Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2004 №4

Как снизить шумы DC-DC преобразователей напряжения C&D TECHNOLOGIES с выходной мощностью 10-25 Вт

Дмитриев Сергей


Статья продолжает обзор продукции C&D TECHNOLOGIES, рассматривая применение DC/DC-преобразователей с выходной мощностью 10-25 Вт в телекоммуникационной технике и промышленной автоматике с точки зрения подавления шумов на входе и выходе преобразователя.

Основное достоинство DC/DC-преобразователей C&D TECHNOLOGIES с гальванической развязкой — высокий КПД (до 89%), который позволяет резко снизить энергопотребление радиоэлектронной аппаратуры при возможности получения практически любых напряжений на выходе (от 1 до 48 В) из стандартных 12, 24 или 48 В.

Однако никакое улучшение не дается даром. Импульсный способ преобразования энергии ведет к появлению на входе и выходе преобразователя импульсных помех (шумов) с частотой преобразования и ее гармониками.

Это основной недостаток DC/DC-преобразователей, который ограничивает их применение в системах прецизионных измерений, системах автоматизированного контроля параметров продукции и бортовом оборудовании.

Рассмотрим, какие решения в области подавления шумов DC/DC-преобразователей предлагает компания C&D TECHNOLOGIES.

10-ваттныеDC/DC-преобразователи WPC10R

Эти преобразователи предлагают стабилизированные одиночные и двухполярные выходные напряжения и работают в широком диапазоне температур — от -40 до +71 °С без снижения выходной мощности.

Таблица 1. Электрические параметры преобразователей серии WPC10R
Таблица 1. Электрические параметры преобразователей серии WPC10R

Преобразователи серии WPC10R имеют продолжительную защиту от короткого замыкания, защиту от перегрева (защитное отключение при Ткорп = +110 °С) и выпускаются в металлическом корпусе (51x25x10,2 мм) со стандартным расположением выводов.

Частота преобразования составляет 350 кГц (тип.), по дополнительному заказу (опция R) преобразователи можно изготовить с входом дистанционного включения-выключения.

Электрические параметры и внешний вид преобразователей серии WPC10R приведены в таблице 1.

Как уже упоминалось выше, импульсный преобразователь создает шумы от собственного генератора на входных и выходных контактах преобразователя, а также в виде радиоизлучения в эфир.

Уровень шумов, создаваемых на входе DC/DC-преобразователя, определяется характеристикой Reflected Ripple Current (отраженный ток помех), который составляет для преобразователей серии WPC10R всего 20 мА (тип.).

Так как этот параметр контролируется компанией C&D TECHNOLOGIES, то, зная выходное сопротивление источника питания для преобразователя и сопротивление подводящих проводов, можно легко определить уровень напряжения помех, создаваемых данным преобразователем в первичной сети.

Чтобы снизить этот уровень помех до допустимого по самому жесткому классу В стандарта электромагнитной совместимости EN55022, производитель рекомендует установить в непосредственной близости от входных контактов преобразователя конденсатор емкостью 10 мкФ.

Уровень шумов на выходе преобразователей серии WPC10R благодаря встроенному фильтру не превышает 75 мВ (размах), но если потребуется еще более низкий уровень шумов на выходе, то C&D TECHNOLOGIES рекомендует использовать внешний фильтр, который снижает уровень шумов до нескольких мВ (рис. 1).

Рис. 1. Пример выходного фильтра, снижающего уровень шумов на 26 дБн для WPG0R24S05N
Рис. 1. Пример выходного фильтра, снижающего уровень шумов на 26 дБн для WPG0R24S05N

Что же касается уровня помех, излучаемых в эфир, он снижен за счет металлического корпуса, соединенного с минусом входа.

Преобразователи серии WPC10R имеют стандартные конструктивные размеры и расположение выводов, совпадающие с преобразователями серии TEN10 фирмы TRA-COPOWER, REC10 фирмы RECOM и др.

10-25-ваттные преобразователи серии NPH

Эти преобразователи — одна из новейших разработок C&D TECHNOLOGIES. Их преимущества:

  • высокий КПД (до 89%);
  • высокая точность установки выходного напряжения — не более ±0,5%;
  • высокая стабильность выходного напряжения при изменении входного — не более ±0,1%;
  • высокая стабильность выходного напряжения при изменении нагрузки — не более ±0,5%;
  • температурная нестабильность выходного напряжения — не более 250 ppm/°C;
  • уровень помех на выходе — 70 мВ (эфф.);
  • рабочий диапазон температур — от -40 до 100 °С (с принудительным охлаждением).

