Улучшение электромагнитной совместимости в преобразователе тока БП СКВ



Оглавление

Введение 7

1. Требование по ЭМС на МКС……………………………………………….…....11

2. Схема и конструкция преобразователя тока БП СКВ……………….……....18

2.1 Блок питания системы кондиционирования воздуха на МКС………..............…...18

2.2  Плата управления преобразователя тока БП СКВ…………………………………………...23

3. Анализ помех преобразователя тока БП СКВ…………………….……..........32

3.1 Измерение уровня помех в преобразователе тока БП СКВ…….……………............32

3.2 Анализ помех преобразователя тока……………………………………………………………..…37

4. Снижение уровня помех преобразователя тока……………………........…....434.1 Система распределения питания…………………………………………………………..…….…...43

4.2 Допустимый уровень помех……………………………………………………………………………...48

4.3 Влияние помех на БП СКВ…………………………………………….………………………….....…...49

4.4 Методы снижения уровня помех………………………………………………….………..……......50

4.5  Расчет развязывающих емкостей………………………………………………………………..…...58

5. Модернизированная плата управления БП СКВ………………………...…...64

5.1 Описание модернизированной платы ………………………………..………………...……....64

5.2 Анализ помех преобразователя тока БП СКВ с модифицированной        платой…………………………………..…………………………………………………………………………..........70

6. Заключение………………………………………………….…………….…...…..73

7. Список использованной литературы………………………………………..…75

Введение

В 1993 году четырнадцать стран мира объединились для создания нового проекта – Международная космическая станция (далее МКС). В этом проекте, безусловно, лидерами стали США и Россия. Осуществление сборки новой орбитальной станции происходило с 1998 года. Первый модуль «Заря» вывела на орбиту Россия, затем американцы состыковали к нему свой модуль «Юнити». В 2000 году к модулю «Заря» был присоединен служебный модуль «Звезда». В этом же году к станции стартовала первая международная экспедиция. До 2010 года на американских шаттлах были успешно доставлены модули и оборудование для достройки станции. Модернизация МКС происходит по сегодняшний день. Сотни и тысячи экспериментов, которые проводятся на борту МКС космонавтами, требует постоянного обновления и модернизации аппаратуры как внутри, так и снаружи станции.

Что касается экспериментов, проводимых на МКС, то можно сказать только одно, это уникальная,  сложная работа направлена на развитие всех сфер жизнедеятельности человека. В нее входят исследование физико-химических процессов в условиях отсутствия гравитации и условиях микрогравитации, геофизические процессы, изучение околоземного космического пространства, проведение сложнейших медико-биологических экспериментов, дистанционное зондирование земли, исследование солнечной системы, разработка космических биотехнологий, множество различных технических исследований, астрофизика, исследование физических условий в условиях космоса на борту МКС и др.

Серьезным вопросом стало обеспечение комфортного состояния  космонавтов  во время пребывания на орбитальной станции МКС. Этот сложный инженерный объект нуждается в постоянном питании и реконструкции. Энергию для питания МКС берет из солнечных батарей. На орбите земли единственным способом получение энергии является преобразование света в энергию с помощью солнечных батарей.

Чтобы на орбитальной станции МКС смогли жить люди, туда доставляют на грузовых кораблях кислород. Но наличие на станции одного кислорода не сможет обеспечить космонавтам комфортное пребывание внутри МКС. Думая о том как возможно максимально обеспечить комфортную обстановку космонавтам, что бы они смогли выполнять сложные экспериментальные исследования, была создана система кондиционирования воздуха (далее СКВ). СКВ питанием обеспечивает блок питания системы кондиционирования воздуха (далее БП СКВ), который является важнейшим прибором на орбитальной станции, так как именно от него зависит жизнь космонавтов.

Для того, что бы БП СКВ работал в штатном режиме, необходимо выполнять определенные требования.  Этот прибор работает с большими импульсными токами, которые, несомненно, создают большие помехи внутри прибора.

Большие импульсные токи создают электромагнитные помехи, которые сбивают алгоритм работы, как отдельных узлов, так и прибора в целом.

