Как снизить шумы DC-DC преобразователей напряжения c&d technologies с выходной мощностью 10-25 Вт Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

e

Компоненты и технологии, № 4'2004 Компоненты

Как снизить шумы DC/DC-преобразователей

C&D TECHNOLOGIES с выходной мощностью 10-25 Вт

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.

Сергей Дмитриев

[email protected]

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-ваттные

DC/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

ивход' В ивых, В ^ых, мА Наименование

3,3 3000 WPC10RxS03(R)

5 2000 WPC10RxS05(R)

х=24 для ивх= 18...36 В DC х=48 для UBX = 28.75 В DC 12 830 WPC10RxS12(R)

15 660 WPC10RxS15(R)

±5 ±1000 WPC10RxD05(R)

±12 ±415 WPC10RxD12(R)

±15 ±330 WPC10RxD15(R)

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).

e

Компоненты и технологии, № 4'2004

Cl

Vin

LI

+ + і

Converter І СЗ

LaaaaaJ 1—-г

Load

C2

L2

Cl, C2 = 3000 pF Ceramic Capacitor

C3 = 47 uF Low ESR Electrolytic Capacitor

LI, L2 = 50 uH Low Capacitance Torriod Inductor

Рис. 1. Пример выходного фильтра, снижающего уровень шумов на 26 дБн для WPC10R24S05N

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

Преобразователи серии WPС10R имеют стандартные конструктивные размеры и расположение выводов, совпадающие с преобразователями серии ТЕШ0 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).

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

Преобразователи ЫРИ108 (10 Вт) имеют минимальные габариты (25x30x10 мм) и стандартное для преобразователей подобной мощности расположение выводов. Электрические параметры и внешний вид преобразователей серии ЫРИ108 приведены в таблице 2.

Преобразователи ЫРИ158 (15Вт) имеют стандартные габариты (51x25x10 мм) и стандартное для преобразователей подобной мощности расположение выводов. Электрические параметры и внешний вид преобразователей серии ЫРИ158 приведены в таблице 3.

Преобразователи ЫРИ258 (25 Вт) имеют габариты (51x35x10 мм) и стандартное для преобразователей мощностью 10 и 15 Вт расположение выводов. Электрические параметры и внешний вид преобразователей серии ЫРИ258 приведены в таблице 4.

Дополнительные выводы (опция Е) дают возможность:

• подстройки выходного напряжения в пределах минимум ±10% (вывод АБ1);

• внешней синхронизации или включения-выключения преобразователя (вывод 88).

Таблица 2. Электрические параметры и внешний вид преобразователей NPH10S

Примечание: опция Е — вход дистанционного включения-выключения, вход синхронизации, вход регулировки 11в1 Таблица 3. Электрические параметры и внешний вид преобразователей ЫРН153

х=24 для U„ = 18.36 В DC х=48 для U„ = 36.75 В DC

В А Порог ограничения по току, А Наименование

3,4 0.4,4 7,5.11 NPH15Sx03(E)l

5,1 0.3 5.7,5 NPH15Sx05(E)l

12,1 0.1,3 2,5.3,7 NPH15Sxl 2(E)I

15,1 0.1 2.3 NPH15Sx15(E)l

Примечание: опция Е — вход дистанционного вкл-выкл, вход синхронизации, вход регулировки 11в1 Таблица 4. Электрические параметры и внешний вид преобразователей ЫРИ253

х=24 для U„ = 18.24 В DC х=48 для U„ = 36.75 В DC

^ых, В !вых, А Наименование

3,4 0.7,3 NPH25Sx03(E)I

5,1 0.5 NPH25Sx05(E)I

12,1 0.2,1 NPH25Sx12(E)I

15,1 0.1,7 NPH25Sx15(E)I

Примечание: опция Е — вход дистанционного вкл-выкл, вход синхронизации, вход регулировки 11вых ------------------www.finestreet.ru------------------------------------

Рассмотрим реализацию возможностей, предоставляемых дополнительными выводами. Подстройка выходного напряжения Подстройка выходного напряжения производится с помощью потенциометра номиналом 10__100 кОм, включенного между выво-

дами (+) 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.

+Vin DC DC +Vout

-Vin ADJ ЮОкП

ov U

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 АБ1 и выходом преобразователя.

Дистанционное включение-выключение преобразователя

Когда вход вв 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 вв можно оставить неподключенным или подать на него напряжение 9_11 В (это напряжение на неподключенном входе вв).

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

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

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

При подаче на вход вв 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 вв ее можно сдвинуть в безопасную область.

