениях. Учитывая эти факты при разработке необходимо рассматривать цепи развязки для каждого сектора отдельно. Емкость развязки должна быть в 25-100 раз больше, чем общая емкость нагрузки на выходе. Таким образом, уменьшается уровень помех в шине V_CCIO. Для обеспечения мгновенного потребления тока каждая пара контактов V_CCIO и GND должна иметь развязывающий конденсатор. Уравнения, которые определяют оптимальный размер для каждого конденсатора.

- эквивалентная емкость переключения ввода/вывода для V_CCIO:

C_L=nC_n, Ф

C_n - средняя емкость нагрузки, Ф; n - число нагрузок;

- емкость для развязки цепей входа/выхода:

С_dec=(25…100)C_L, Ф

- индивидуальная емкость конденсатора:

С_{dec -n}= С_dec/m, Ф



m - число выводов V_CCIO.

2. Определим развязывающую емкость для вентилей входов/выходов V_CCIO.

Условия для расчета: число нагрузок m = 15,

средняя емкость нагрузки C_n = 10пФ;

множитель для развязывающего конденсатора - 14;

число выводов V_CCIO =32.

При данных условиях получается:

C_L= 15*10 = 150 пФ,

С_dec = 14*150 =2.1*10³ пФ,

С_{dec -n}= 2.1*10³/10 =2.1*10² пФ.

Таким образом, на каждом выводе питания емкость конденсатора должна быть не менее 2.1*10² пФ. Необходимо выбрать отдельные конденсаторы, которые не менее рассчитанного значения.

Расчет индуктивности трасс на плате управления БП СКВ.

При расчете индуктивностей трасс необходимо помнить, что в среде, которая окружает проводники только не магнитные материалы (медь) и диэлектрики. Индуктивность одиночной трассы определяется формулой:

L=0.0002l(ln(+0.2235(+0.5), мкГн,

где l - длина проводника; w - ширина проводника; t - толщина проводника.

Применяя данную формулу, рассчитаем индуктивность для одиночного прямолинейного проводника с размерами: l = 10мм; w = 0.035мм; t=0.5мм.

Получаем значение индуктивности для одной трассы

L=0.0002*100(ln(+0.2235(+0.5) = 0.056 нГн.

Известно, что индуктивность шин питания можно уменьшить, если проложить путь для возвратного тока максимально близко к сигнальному току.

Если на многослойной печатной плате проложить микрополосковые линии, которые имеют на одном слое платы проводник с током, а возвратные токи текут через соседние слои питания и GND, то с помощью такой системы можно перейти к оцениванию индуктивности сегмента линии и получить значение парциальной индуктивности. Для стрингеров, которые соединяют площадки контактов, индуктивность определяется по формуле:

L_ms = ln(1+32*(h²_ms/w²)*(1+)), нГн/см,

где h - толщина диэлектрика; w - ширина проводника; Er - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика платы.

Данная формула работает только в том случае, когда ширина питания/GND минимум в 3 раза больше ширины микрополосковой структуры. В данном случае от ширины стрингера зависит индуктивность.

h = 0.3мм; w = min-0.5 - max- 1 мм.

Подставив в формулу минимальное значения ширины стрингера, то получаем:

L_ms = ln(1+32*(0.3²/0.5²)*(1+)) = 2.5 нГн/см

Подставив в формулу максимальное значения ширины стрингера, то получаем:

L_ms = ln(1+32*(0.3²/1²)*(1+)) = 1.4 нГн/см



Отсюда можно сделать вывод, что когда стрингер расширяется, его индуктивность падает. Ширина стрингера должна быть максимально возможной, при проектировании, настолько, насколько позволяют топологические ограничения и не быть равной ширине сигнальных проводников.

Дополнительные меры по обеспечение ЭМС.

В БП СКВ мощным излучателем помех является повышающий трансформатор. Так как плата управления конструктивно располагается вблизи него, она попадает под электромагнитные помехи, которые исходят от трансформатора. Чтобы снизить уровень помех, исходящих от трансформатора был поставлен экран между ним и платой управления.

Из платы управления идут управляющие сигналы по проводам на транзисторы силового моста. Провода были укорочены, чтобы снизить уровень кондуктивной помехи, возникающей в сигнальных проводах и излучающихся.



5. Модернизированная плата управления БП СКВ

5.1 Описание модернизированной платы

После предложенных рекомендаций плата управления была модернизирована. Были приняты меры по обеспечению целостности системы распределения питания в плате и как следствие улучшение электромагнитной совместимости в ней.

Техническое описание модернизированной платы управления:

Источник питания 12 В: собран на элементах С7-9, VD1,L3, D1,VT1 и сформирован как импульсный стабилизатор напряжения. Из данного узла идет распространение питания по всей печатной плате.