Электромагнитные помехи (далее ЭМП) – негативное воздействие на электронное оборудование электрическим, магнитным или электромагнитным полем, которое может привести как к сбою работы, так и к отказу этого оборудования.

Электромагнитная совместимость (далее ЭМС) – это способность электронного оборудования выполнять свое рабочее назначение в условиях электромагнитной обстановки с другими электронными средствами и при этом не создавать помех, которые бы могли оказывать негативное влияние на эти электронные средства.

В данной работе будет рассмотрен преобразователь тока блока питания системы кондиционирования воздуха на МКС. Будет исследована плата управления БП СКВ на ЭМС, так как она является наиболее чувствительным с точки зрения ЭМС компонентом данного прибора.

Целью данной работы является улучшение электромагнитной совместимости в преобразователе тока БП СКВ, соответственно повышение стабильности его работы с помощью методик снижения уровня помех в системе питания платы управления и, как следствие, ее модернизацию.

Предметом исследования являются методы снижения уровня помех и их применение для снижения уровня помех в блоке питания системы кондиционирования воздуха на МКС.

Постановка задачи на данную работу – проведение анализа уровня помех в системе распределения питания платы управления преобразователя тока БП СКВ, анализ помех влияющих на прибор, разработка рекомендаций по усовершенствованию платы управлений и модернизация платы управления.

Проблема ЭМС можно разделить на два направления. К первой части можно отнести межсистемную ЭМС, а ко второй части отнести внутрисистемную ЭМС. Межсистемная ЭМС рассматривает взаимное влияние различных радио систем и электромагнитную обстановку на функционирование систем. Внутрисистемная ЭМС касается разработки и проектирования электронного средства. Особую роль играют вопросы, связанные с ЭМП при  проектировании космических аппаратов, так как это может за собой повлечь не поправимые последствия. В космическом пространстве источниками ЭМП являются техногенные процессы.

Электронные средства, как правило, характеризуются помехоэмиссией и восприимчивостью. Требование к параметрам электронного оборудования зависят от его назначения и описываются в стандартах. Соблюдение требований стандартов при проектировании электронного оборудования гарантирует, что электронное оборудование будет работоспособно, и не будет мешать работе рядом находящихся других электронных объектов. Технические регламенты должны выполняться в строгом порядке при разработке электронного изделия. О высоких требованиях при разработках так же нам говорит высокий уровень испытаний на ЭМС.

В работе электронного оборудования помехоэмисссия и помехозащищенность играют одинаково важную роль в работе и поэтому необходимо учитывать обе составляющие при проектировании с учетом ЭМС.

Для того, что бы разработка электронного изделия завершилась успешно с точки зрения ЭМС, существуют рекомендованные измерительные методики. Так же существуют предельные значения параметров и характеристик ЭМС, которые применяются при тестировании оборудования. Что бы проанализировать электромагнитную совместимость необходимо знать основные составляющие: источник  помех – среда распространения помех – рецептор помех. Источник помех негативно влияет на рецептор при помощи проводов или электромагнитным излучением. Помеха может распространяться по сигнальным цепям, цепям питания и управления, по линиям передачи данных и через открытое пространство.

На данный момент вопрос электромагнитной совместимости более чем актуален, так как в электронных изделиях по мере продвижения техногенного процесса стремительно возрастают рабочие частоты. Высокие частоты опасны своим свойством проникновения. Именно из-за высокого уровня способности к  проникновению в электронные приборы выходят и жесткие требования при тестировании на ЭМС.

  1. Требования по ЭМС на МКС.

Международная космическая станция – самый амбициозный проект человечества, в ее состав входит функционально – грузовой блок «Заря», узловой модуль «Юнити», служебный модуль «Звезда», Секция Р6, лабораторный модуль «Дестинити», шлюзовая камера «Quest», стыковочный отсек «Пирс», японский модуль «Кибо», лабораторный модуль «Коламбус», модуль «Транквилити» и малые исследовательские модули.