Таблица 2. Электрические параметры и внешний вид преобразователей NPH10S
Таблица 2. Электрические параметры и внешний вид преобразователей NPH10S
Примечание: опция Е — вход дистанционного включения-выключения, вход синхронизации, вход регулировки U„..„
Таблица 3. Электрические параметры и внешний вид преобразователей NPH15S
Таблица 3. Электрические параметры и внешний вид преобразователей NPH15S
Примечание: опция Е — вход дистанционного вкл-выкл, вход синхронизации, вход регулировки ивых
Таблица 4. Электрические параметры и внешний вид преобразователей NPH25S
Таблица 4. Электрические параметры и внешний вид преобразователей NPH25S
Примечание: опция Е — вход дистанционного вкл-выкл, вход синхронизации, вход регулировки ивых

Отличительная особенность всех преобразователей серии NPH — высокая перегрузочная способность, позволяющая им работать на большую емкостную нагрузку.

Преобразователи NPH10S (10 Вт) имеют минимальные габариты (25x30x10 мм) и стандартное для преобразователей подобной мощности расположение выводов. Электрические параметры и внешний вид преобразователей серии NPH10S приведены в таблице 2.

Преобразователи NPH15S (15Вт) имеют стандартные габариты (51x25x10 мм) и стандартное для преобразователей подобной мощности расположение выводов. Электрические параметры и внешний вид преобразователей серии NPH15S приведены в таблице 3.

Преобразователи NPH25S (25 Вт) имеют габариты (51x35x10 мм) и стандартное для преобразователей мощностью 10 и 15 Вт расположение выводов. Электрические параметры и внешний вид преобразователей серии NPH25S приведены в таблице 4.

Дополнительные выводы (опция Е) дают возможность:

  • подстройки выходного напряжения в пределах минимум ±10% (вывод ADJ);
  • внешней синхронизации или включения-выключения преобразователя (вывод SS).

Рассмотрим реализацию возможностей, предоставляемых дополнительными выводами.

Подстройка выходного напряжения

Подстройка выходного напряжения производится с помощью потенциометра номиналом 10...100 кОм, включенного между выводами (+) и (-) выходного напряжения (рис. 2).

Если требуется более точная подстройка, можно включить дополнительный резистор между движком потенциометра и выводом ADJ. Например, для получения диапазона перестройки выходного напряжения 3,3 В в пределах ±5% необходим резистор 62 кОм. Аналогично, для диапазона 5 В потребуется резистор номиналом 56 кОм, для 12 В - 100 кОм, для 15 В - 150 кОм.

Рис. 2. Схема подстройки выходного напряжения
Рис. 2. Схема подстройки выходного напряжения

Выходные напряжения всех моделей установлены на 100 мВ выше номинала, чтобы скомпенсировать падение напряжения на проводах к нагрузке. В преобразователях с опцией Е эта добавка может быть устранена с помощью резистора, включенного между выводом ADJ и выходом преобразователя.

Дистанционное включение-выключение преобразователя

Когда вход SS соединен с минусом входа, преобразователь выключается. В этом режиме он потребляет ток не более 1 мА. Управлять можно и логическим сигналом относительно минуса входа, для выключения уровень управляющего напряжения должен быть в пределах -15.1,5 В, для включения вывод SS можно оставить неподключенным или подать на него напряжение 9.11 В (это напряжение на неподключенном входе SS).

Если вход дистанционного управления соединен с устройством управления длинным проводом, то к выводу SS необходимо подключить развязывающий конденсатор для того, чтобы избежать внесения шумов в схему преобразователя. Полезным будет и последовательный резистор на входе SS. Можно рекомендовать конденсатор номиналом 10 нФ и резистор величиной 10 кОм.

Для одновременного включения-выключения нескольких преобразователей серии NPH необходимо соединить между собой, соответственно, входы SS и минусы входов преобразователей.

Управление частотой преобразования

Если напряжение на входе SS изменять относительно его величины в неподключенном состоянии, то частота преобразования будет меняться примерно пропорционально изменению напряжения.

При подаче на вход SS напряжения +8,5 В частота преобразования составит 300 кГц (тип.). Если это напряжение повысить до +15 В, частота преобразования будет 510 кГц (тип.). Таким образом, если частота преобразования попадает в нежелательную зону, то изменением напряжения на входе SS ее можно сдвинуть в безопасную область.

Рис. 3. Возможный вариант схемы внешней синхронизации для преобразователей серии NPH
Рис. 3. Возможный вариант схемы внешней синхронизации для преобразователей серии NPH
Рис. 4. Возможная схема фильтрации дифференциальных и синфазных шумов для серии NPH
Рис. 4. Возможная схема фильтрации дифференциальных и синфазных шумов для серии NPH

Пределы изменения частоты преобразования составляют -10...+30% от номинала (тип.), хотя следует помнить, что КПД тоже будет претерпевать значительные изменения.