Uвхoд, В

U , В вход/ “ Uвых, В Ів!!^ А Порог ограничения по току, А Наименование

3,4 0.2,94 4,5 NPH10Sx03(E)I

х=24 для U„ = 18.36 В DC 5,1 0.1,96 3 NPH10Sx05(E)I

х=48 для U„ = 36.75 В DC 12,1 0.0,83 1,2 NPH10Sx12(E)I

15,1 0.0,67 1 NPH10Sx15(E)I

e

Компоненты и технологии, № 4'2004

+10VO-

C4_

(470nF, 16V)

OVo-

R2

(5k6)

Set Frenquency

--------tq-

VR1

(8k2)

Cl _L |100pF, 16 V)

] (470R)

5 1

C2

X-

(IQnF, 16V) ~J~

C3 (4n7F, 25V)

-OSS

VD1 11 N4148)

/\ZD1 (BZX55CBV2)

-o OV

Рис. 3. Возможный вариант схемы внешней синхронизации для преобразователей серии ЫРИ

Рис. 4. Возможная схема фильтрации дифференциальных и синфазных шумов для серии ЫРИ

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 88 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 ТЬС555), включенном в режиме генератора или обострителя импульсов. Его логический выход (но не разрядный) необходимо подключить к входу 88 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 ЫРЫ 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 выходных 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.

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 ЫРИ.

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 ШРЫ20Р

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;

Таблица 5. Электрические параметры и внешний вид преобразователей WPN20R

Uвход, В ивых, В I А ■вых' Наименование

3,3 6 WPN20RxS05

5 4 WPN20RxS05

х=12 для ивх = 9.18 В DC 12 1,66 WPN20RxS12

х=24 для ивх = 18.36 В DC х=48 для ивх = 33.75 В DC 15 1,33 WPN20RxS15

±5 ±2 WPN20RxD05

±12 ±0,83 WPN20RxD12

±15 ±0,67 WPN20RxD15

e

Компоненты и технологии, № 4'2004

CURRENT PROBE TO ASCELLOSCOPE

I — 1мкГн

С — 390 нФ/100В, керамический -----------

Рис. 5. Схема измерения входных шумов с заградительным фильтром

WPN20 +Voul°

O+Vin Common О

О-Vin

-Vout О

О On/Off Trim О

• 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 ^ап-42 на сайте компании www.cdpoweronline.com.

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).

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 БЫ55022, 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 БЫ55022, то на входе преобразователя необходимо установить фильтр, изображенный на рис. 10.

Спектр шумов на входе преобразователя с фильтром, удовлетворяющим требованиям класса В стандарта БЫ55022, показан нарис. 11.

+Vin

-Vin

lOOuF

-Tl'YYX-

luH

ImH =f 220uF

470nF

WPN20R Input Pins

100 мкФ/100В — электролитический конденсатор 220 мкФ/100В — электролитический конденсатор 470 нФ — керамический конденсатор

Рис. 10. Схема входного фильтра для снижения уровня помех до требований класса В

Я1Я МОтУАМ 1 и: СИ2 г

Рис. 6. Уровень шумов на входе без внешнего фильтра (I = 20 мА/деление, 1шумов = 60 мА (размах)

2.4mV

13 Aug 1999 11:42:03

CONDUCTED EMISSIONS HIGH LEAD dBuV C.I.S.P.R. Meins Interference, Class A (Quasi-Peak]

99

86

73

60

47

34

21

8

-5

10kHz 100kHz 1 MHz 10MHz 100MHz

WPN20R48S05

+48Vin Rail, EMC, Full Rated Output Load

Рис. 8. Спектр шумов на входе преобразователя WPN20R48S05N без входного фильтра

10kHz 100kHz 1MHz 10MHz 100MHz

WPN20R48S05

+48Vin Rail, EMC, Full Rated Output Load

Рис. 9. Спектр шумов на входе преобразователя WPN20R48S05N с конденсатором 56 мкФ на входе (класс A)

dBuV

84

CONDUCTED EMISSIONS HIGH LEAD C.I.S.P.R. Meins Interference, Class A (Quasi-Peak)

e

Компоненты и технологии, № 4'2004

dBuV 75

65

55

45

35

25

15

5

-5

10kHz 100kHz

WPN20R48S05 GTF

+48Vin Rail, EMC, Full Rated Output Load

CONDUCTED EMISSIONS HIGH LEAD C.I.S.P.R. Meins Interference, Class B (Quasi-peak)

1MHz

10MHz

100MHz

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

dBuV/m

8U

60

50

40

30

20

10

0

REDIATED EMISSIONS CISPR22Class B Quasi-Peak limits (10 meter distance) 1 METER TEST DISTANCE

CIS*

10 MHz 100 MHz

WPN20R48S05

+48Vin Rail, EMC, Full Rated Output Load

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 Е№5022 без каких-либо внешних фильтров.

Уровень излучаемых шумов преобразователями серии WPN20R соответствует самым жестким требованиям стандарта Е№5022 класса В без использования каких-либо филь-

тров. 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 ЭС/ЭС-преобразователи для поверхностного монтажа с выходной мощностью 1-10 Вт.