Рисунок 1. МКС.

Так как объектом данной работы является преобразователь тока БП СКВ, то мы будем рассматривать именно ту часть орбитальной станции, где он установлен, а именно российский сегмент МКС (РС МКС).

Рисунок 2. Российский сегмент МКС.

Требования по ЭМС для аппаратуры, находящейся на борту МКС

Бортовая аппаратура питается от постоянного источника тока системы электропитания МКС. Напряжение питания на входе находится в пределах 23-29В. Средства бортовой автоматики модуля обеспечивают двухполюсную коммутацию  первичного  питания, поступающего в аппаратуру, а также защиту каналов питания от возможных токовых перегрузок и коротких замыканий в кабельной сети и аппаратуре.

Требования по ЭМС на низких частотах: Пиковые значения напряжения низкочастотных помех (Uпик), создаваемых оборудованием в цепях питания ±28 В модулей РС МКС не должны превышать значений, приведенных на графике (рис.3):

Рисунок 3. Уровень допустимых помех.

Где: f – частота(кГц). Полоса измерений должна быть не уже: 10 Гц в диапазоне от 30 Гц до1 кГц; 100 Гц в диапазоне от 1 до10 кГц.

Пиковые значения напряжения радиопомех не должны превышать значений приведенных на графике (рис.4):

Рисунок 4. Уровень допустимых помех. Пиковые значения напряжения радиопомех.

Полоса измерений должна быть не уже: 1 кГц в диапазоне от 0.01 до 0.15 МГц; 10 кГц в диапазоне от 0.15 до 30.0 МГц; 100 кГц в диапазоне от 30 до100 МГц.

Оборудование, установленное на РС МКС, не должно создавать помех, которые превышают пределы, приведенные на графике (рис.5). Свыше 30 МГц соответствие пределам должно быть обеспечено для горизонтально и вертикально поляризованных волн.

Напряженность электрического поля

Рисунок 5. Уровень допустимых помех. Напряженность электрического поля.

Полоса измерений должна быть не уже: 1 кГц в диапазоне от 0.01 до 0.15 МГц; 10 кГц в диапазоне от0.15 до30.0 МГц; 100 кГц в диапазоне от30 до1000 МГц; 1 МГц свыше1000 МГц.

Устойчивость оборудования к электромагнитным помехам.

Низкие частоты.Пиковые значения напряжения низкочастотных помех в  цепях питания ±28 В модуля приведены на графике (рис.6).

Рисунок 6. Уровень допустимых помех. Пиковые значения напряжения низкочастотных помех.

Индустриальные радиопомехи

Пиковые значения напряжения индустриальных радиопомех в цепях питания ±28 В модулей РС МКС приведены на графике ниже (рис.7).

Рисунок 7. Уровень допустимых помех.

Импульсные помехи.

Воздействие импульсных помех характеризуется следующими параметрами:

- амплитуда и длительность тестового импульса;

- длительность фронтов не более 5 % от длительности импульса;

- частота повторения 1 Гц в течение 1 мин (или в течение периода времени, необходимого для оценки функционирования).

В таблице №1 представлены характеристики  импульсных помех между шинами питания:

Таблица №1. Характеристики импульсных помех.

Характеристики импульсных помех между каждой из шин питания и корпусом:

Таблица №2. Характеристики импульсных помех.

Характеристика

Значение характеристик

Длительность импульса

50

100

200

300

МКС

Амплитуда импульса

+35

-35

+35

-35

+10

-10

+10

-10

Пиковые значения напряженности электрического поля внутри модулей РС МКС:

Напряженность электрического поля внутри модуля (рис.8).

Рисунок 8. Напряженность электрического поля.

Излучаемые радиопомехи снаружи МКС

Пиковые значения напряженности электрического поля снаружи РС МКС приведены на графике (рис.9).

Напряженность электрического поля снаружи РС МКС

Рисунок 9. Напряженность электрического поля снаружи РС МКС.