Контроллер для управления силовым мостом. В него входит микросхема D10 - сам контроллер и драйвера ключей D12 и D13. Из этого узла подаются сигналы для переключения транзисторов силового моста, с помощью которых формируется выходное напряжение преобразователя тока БП СКВ. Расположенная рядом микросхема D9 - схема блокировки драйверов при неоднократной попытке перезапуска преобразователя тока.

Схема обратной связи. В нее входят элементы D8, D11, D14, D15, T3. В этом узле осуществляется передача информации о выходном напряжении на главный контроллер D10. Схема так же стабилизирует напряжение на выходе преобразователя тока БП СКВ.

Схема нарастания напряжения. Состоит из элементов D2-D7. Представляет собой делитель напряжения контроллера D10, который управляется внешним сигналом.

От схемы формирователя фаз на делитель поступает импульсный сигнал. На вход делителя D2 поступает 16 импульсов в течение 12 секунд, благодаря этому напряжение на выходе преобразователя тока БП СКВ повышается до 140В. Такая операция необходима для мягкого запуска мотора компрессора.

Рисунок 38. Схема модернизированной платы управления.

При модернизации платы управления использовались методы управления полным сопротивлением: метод снижение полного сопротивления шины питания и метод снижения негативного воздействия сквозных токов, провалов напряжения питания и скачков напряжения на опорной плоскости(GND).

В полном сопротивлении системы распределения питания базой является индуктивность шины питания. Для уменьшения индуктивности шины питания в плате управления применялись следующие меры:

- увеличение ширины проводников питания и GND,

- сближение проводников питания и GND (так как токи в них протекают в противоположном направлении),

- Уменьшение длины шины питания.

В ходе усовершенствования платы управления применялась методика определения емкостей для развязывающих конденсаторов, которые играют важную роль в подавлении помех, распространяющихся в системе распределения питания. На плате установлены развязывающие конденсаторы в таком порядке: микросхема D10 - C25, С26, микросхема D8 - С20,С22, микросхема D12 - С38,С39, микросхема D13 - С40,С41, микросхемы D2-D7, D14 и D15 - С45 - С51.

При оценке полного сопротивления топологии монтажа было учтено, что на плате управления находятся микросхемы, в которых происходят коммутационные процессы. В таких процессах, как было изложено ранее, возникает сквозной ток, который генерирует помеху. Для того чтобы уменьшить помеху, возникающую в шине питания из-за коммутационных процессов в микросхемах, необходимо было добавить в печатную плату дополнительный экранирующий слой GND. Этот слой расположили рядом со слоем питания, чтобы уменьшить электромагнитные возмущения. Экранирующий слой был создан определенной формы (рис.42) специально подстроенной под микросхемы D10 (контроллер), D12 и D13 (драйвера ключей), в которых протекаю наиболее опасные большие токи при переключении режимов. Микросхема D10 представляет собой мостовой быстродействующий контроллер фазового сдвига (напряжение срабатывания - 9В, максимальный ток потребления - 45 mA). Микросхемы D12 и D13, каждая представляет собой двух канальный драйвер затворов МОП транзисторов высоковольтного полумоста (коммутационные токи : постоянный - 0.1А, импульсный 2,5А. Предельное напряжение 600В). Также слой GND закрывает импульсные трансформаторы (схема обратной связи), в которых протекаю большие импульсные токи, создавая вокруг себя негативную электромагнитную обстановку. Все выше перечисленные компоненты располагаются на нижнем слое печатной платы (Bottom) в правой части. Остальные компоненты располагаются на верхней части печатной платы (Top) с левой стороны. Рабочие параметры находятся в пределах: Umax = 10V, Imax = 1A.

Рисунок 39. Top (верхний слой)



Рисунок 40. Первый внутренний слой.

Рисунок 41. Второй внутренний слой.



Рисунок 42. Слой GND.

Рисунок 43. Bottom (нижний слой).

5.2 Анализ помех преобразователя тока БП СКВ с модифицированной платой

Для проведения эксперимента использовался преобразователь тока БП СКВ и измерительный прибор - осциллограф Tektronix TDS 3054C.



Рисунок 44. Осциллограф Tektronix TDS 3054C

Полоса частот 500 МГц; Частота дискретизации до 5 ГГц;

25 автоматических измерений; 9 битов разрешение по вертикали;

Чтобы увидеть улучшения в работе системы распределения питания печатной платы были произведены повторные измерения уровня помех. Поскольку нам необходимо определить влияние помех, исходящих из платы управления и влияющих на прибор в целом, были определены контрольные точки для проведения измерений (рис. 45).

