МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ С УЧЕТОМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ ЭМС Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Брагин Александр Николаевич, магистр, оператор ВИТ «ЭРА», abrageen@gmail.com, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ«ЭРА»

COSMIC PLASMA FLOW SENSOR: STRUCTURE, FEATURES AND DISADVANTAGES.

A.N. Bragin

In this paper, a correction algorithm has been developed for a charged particle registration system based on a cosmic plasma flow sensor. The method of correcting the direction depending on the incidence of the particle beam on the sensor collector is a refinement of existing Faraday cylinder type sensors and is necessary for the correct collection of information about space plasma, Solar wind and other charged particle flows that will be recorded in outer space.

Key words: Solar wind, Faraday, sensor, collector, current, algorithm, methodology, structure, correction, plasma.

Bragin Alexsandor Nickolaevich, magister, operator of MIT «ERA», abrageen@gmail.com, Russia, Anapa, FGAU«MIT«ERA»

УДК 621.314.2

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-433-442

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ DC/DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ С УЧЕТОМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ ЭМС

В.В. Воронин

В данной статье была проделана работа по разработке методики проектирования DC-DC преобразователя напряжения с учетом обеспечения ЭМС. Было научно обосновано, что на сегодняшний день электромагнитная совместимость является одним из основных критериев оценки качества разрабатываемых устройств.

Ключевые слова: электромагнитная совместимость, электромагнитные помехи, помехозащищенность, преобразователь напряжения, методика проектирования.

Современный образ жизни трудно представить без радиоэлектронных и электронных устройств и систем, имеющих широкий функционал и служащих помощниками человеку во всех сферах его жизнедеятельности. Гонимая техническим прогрессом и новыми научными открытиями аппаратура все чаще акцентируется на повышении быстродействия, как на уровне элементной базы и сборочных единиц по отдельности, так и на уровне готовых изделий в целом. В рамках данной тенденции первостепенными проблемами проектирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), в частности печатных плат, становятся вопросы помехозащищенности, электродинамического анализа, соблюдения требований электромагнитной совместимости (ЭМС).

Первоначально термин ЭМС имел узконаправленное значение и сводился к выбору частотного диапазона для оптимальной работы аппаратуры. На сегодняшний день международная электротехническая комиссия (МЭК) характеризует электромагнитную совместимость как способность изделия функционировать в пределах нормы находясь в окружающей ее электромагнитной обстановке (ЭМО), при этом самостоятельно не создавая существенно критических электромагнитных воздействий на последнюю.

Требования ЭМС считаются не соблюдены в случае, если аппаратура генерирует слишком высокий уровень помех, а также если ее собственная помехоустойчивость (ПУ) не достаточна. С начала нового тысячелетия резко возросли как уровень миниатюризации внутри каждого отдельного устройства, так и плотность расположения таковых на единицу площади, это повлекло за собой стремительный рост уровня электромагнитных помех (ЭМП). Источники ЭМП принято разделять на внешние и внутренние. Осуществлять контроль первых

практически невозможно и выходом из данной ситуации является применение комплекса защитных мер, второй же вид ЭМП проще взять под контроль, путем уменьшения собственной излучающей способности [1].

Стоит уделить особое внимание тому, что решение большинства возникающих проблем ЭМС необходимо выявлять и урегулировать на ранних этапах проектирования до того, как они проявятся в момент тестовых испытаний. Чаще всего специалисты выделяют следующие методы, используемые для минимизации влияния ЭМП, применяемые на этапе разработки комплекса отдельных узлов устройства: экранирование, балансировка, изоляция, заземление, фильтрация, регулировка величины полного сопротивления схемы, разнесение и ориентация проводников в пространстве [3].

Основные подходы к вопросам обеспечения ЭМС. Произведя анализ текущего состояния проблем обеспечения ЭМС можно выделить ряд следующих аспектов: радиочастотный ресурс (РЧР), непреднамеренные электромагнитные помехи (НЭМП), характеристики ЭМС и электромагнитная обстановка (ЭМО). В зависимости от того, на каком уровне будут возникать и решаться проблемы в процессе верификации, последняя также разносится по соответствующим уровням: на уровне ПП, на уровне интегральной микросхемы, на уровне системы и блока и т.д.

Развитие области микроминиатюризации привело к тому, что некоторые задачи верификации были вынесены за пределы общего списка и стали самостоятельными направлениями в этом процессе. К таким направлениям можно отнести:

1. Тайминг - соотношению времени между возникновением некого события и отклика на него в системе микросхемы;

2. Целостность сигнала;

3. Электромагнитная совместимость.