Напряженность поля может принимать значение от 134 дБ мкВ/м до указанной величины в зависимости от места размещения прибора. Излучаемый сигнал промоделирован по амплитуде с частотой 1 кГц и глубиной модуляции 50 %. Контроль технических характеристик радиоприемников, радиопередатчиков и антенн на соответствие нормам "Регламента радиосвязи" проводится по методикам, удовлетворяющим требованиям.

2. Схема и конструкция преобразователя тока БП СКВ.

2.1 Блок питания системы кондиционирования воздуха на МКС.

Рисунок 10. Блок питания системы кондиционирования воздуха. Конструкция  БП СКВ.

Рисунок 11. Функциональная схема БП СКВ.

П – преобразователь тока; ПУ – плата управления; В – выпрямитель; Ф – фильтр; ФФ – фазовый формирователь.

Назначение БП СКВ: повышение постоянного напряжения 27 – 140 В и преобразование постоянного напряжения 140 В в переменное трехфазное напряжение.

Схема преобразователя тока БП СКВ.

Рисунок 12. Схема преобразователя тока БП СКВ.

На схеме видно, что конструктивно блок состоит из преобразователя напряжения и платы управления. На схеме так же видна конструкция самого преобразователя. Она включает в себя силовой мост, плату конденсаторов, блок выпрямителей, блок трансформаторов и конденсаторов, демпфер, теплоотвод демпфера, выходной фильтр.

Рассмотрим детально каждый узел.

Рисунок 13. Схема силового моста.

На схеме показано четыре ключа, они же являются МОП – транзисторами, задача этих ключей коммутировать напряжение на первичной обмотке трансформатора.

Управление МОП – ключами идет через плату управления.

Блок трансформаторов и конденсаторов. Обозначение на общей схеме – А 3. Состоит из повышающего трансформатора и 16 конденсаторов (против режима насыщения). Конденсаторы пропускают через себя большой ток из расчета 1 А на 1 мкФ. Где суммарная ёмкость выходит не меньше 32 мкФ. Для контроля тока стоит датчик, который позволяет определить превышение по току и дать сигнал плате управления.

Рисунок 14. Блок выпрямителей.

В этом блоке происходит выпрямление напряжения. Переменное напряжение с вторичной обмотки трансформатора приходит на блок выпрямителей, где преобразуется в постоянное напряжение. Эта часть конструкции является опасной, так как в ней могут происходить резонансы напряжения (до 600В). Скачок напряжения очень опасен для рядом находящихся электронных узлов, поэтому к блоку выпрямителей присоединен демпфер.

Демпфер.Обозначение на общей схеме - А 5.

Демпферная схема является своего рода накопительной системой для напряжения, которое превышает норму. Этот узел забирает избыточный потенциал напряжения и чтобы он не переходил в режим насыщения, к нему присоединен теплоотвод.

Теплоотвод демпфера. Обозначение на общей схеме - А 7.1. В состав теплоотвода демпфера входит транзистор (ключ), дроссели и выпрямители. При работе ключа в открытом состоянии в цепи формируется напряжение 280 В. Для того, что бы уменьшить напряжение с 280В до 140В (которые необходимо иметь на выходе преобразователя БП СКВ) дополнительно подключают нагрузку. В закрытом состоянии ключа (пауза) нагрузку питает дроссель.

Для фильтрации бортового питания и защиты от наведенных (кондуктивных) помех используется плата конденсаторов (фильтр).

Рисунок 15. Блок конденсаторов.

2.2 Плата управления преобразователя тока БП СКВ.

Плата управления преобразователя тока БП СКВ имеет пять слоев.

Рисунок 16. Схема слоев печатной платы управления до модернизации.

Электрическая схема платы управления включает в себя:

Источник питания – 12 В, который выполнен как импульсный стабилизатор напряжения. Данный узел электрической схемы формирует и распределяет питание для всей печатной платы.

Рисунок 17. Схема источника питания.

Контроллер для управления силовым мостом.В него входит микросхемаD10 - сам контроллер и драйвера ключейD14 иD15. Из этого узла подаются сигналы для переключения транзисторов силового моста, с помощью которых формируется выходное напряжение преобразователя тока БП СКВ.