Осциллограммы были сняты непосредственно с выводов драйверов ключей на плате управления и с транзисторов силового моста (рис.45).

Рисунок 45. Схема силового моста.

Рисунок 46. Выходное напряжение с драйверов ключей без нагрузки.

Рисунок 47. Напряжение между затвором и истоком Uзи на транзисторах VT1 VT2.Сопротивление нагрузки 10кОм.

На снятой осциллограмме видно, что нет всплеска на полках, которые встречались ранее. Форма сигнала стала ровнее. Это говорит о том, что система распределения питания платы управления сохраняет целостность сигнала, циклограмма не нарушается, помехи минимизированы до допустимого уровня.

Проведя данные исследования и измерения, мы получили факты, подтверждающие, что плата управления подходит под требования электромагнитной совместимости. На уровне логической единице, где ранее наблюдался всплеск, видно, что сигнал приобрел правильную форму. Линии фронтов ранее наблюдались пологие, что говорило об увеличенном времени переключения. На осциллограммах при повторном измерении видно, что фронты стали ровнее, а значит и время переключения режимов сократилось.

Новые данные подтверждают, что на затворы коммутирующих транзисторов приходит полезный сигнал. Проведенные измерения показывают, что в системе распределения питания платы управления при модернизации были использованы правильные методы подавления помех. Из этого следует, что развязка на плате разведена корректно.



Заключение

В ходе проведенных исследований преобразователя тока БП СК получены следующие результаты: из-за неправильной разводки многослойной печатной платы на стадии проектирования, которая является управляющей в данном приборе, произошло нарушение целостности сигнала. Сигналы, поступающие от платы управления к силовому мосту, идут с помехами. Такие сигналы мы наблюдали на снятых осциллограммах платы управления до ее модернизации.

В ходе самой модернизации платы были изменены емкости развязывающих конденсаторов, минимизированы сигнальные проводники. Под GND выделен отдельный слой. Наличие данного слоя в плате управления крайне необходимо для системы распределения питания. Возвратные токи от сигнальных проводников и проводников питания должны протекать непосредственно рядом, только в таком случае можно добиться минимального уровня помех. Таким образом, в плате управления появился экранирующий слой, которые снижает индуктивности внутренних трасс и металлизированных отверстий.

Чтобы на систему распределения питания в плате управления не влияли помехоэмиссии, исходящие от повышающего трансформатора, между ними был поставлен защитный экран из фольгированного стеклотекстолита. Провода, идущие от платы управления к силовому мосту, были укорочены.

Проведя повторный эксперимент по измерению уровня помех в преобразователе тока БП СКВ, стало видно, что форма сигналов поступающих с платы управления на транзисторы улучшилась, как и электромагнитная совместимость внутри блока. Задача по улучшению электромагнитной совместимости в блоке выполнена.

Таким образом:

1. Изучена конструкции БП СКВ, в том числе плата управления преобразователем тока;

2. Произведены измерения и анализ уровня помех, создаваемого платой управления;

3. Проведен анализ системы распределения питания в плате управления;

4. Проведены расчеты электрических емкостей для развязывающих конденсаторов системы питания платы управления, также проведены расчеты индуктивностей трасс печатных проводников;

5. Предложены рекомендации по модернизации платы управления преобразователя тока. Выполнена модернизация платы управления: пересчитана емкость развязывающих конденсаторов, добавлен слой GND, увеличена ширина проводников питания и GND, укорочены проводники с сигналами управления.

6. Добавлен экран между трансформатором и платой управления;

7. Проведено повторное исследование измерения уровня помех модернизированной платы управления; Результаты показали, что уровень помех стал меньше;



Список использованных источников

1. «Основы проектирования интегральных схем» Г.Г. Казённов; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009;

2. «Проектирование системы распределения печатных узлов электронной аппаратуры» Л.Н. Кечиев; издательство «Грифон», Москва, 2016;

3. «Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры» Л.Н. Кечиев, Москва, ООО «Группа ИДТ», 2007;

4. «ЭМС для разработчиков продукции» Т. Уильямс, Москва, издательский дом «Технологии», 2003г;

5. «Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств» Н.А. Малков, А.Н. Пудовкин, издательство ТГТУ, 2007г.;

6. «Электронное конструирование: методы борьбы с помехами» Дж. Барнс, издательство «Мир», 1990г.;

7. «Конструирование узлов и устройств электронных средств» Д.Ю. Муромцев, И.В. Тюрин, О.А. Белоусов, Ростов - на -Дону «Феникс» 2013г;

8. Техническая документация для БП СКВ;

9. Техническая документация МКС.

Размещено на Allbest.ru