Говоря о целостности сигнала нельзя не заметить, что в представлении разработчика форма такового отличается от реально существующей, и заключается в отличии прямоугольной и трапецеидальной форм (рис. 1).

Сигнал о представлении л рое нт и рое шика

Реальный сигнал при работе системы

выброс

-Провал

"11

Рис. 1. Аналоговый вид реального сигнала в цифровой системе

Если придерживаться концепции, при которой основные сложности разработки переносятся на начальные стадии проектирования, то верификацию целостности сигнала стоит не выделять отдельно, а рассматривать ее как часть процесса (рис. 2).

Верификация

]

Концепция

► Разра^ка ^ ^

Производство

Рис. 2. «Сдвиг влево» верификации целостности сигнала

Второй ключевой и самостоятельной задачей верификации при проектировании ПП и печатных узлов является анализ ЭМС, без соблюдения требований которой ни одно электронной средство не будет сертифицировано. К задачам, решение которых отводится ЭМС процессу верификации, можно отнести следующие:

1) Анализ уровня помехоэмиссии от печатных узлов;

2) Устранение кондуктивных помех от шин питания;

3) Изучение помех излучение генерируемые внешними источниками.

Учитываю все вышеперечисленные этапы верификация проектных решений по изготовлению 1111 и печатных узлов может быть представлена в следующем виде (рис.3)

Относительно области ЭМС и ПУ выделяют два базовых электрофизических параметра имеющих здесь особый интерес, а именно - кондуктивная помехоэмиссия и излучаемая по-мехоэмиссия. По причине того, что данные величины могут численно выражаться в довольно широком диапазоне, в области ЭМС они исчисляются в децибелах (дБ), в целях удобного представления. Это обусловлено тем, что числовой диапазон в децибелах намного меньше.

эмс

Тайминг

Целостность сигнала

Концепция

►

Разработка схемы

►

Топология

►

Производство

Поведенческое моделирование

Симулирование аналоговых и цифровых сигналов

Рис. 3. Представление задач верификации с внедрением в нее обеспечения ЭМС

ЭМС импульсных преобразователей напряжения. Такой класс электронных устройств как импульсные источники питания получили широкое распространение за счет того, имеют малые габаритные размеры и низкие потери по мощности, однако при всем этом создают высокочастотные электромагнитные помехи, объясняющиеся резким изменением напряжения и тока в них. Именно этот их недостаток представляет главную опасность для прочих устройства, когда речь заходит об ЭМС.

Электромагнитные помехи, образующиеся на входе системы питания, принято подразделять по двум режимам: дифференциальный режим фМ), помехи в котором генерируются между линиями подачи мощности и возвращения; и синфазный режим (СМ), где помехи возникают между линией подачи питания и землей. Упрощенная форма путей движения DM- и СМ-шумов на входе системы показана на рис. 4.

Главным и самым эффективным методом борьбы с шумом в проводниках является применение фильтров. В отношении DM-шумов стоит уточнить, что подключается в разрыв входных линий. На практике в реальном фильтре будут присутствовать паразитные емкости, включенные параллельно катушке индуктивности, а также ESL и ESR конденсатора, включенные последовательно с ним (рис. 5).

Рис. 4. БМ и СМ токи на входе системы электропитания

Решение проблемы СМ-шумов может быть найдено путем определения характеристик СМ-тока и добавлением последовательно к нему фильтра. С другой стороны, преобразователь напряжения может самостоятельно являться источником электромагнитных помех и соответственно иметь уровень помехоэмиссии, отвечающий поставленным нормам и стандартам. На рис. 6 показана эквивалентная схема путей, по которой распространяются кондуктивные помехи в системе «сеть электропитания- импульсные источники питания-нагрузка» [4].

На сегодняшний день набирают популярность источники питания с коррекцией коэффициента мощности (ККМ). Такая ситуация стала актуальна, за счет того, что обычные источники питания, в которых применяются конденсаторы с большой емкостью, при использовании

вызывают уменьшение коэффициента мощности и возникновение высших гармоник. Данный вид источников питания может обеспечить значение коэффициента мощности, доходящие до 0,97-0,99, что практически приближает форму реального тока сети к синусоидальной форме идеального тока, что существует только в теории.