С понижением частоты преобразования будут возрастать и шумы на выходе преобразователя, так как в этой серии не используются электролитические конденсаторы большой емкости. Поэтому может потребоваться дополнительная фильтрация.

Синхронизация от внешней частоты

Частоту преобразования можно синхронизировать от внешней частоты, подавая на вход SS отрицательные импульсы. Сигнал синхронизации должен иметь амплитуду 10...12 В и длительность 100...200 нс.

Генератор синхронизации можно построить на КМОП-таймере (например, 7555-й серии или TLC555), включенном в режиме генератора или обострителя импульсов. Его логический выход (но не разрядный) необходимо подключить к входу SS преобразователя через конденсатор величиной 4,7 нФ.

Частота синхронизации будет выше номинальной, но ее можно понизить, чтобы она была в районе номинальной частоты. Пример практической реализации такой схемы приведен на рис. 3. В ней используется стабилитрон, чтобы понизить собственную частоту (330-395 кГц).

Если стабилитрон имеет недостаточно резкую характеристику пробоя, то может потребоваться дополнительный резистор для создания тока смещения.

Несколько преобразователей серии NPH можно синхронизировать от одного источника опорной частоты, поддерживая необходимую форму импульса с помощью соответствующих драйверов.

Если время нарастания импульса синхронизации будет, например, более 20 нс, то возможны срывы синхронизации в указанном диапазоне частот. Кроме того, для достижения максимального КПД рекомендуется устанавливать частоту синхронизации в пределах указанного в документации диапазона (320.440 кГц).

Фильтрация входных и выходнъж шумов DC/DC-преобразователи серии NPH содержат все необходимые компоненты для фильтрации шумов, достаточные для большинства приложений. Но если требуется еще более низкий уровень шумов, то можно добавить фильтры на входе и выходе преобразователя, чтобы достичь желаемого подавления шумов.

DC/DC-преобразователи создают шумы двух видов:

  • radiated (излучаемые в эфир в виде радиоволн);
  • conducted (кондуктивные, создаваемые на входных и выходных контактах преобразователя).

Кондуктивные шумы бывают трех типов:

  • входные дифференциальные;
  • выходные дифференциальные;
  • входа-выхода (синфазные). Синфазные шумы — это шумы, присутствующие на входе и выходе, и поэтому их нельзя удалить простой фильтрацией на входе и выходе.

Первый шаг для фильтрации синфазных шумов — подключение конденсатора между минусом входа и минусом выхода преобразователя. Эти шумы обычно содержат старшие гармоники частоты преобразования, которые наводятся в виде узких импульсов на окружающие схемы.

Напряжение электрической прочности изоляции этого конденсатора должно соответствовать требуемой изоляции между входом и выходом преобразователя. Из-за большого разнообразия требуемых значений электрической прочности изоляции и шумовых характеристик этот конденсатор нельзя установить внутри преобразователя.

Таблица 5. Электрические параметры и внешний вид преобразователей WPN20R
Таблица 5. Электрические параметры и внешний вид преобразователей WPN20R

Шумы на входе преобразователя — это напряжение на внутреннем развязывающем входном конденсаторе, которое зависит от внутреннего сопротивления источника питания.

Простая последовательная индуктивность на входе преобразователя обеспечит фильтрацию, хотя сама по себе может ухудшить стабильность. Поэтому, чтобы снизить выходное сопротивление источника питания, рекомендуется включить шунтирующий конденсатор между входными контактами преобразователя.

Но если даже фильтрация и не требуется, то индуктивность длинных проводов от источника питания тоже может стать причиной нестабильности. Поэтому электролитический конденсатор на входе преобразователя будет хорошим решением проблемы.

На рис. 4 приведена рекомендуемая конфигурация фильтров для уменьшения всех трех видов кондуктивных шумов преобразователей серии NPH.

Номиналы компонентов и их напряжения будут зависеть от модели преобразователя и желаемого уровня шумов, но схема рис. 4 разработана для 10-ваттного преобразователя из 48 в 5 В.

Дополнительное подавление синфазных шумов обеспечивается катушкой с синфазными обмотками, размещенной в первичной цепи преобразователя. Ее можно разместить и на выходе, но это приведет к ухудшению стабильности выходного напряжения и увеличению габаритов катушки, ее стоимости и потерь мощности.

Излучаемые шумы подавляются металлическим (медным) корпусом, который соединен с минусом выхода. Из-за малых размеров корпусов этих преобразователей излучаемые шумы обычно не представляют большой проблемы.

20-ваттные преобразователи серии WPN20R

Эти преобразователи предлагают стабилизированные одиночные и двухполярные выходные напряжения и работают в широком диапазоне температур — от -40 до +85 °С без снижения выходной мощности (до 100 °С с принудительным охлаждением).

