203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215

Раздел 16 Импульсные источники питания

Выбор полупроводниковых компонентов

Снижение радиочастотных помех, вызванных коммутацией

До сих пор мы стремились максимально повысить быстродействие схем управления затвором, чтобы снизить коммутационные потери в транзисторном ключе. Однако при очень быстрой коммутации возникают большие радиочастотные помехи. Изменяя параметры цепи управления затвором, можно снизить эти помехи ценой увеличения потерь коммутации. Величина помех и шумов определяется тремя факторами. Первый фактор — частота коммутации и связанный с ней коэффициент заполнения. Второй фактор — время нарастания и время спада напряжения и тока стока. И третий фактор — шум, возникающий вследствие резонансных явлений, особенно в выходной выпрямительной цепи.

Идеальный прямоугольный сигнал включает в себя гармоники, амплитуды которых описываются функцией sin (x) / x. При коэффициенте заполнения 50% нули функции sin (x) / x совпадают с чётными гармониками прямоугольного сигнала. При различных коэффициентах заполнения будут преобладать те или иные гармоники. Влияние переходных процессов при коммутации сказывается таким образом, что вместо зависимости sin (x) / x распределение энергии гармоник определяется функцией (sin (x) / x × sin ) / у). Можно подобрать такую величину времени нарастания сигнала, что за счёт чередования нулей каждой из функций вида sin (x) / x суммарный уровень гармоник удастся понизить. Существует предел эффективности, по достижении которого дальнейшее увеличение времени нарастания приводит к повышенным потерям мощности, но уровень гармоник снижается уже незначительно. На Рис. 7.22 показаны графики функции sin (x) / x для прямоугольных и трапецеидальных импульсов.

Графики функции sin(x)/x для прямоугольного и трапецеидального сигналовРис. 7.22. Графики функции sin (x) / x для прямоугольного и трапецеидального сигналов

На этих графиках отмечена амплитуда каждой гармоники с 1-й по 7-ю для прямоугольного сигнала (нарастание/спад = 0%) и для трапецеидального сигнала (нарастание/спад = 10%) при коэффициенте заполнения 40%. Обратите внимание, что с увеличением времени нарастания происходит перераспределение энергии из высших гармоник в шесть низших гармоник.

Управление временем нарастания и коэффициентом заполнения не оказывает заметного влияния на величину энергии гармоник на частоте коммутации. Некоторые управляющие ИС минимизируют радиопомехи на частоте коммутации, используя расширение спектра (широкополосную модуляцию). В этих микросхемах частота генератора изменяется случайным образом, чтобы распределить энергию в более широком спектре. При этом перераспределяется и энергия гармоник. Если разброс частоты коммутации составляет 10 кГц, то частота десятой гармоники смещается на 100 кГц. Этим методом можно значительно, на десятки децибел, снизить энергию гармоник1. Можно изменять частоту не случайным образом, а по синусоидальному или линейному (треугольная модуляция) закону, формируя ЧМ сигнал (как в радиопередатчике). При этом энергия гармоник также перераспределяется по спектру и снижается, но не настолько сильно, как хотелось бы. Пилообразная модуляция частоты даёт несколько лучшие результаты, чем синусоидальная, благодаря дополнительным гармоникам, присутствующим в самом модулирующем сигнале. Фирма Linear Technology разработала микросхему LTC6902, которая представляет собой мультифазный генератор с широкополосной модуляцией (SSFM — Spread Spectrum Frequency Modulation) по псевдослучайному закону. Выходная частота задаётся величиной сопротивления одного внешнего резистора, а другой резистор задаёт ширину полосы модуляции. Генератор имеет четыре выхода с 90-градусным сдвигом фаз для применения в четырёхфазных источниках питания процессоров. При ширине полосы модуляции в 20% энергия основных гармоник снижается на 20 дБ.

Энергия шумов и помех, вызванных наличием индуктивностей рассеяния и резонансными явлениями в выходной цепи, распределена в частотном диапазоне, не связанном с частотой коммутации. Влияние этих помех можно ослабить, применяя RC-демпферы. Управление временем нарастания и спада в МОП-транзисторе влияет на частотный диапазон шумов, так как они порождаются быстрыми переключениями транзистора. Увеличение времени нарастания и спада выше определённого предела неэффективно с точки зрения снижения радиочастотных помех.

1 Вместо нескольких «больших» гармоник получается много «маленьких» — что-то вроде белого шума. Влияние таких «размазанных» по широкому спектру помех гораздо легче нейтрализовать с помощью простых фильтров.

203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215