3300 J

к?

led БогоцЛ кввалкш фчштр

И4пН >16пН И«п

1,0В О I ! 0.010 0,08 а | 0.08 п НОО jiF £1*00 MF £[j00 if00 MF

i Hi

[ 14чН > 14nH ■ 1 i -H - li ftH

IllHI Mo.oui Г 0.0(1) По.« 11 1HF ilM (If !i«K) uF 'TtM rf

гон Г~''~|

Цг5^—Jj^u,—^

W p' > 16 rH ( i 'H MiliH - IA <lH

0,014 O.OIfl O.Otll O.OtiJ •TlOOtif ilOOuf *L»00|iIUM|i

i и;

5 5 5 5

[d|VMPiuiii««i4«»iK«ratctywHHUfir>*Hocni |t| Дабаиенмиторойлнапвни^ larymi* и ндуетинцкли

Рис. 5. Схемы DM-фильтров с паразитными элементами

иаэ

Гщ»

_П_

Нагрузка

■40

Рис. 6. Упрощенная эквивалентная схема путей распространения кондуктивных помех

Методика проектирования DC-DC преобразователей напряжение с учетом обеспечения требований ЭМС. С методами и способами, использующимися для обеспечения поставленных требований, разработчик будет сталкиваться на каждом этапе проектирования, сборки и сертификации аппаратуры. Таким образом, нельзя выделить и отнести их к какому-то одному моменту разработки устройства. Исходя из этого была изучена обширная, затрагивающая все этапы жизненного цикла изделия (ЖЦИ), методика проектирования электронных и радиоэлектронных устройств, с учетом обеспечения требований ЭМС (рис. 7). [5]

Представленная выше методика включает в себя все представленные уровни входящие в процесс проектирования электронных средств. Рассмотрим каждый из уровней поподробнее для конкретно выбранного класса устройств - импульсных мощных DC-DC преобразователей напряжения (рис. 8, 9).

Экспериментальное исследование предложенной методики. Для проверки разработанной методики был выбран объект для проведения эксперимента - современный DC-DC преобразователь напряжения RIDEN DPS5015-USBBT, производства Китай. На рис. 10 и 11 представлены SD-модель экспериментального устройства и печатная плата с трассировкой проводников, соответственно. В результате применения разработанной методики к выбранному устройству, были сформулированы основные решения и рекомендации по улучшению характеристик ЭМС и оптимизации ПУ, актуальные для данного преобразователя напряжения [2]:

1. Необходимо провести заземления радиатора;

2. Следует произвести экранирование обмотки силового дросселя, путем намотки дополнительного слоя алюминиевой фольгированной ленты, так чтобы обмотка дросселя была полностью закрыта;

3. На входе питания нужно заменить три конденсатора на новые ESR-конденсаторы, со значением последовательного эквивалентного сопротивления (ПЭС) менее 400 мОм.

436

Сборы ПП

•О.

Конструктивам отработм с учетом ЭМСиПУ

Коиструкторско-теыюлогичесьие

Выбор конструктивных шперишо! методы

ль

Эцмшрокшн«

-а

---------------------------------------,

Выбор пяраыетрол радио элементов

Л

Схшотшлкш методы

-а

Обеспечение п мости ости сигнала

Моделирование штртпкик репей

-О-

Соорка сшитого образца

-а

оптиыдгиши Методы ИССТЫТДКИЛ

-а

Сертификаты

О-

Выоор элементной л

оазЫ

-О-

ПрзскшрошшН'.' ПП

Топологические

XX

Модсднронаиие ПП

с \,четом требований

ЭМСнПУ

43- 1

Верификация

обеспечения ЭМС н

ПУ

Экашвташи

а

Ушнмш

Рис. 7. Типовая методика проектирования с учетом требований ЭМС на всех этапах ЖЦИ

437

Рис. 8. Способы обеспечения ЭМС на организационно техническом и схемотехническом

уровнях

После внедрения рекомендаций методики, в конструкцию были внесены следующие изменения (рис. 12):

1. Стальной радиатор, располагающийся под вентилятором и предназначенный для охлаждения четырех транзисторов полумоста, был заземлен, при помощи добавления проволочной перемычки.

2. Произведено экранирование силового дросселя, для этого была проведена повторная намотка алюминиевой фольгированной ленты поверх собственной обмотки дросселя. Была выбрана алюминиевая самоклеющаяся лента 1170-12 толщиной 0,1 мм, состоящая из трех слоев: алюминиевой фольги, токопроводящего акрилового клея и подложки.

3. Были заменены конденсаторы входного сетевого фильтра, на новые алюминиевые электролитические со значением ПЭС ниже 400 мОм. Для этого были выбраны три конденсатора CD287 (8Х12), компании Epcos с номинальными величинами 470мкФ/63В и последовательным эквивалентным сопротивлением 280 мОм.

Кока

Рис. 9. Способы обеспечения ЭМС топологическом и конструкторско-технологическом уровнях

439

Рис. 10. 3Б-модель модуля БРБ5015.