Преимущества преобразователей серии WPN20R:

  • высокий КПД — до 87%;
  • стандартное расположение выводов;
  • встроенные входные и выходные фильтры (уровень шумов на выходе 60 мВ, тип., размах);
  • возможность работы без нагрузки;
  • защита от перегрузки на выходе и перегрева (Тк= 105...115°С);
  • мягкий запуск;
  • дистанционное включение-выключение;
  • подстройка выходного напряжения. Более полные сведения о вариантах дистанционного включения-выключения, подстройки выходного напряжения и номиналах входных предохранителей можно получить в приложении dcan-42 на сайте компании www.cdpoweronline.com.

Рис. 5. Схема измерения входных шумов с заградительным фильтром
Рис. 5. Схема измерения входных шумов с заградительным фильтром

Электрические параметры и внешний вид преобразователей серии WPN20R приведены в таблице 5.

Фильтрация входных и выходных шумов

Входные шумы преобразователей серии WPN20R не превышают 60 мА (размах) при полной нагрузке. Это достаточно низкий уровень шумов для большинства приложений. Схема фильтра, показанного на рис. 5, позволяет снизить эту величину до 25 мА (размах).

Рис. 6. Уровень шумов на входе без внешнего фильтра (I = 20 мА/деление, 1<sub>шумов</sub> = 60 мА (размах)
Рис. 6. Уровень шумов на входе без внешнего фильтра (I = 20 мА/деление, 1шумов = 60 мА (размах)
Рис. 7. Уровень шумов на входе с внешним фильтром (I = 10 мА/деление, 1<sub>шумов</sub> = 20,4 мА (размах)
Рис. 7. Уровень шумов на входе с внешним фильтром (I = 10 мА/деление, 1шумов = 20,4 мА (размах)
Рис. 8. Спектр шумов на входе преобразователя WPN20R48S05N без входного фильтра
Рис. 8. Спектр шумов на входе преобразователя WPN20R48S05N без входного фильтра
Рис. 9. Спектр шумов на входе преобразователя WPN20R48S05N с конденсатором 56 мкФ на входе (класс А)
Рис. 9. Спектр шумов на входе преобразователя WPN20R48S05N с конденсатором 56 мкФ на входе (класс А)
Рис. 10. Схема входного фильтра для снижения уровня помех до требований класса В
Рис. 10. Схема входного фильтра для снижения уровня помех до требований класса В

Альтернативой для фильтра, изображенного на рис. 5, может быть единственный конденсатор величиной 100 мкФ на 100 В электролитического типа, включенный на входных контактах преобразователя.

Осциллограммы, показывающие входные шумы с фильтром и без фильтра приведены на рис. 6 и 7.

Для того чтобы уровень шумов на входе преобразователя удовлетворял классу А стандарта EN55022, достаточно включить на входе преобразователя электролитический конденсатор емкостью 56 мкФ на 100 В.

Спектры шумов на входе преобразователя без этого конденсатора и с ним приведены на рис. 8 и 9.

Если требуется, чтобы уровень шумов на входе преобразователя отвечал бы значительно более жестким требованиям класса В стандарта EN55022, то на входе преобразователя необходимо установить фильтр, изображенный на рис. 10.

Рис. 11. Спектр шумов на входе преобразователя WPN20R48S05N с фильтром (рис. 10) на входе (класс В)
Рис. 11. Спектр шумов на входе преобразователя WPN20R48S05N с фильтром (рис. 10) на входе (класс В)

Спектр шумов на входе преобразователя с фильтром, удовлетворяющим требованиям класса В стандарта EN55022, показан на рис. 11.

Рис. 12. Спектр шумов, излучаемых преобразователем WPN20R48S05N на расстоянии 1 м (класс В)
Рис. 12. Спектр шумов, излучаемых преобразователем WPN20R48S05N на расстоянии 1 м (класс В))

Выходные шумы преобразователей серии WPN20R соответствуют требованиям класса А и В стандарта EN55022 без каких-либо внешних фильтров.

Уровень излучаемых шумов преобразователями серии WPN20R соответствует самым жестким требованиям стандарта EN55022 класса В без использования каких-либо фильтров. Спектр шумов, излучаемых преобразователями серии WPN20R, показан на рис. 12.

DC/DC-преобразователи C&D TECHNOLOGIES с выходной мощностью 10-25 Вт найдут множество применений в телекоммуникационной технике и промышленной автоматике благодаря низкому уровню шумов и множеству полезных дополнительных функций.

Примеры применения преобразователей и подробную техническую документацию можно найти на веб-сайте компании www.cdpoweronline.com.

В следующей статье серии будут рассмотрены DC/DC-преобразователи для поверхностного монтажа с выходной мощностью 1-10 Вт.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке



зоомагазин