Рисунок 18. Схема контроллера.

Схема обратной связи. В нее входят элементыD9,D11,D16,T3. В этом узле осуществляется передача информации о выходном напряжении на главный контроллерD10. Схема так же стабилизирует напряжение на выходе преобразователя тока БП СКВ.

Рисунок 19. Схема обратной связи.

Схема нарастания напряжения. Состоит из элементовD2-D7. Представляет собой делитель напряжения контроллераD10, который управляется внешним сигналом.

От схемы формирователя фаз на делитель поступает импульсный сигнал. На вход делителяD2 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 20. Схема нарастания напряжения.

Рисунок 21. Схема платы управления.

Рисунок 22.Top (Верхний слой).

Рисунок 23. Внутренний аналоговый слой.

Рисунок 24. Слой питания.

Рисунок 25. Внутренний цифровой слой.

Рисунок 26.Bottom (Нижний слой).

Структура слоев платы управления

Таблица №3. Структура слоев платы управления

Слои

Назначение

Толщина

слоя

Толщина

Фольги

Ширина проводников

Top

(верхний)

Сторона

для

установки

компонентов

35 мкм

0,3 мкм

0,3 мм

10мм

Первый внутренний

Аналоговый

слой

35 мкм

0,3 мкм

0,3 мм

10мм

Питание

Проведение питания

в плате

35 мкм

0,3 мкм

0,3 мм

10мм

Второй внутренний

Цифровой

слой

35 мкм

0,3 мкм

0,3 мм

10мм

Bottom

Нижний

Сторона для

Установки

компонентов

35 мкм

0,3 мкм

0,3 мм

10мм

Материал платы – стеклотекстолит. Толщина всей платы составляет 2мм (±0.1). Фольга – медь. Толщина диэлектрика и толщина меди - 0.3/35 мкм (0.3 – металл, 35 – диэлектрик).

Рисунок 27. Фотография плата управления БП СКВ.

3. Анализ помех в преобразователе тока БП СКВ.

3.1 Измерение уровня помех в преобразователе тока.

В данной работе было проведено исследование уровня помех платы управления, и их влияние на преобразователь тока блока питания. Из-за коммутационных процессов, которые происходят в рабочем режиме платы, возникают самые разные помехоэмиссиии.

Помехи распространяются очень быстро по цепи питания и как следствие сбивают работу компонентов. Так же по цепям питания протекает местами большой ток, который генерирует помеху.

Для проведения эксперимента использовался преобразователь тока БП СКВ и измерительный прибор - осциллографTektronixTDS 3054C.

Рисунок 28. ОсциллографTektronixTDS 3054C.

Полоса частот 500 МГц; Частота дискретизации до 5 ГГц; 25 автоматических измерений; 9 битов разрешение по вертикали;

Поскольку нам необходимо определить влияние помех, исходящих из платы управления и влияющих на преобразователь тока, были определены контрольные точки для проведения измерений.

  1. Измерения сигналов, поступающих от платы управления на затворы коммутирующих транзисторов. Осциллограммы сняты в контрольных точках силового моста.

Рисунок 29. Схема силового моста для проведения измерений.

На схеме силового моста отмечены контрольные точки, в которых были произведены измерения и сняты осциллограммы.

Рисунок 30.Напряжение между затвором истоком (Uзи)VT1

Рисунок 31. Напряжение между затвором и истоком (Uзи)VT2.

Рисунок 32. Напряжение между затвором и истоком (Uзи)VT3.

Рисунок 33. Напряжение между затвором и истоком (Uзи)VT4.

Чтобы узнать, не нарушается ли целостность управляющего сигнала, который поступает от драйверов ключей и идет к силовому мосту на транзисторы, мы сняли осциллограммы напряжений между затворами (на который приходит управляющий сигнал) и истоками транзисторов.

На осциллограммах (рис. 30 – 33) видны помехи на уровнях логического нуля и логической единицы. Фронты сигналов на транзисторахVT1 иVT2 заметно искажаются.