X Н X»

го.1.".," : 5„ » « --Я 8 : =*■ 1 /^Ч ■ « П 1«

Г***!"*'! | -Л- )пп 1«Э £ М •' Ч } <»э В♦

чип"» ■ I \ * ; 1 -( ■ • т В 1 * 1-1 М 1С« л« 11 —I" 11

Рис. 11. Трассировка проводников на печатной плате БРБ5015.

По результатам внедрения, предложенных рекомендаций по оптимизации параметров ЭМС и ПУ устройства, были проведены повторные замеры величин. Расхождения в значении полученных величин и их же номинальных значений, полученных и предоставленных в паспорте оборудования, после проведения сертификационных испытаний, отображены в таблице.

Рис. 12. Визуальные изменения в конструкции платы

Соотношения экспериментально полученных и установленных величин __характеристик ЭМС_

Рассматриваемый источник величин Характеристики ЭМС устройства

Напряжение кондуктивных помех, дБ, на частоте 6 МГц Напряженность излучаемых помех, дБ, на частоте 30 МГц Значения параметров устойчивости к электромагнитным помехам

Исходные значения 45 21 Амплитуда импульсов ±0,5 кВ, длительность фронта импульса/длительность импульса 5/50 нс, частота импульсов 5 кГц

Значения после применения методики 44 20 Амплитуда импульсов ±0,54 кВ, длительность фронта импульса/длительность импульса 5/50 нс, частота импульсов 5 кГц

Процентное соотношение измеряемых величин 2,22% 4,76% 7,41%

После повторных измерений характеристик ЭМС, был сделан вывод, что данная методика, и конкретно выбранные рекомендации, оптимально повлияли на рассматриваемые показатели ЭМС рассматриваемого устройства. А именно: норма кондуктивных помех, по сравнению с первоначальными, улучшилась на 2,22%, норма излучаемых помех - на 4,76%, устойчивость к электромагнитным помехам - на 7,41%. Таким образом, можно сделать вывод в отношении эффективности каждой конкретной рекомендации по отношению процесса обеспечения ЭМС.

В ходе анализа типовой методики проектирования РЭС, был сделан вывод, что для оптимального понимания процесса разработки его необходимо разделить на уровни: организационно-технический, схемотехнический, топологический и конструкторско-технологический. На основе изученной типовой методики были разработаны процедуры обеспечения ЭМС DC-DC преобразователя напряжения на каждом из уровней. Эффективность предложенной методики проектирования была экспериментальна обоснована. Для этого был выбран объект для эксперимента, представляющий собой понижающий импульсный DC-DC преобразователь напряжения мощностью 750 Вт - RIDEN DPS5015-USB-BT. После внедрения предложенных рекомендаций, был проведен повторный замер значений характеристик ЭМС, установленных стандартом для данного класса устройств. Итогом стали: улучшение величины напряжения кондуктивных помех на 2,22%, величины излучаемых помех - на 4,76%, а устойчивость к электромагнитным помехам увеличилась на 7,41%. Такие показатели доказывают эффективность разработанной методики проектирования DC-DC преобразователя напряжения с учетом обеспечения требований ЭМС.

Список литературы

1. ГОСТ Р 50397-2011. Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения (с Поправкой). М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 2011. 55 с.

2. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. 616 с.

3. Ромащенко М.А. Методы оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом электромагнитной совместимости и помехоустойчивости: дисс. ... д-ра техн. наук / Ромащенко Михаил Александрович. Воронеж, 2014. 393 с.

4. Ромащенко М.А. Основные аспекты современного состояния проблемы обеспечения ЭМС РЭС // Вестник Воронежского государственного технического университета. Т. 15. № 5. 2019. С. 142-144.

5. Кечиев Л.Н., Гердлер О.С., Шевчук А.А. Задачи обеспечения ЭМС при проектировании печатных плат. Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств: сборник науч, трудов / под ред. Л.Н. Кечиева. М.: Изд-во МИЭМ, 2002. С. 17-32.

Воронин Владислав Витальевич, магистр, оператор ВИТ «ЭРА», voro-nin.vlad1997@gmail.com, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ«ЭРА»

METHODS OF DESIGNING A DC/DC VOLTAGE CONVERTER TAKING INTO ACCOUNT THE PROVISION OF EMC REQUIREMENTS

V.V. Voronin

In this article, work has been done to develop a methodology for designing a DC/DC voltage converter, taking into account the provision of EMC. It has been scientifically proven that today electromagnetic compatibility is one of the main criteria for assessing the quality of devices being developed.

Key words: electromagnetic compatibility, electromagnetic interference, noise immunity, voltage converter, design methodology.

Voronin Vladislav Vitalievich, magister, operator of MIT «ERA», voro-nin.vlad1997@gmail.com, Russia, Anapa, FGAU«MIT«ERA»