Рисунок 34. Напряжение между истокамиVT1 иVT2.

.

Рисунок 35. Напряжение между истокамиVT3 иVT4.

На осциллограммах снятых между истоками транзисторов видно, что при переключении из логического нуля в логическую единицу происходит сильный всплеск. На логических уровнях наблюдаются сильные искажения.

  1. Измерение напряжения на выходе с датчика тока при мощности Рвых=208Вт.

Осциллограммы сняты с выхода блока трансформаторов и конденсаторов после повышения напряжения на вторичной обмотке повышающего трансформатора.

Рисунок 36. Датчик тока.

Рисунок 37. Сигнал с выхода датчика тока.

3.2 Анализ помех преобразователя тока.

Проведя экспериментальные исследования и измерения, мы получили факты, подтверждающие, что плата управления не подходит под требования электромагнитной совместимости. На осциллограммах (рис. 30-35,37) видно, как сигнал искажается из-за помех. На уровне логической единице можно наблюдать всплески, которые превышают данное напряжение. Линии фронтов наблюдаются пологие, что говорит об увеличенном времени переключения. Увеличение времени переключения транзисторов может привести к запаздыванию сигнала и повлечь за собой недопустимый режим открывания данных транзисторов, работающих в противофазе. Сквозной ток, который возникает в таких недопустимых режимах, мгновенно выведет из строя весь прибор.

Данные, полученные с помощью измерений, показывают, что на затворы в транзисторах поступает искаженных сигнал с платы управления.

Проведенные измерения показывают, что в системе распределения питания платы управления при разработке не были соблюдены требования по ЭМС и не применялись методики подавления помех. Из этого следует, что развязка на плате была произведена не корректно и требует доработки.

Печатная плата создана из пяти слоев, для того, чтобы распределить систему питания так, чтобы токоведущие дорожки не пересекались между собой. В плате созданы сквозные металлизированные отверстия. Они сделаны для того, что бы соединять слои между собой. Когда ток идет по трассам, он создает вокруг себя магнитное поле, которое ведет себя как паразитная индуктивность. Магнитные поля, создаваемые токоведущими дорожками, оказывают влияние друг на друга, которое в последствие оказывается негативным. Магнитное поле одного проводника может тормозить или ускорить сигнал, идущий по соседнему проводнику, что в свою очередь приводит к нарушению циклограммы всей схемы. Так как эта схема является управляющей для всего преобразователя тока БП СКВ, такие негативные воздействия могут привести к не поправимым последствиям. Учитывая то, что этот прибор особого назначения, с помощью него поддерживается кондиционирование воздуха в замкнутом пространстве на орбитальной станции МКС и от него напрямую зависит жизнь людей, он должен функционировать без перебоя. Такие нарушения как сбой циклограммы в работе платы управления могут привести к отказу прибора в целом.

Цифровые микросхемы в режиме переключения являются источниками помех. В проводниках появляются кондуктивные помехи во время процессов переключения. Они работают как случайные излучающие антенны. Такие помехи появляются как в системе распределения питания, так и в линиях передачи сигналов. В системе распределения питания цифровых устройств коммутационные помехи возникают при переключении интегральных микросхем, когда при поступлении управляющего сигнала происходит изменение логических состояний микросхем. Особенно от быстродействия зависит уровень кондуктивных и излучаемых помех.

Причиной возникновения помех могут стать гармоники, составляющие сигнал. Чем дольше длиться фронт цифрового сигнала, тем амплитуда гармонических составляющих меньше на высоких частотах. Интегральные микросхемы характеризуются динамическими и статическими параметрами помехоустойчивости. Поведение микросхемы при наличии импульсных помех определяет динамическая помехоустойчивость. Помехоустойчивость интегральной микросхемы снижается, при повышении тактовых частот и снижений питающих напряжений. Чем выше быстродействие микросхемы, тем ниже динамическая помехоустойчивость. Уровень помех увеличивается с увеличением частоты сигнала. В области высоких частот частотный интервал, в котором появляются помехи, расширяется. Возникшая в системе помеха распространяется по печатной плате и в некоторых случаях может излучаться.

При проведении анализа излучаемых помех нужно учесть множество факторов. Для излучения электромагнитной помехи нужен не только источник (микросхема), но и антенна, которая будет ее излучать. Такой антенной может служить контур, который образуют возвратные токи. На самой плате не бывает специальных антенн, но есть множество случайных. Случайными антеннами могут быть проводники, кабели, корпус микросхемы.

Из-за высокого уровня коммутационных помех, которые генерирует сама интегральная микросхема, большой вклад в уровень излучаемых помех вносит система распределения питания печатного узла. Основные причины при работе цифровых узлов, которые приводят к возникновению помех и их распространению по системе питания:

  1. Коммутационные процессы интегральных микросхем;
  2. Между цепями питания и сигнальными цепями существуют перекрестные взаимодействия;
  3. Эффект антенны у проводников, которые приводит к помехоэмиссии.

Одна из самых важных проблем обеспечения ЭМС и целостности сигнала, которая оказывает влияние на функциональность и работоспособность всей системы – это коммутационные процессы, которые создают опасные помехи в системе распределения питания печатных узлов. Когда на вход микросхемы поступают сигналы, она будет переключаться от одного логического состояния в другое, при переключении вызываются резкие изменения токов потребления.

Возникающие в системе питания коммутационные помехи появляются в виде падения напряжения питания, скачка опорного напряжения (GND), сдвига динамического порога напряжения интегральной микросхемы. При коммутации токи очень быстро пульсируют, поэтому в них содержится широкий частотный диапазон компонентов, которые генерируют помехи и в цепях питания и в виде помехоэмиссии в окружающую среду. Так как при переключении токи резко изменяются, они же из-за индуктивности шины питания вызывают изменение напряжения питания, что приводит к неустойчивому рабочему состоянию печатной платы. Так же в системе питания возникновение сквозных токов – это проблема в применении цифровых микросхем. Всплески сквозного тока возникают при каждом фронте и спаде сигнала, поэтому их частота явления в два раза выше тактовой частоты.

При переключении, когда происходит изменение тока, происходит и падение напряжения на индуктивность питания. Оно становится равным самоиндукции контура шины питания и скорости изменения тока за время переключения. Также в самоиндукцию контура входит индуктивность выводов питания. Напряжение, которое поступает в микросхему, определяется формулой:

VCC=VSSVSB

VCC - напряжение питания на определенном контакте;VSS – напряжение источника питания;VSB – напряжение, которое падает на шину питания;

Если падение напряжения окажется очень большое, микросхема может выйти за допустимые временные интервалы, помехозащищенность снижается и как следствие ухудшается работоспособность.

Скачок опорного напряжения так же может представлять угрозу для работы печатного узла. Это явление кратковременного возрастания напряжения на потенциалеGND. Такой скачок появляется во время динамических коммутационных процессов. Во время переключения интегральной микросхемы изменяется состояние напряжения, которое изменяется от высокого значения к низкому. Ток, который течет через полупроводники выходного каскада, может вызывать падение напряжения на индуктивности в системе. В эту индуктивность входят выводыGND и индуктивности выводов сигнальных. При переключении из логической единицы, в логический ноль в микросхеме через вывод питания протекает суммарный ток, который изменяется. Это сигнальный ток, ток потребления и сквозной ток. Напряжение, которое падает на индуктивные цепиGND, при изменении суммарного тока при коммутационных процессах определяется формулой:

VSB=LSB

LSB – индуктивность контуров потребляемого тока; - модуль разности потребляемых токов; tr – фронт сигнала;

Возникновения скачка опорного напряжения зависит от множества факторов:

  1. Уровень напряжения питания;
  2. Скорость при переключении;
  3. Количество выводов, которые переключаются одновременно;
  4. Конструктивное исполнение выводов корпуса интегральной микросхемы;
  5. Конструкция шин питания;
  6. Количество металлизированных отверстий и монтажной топологии микросхемы;
  7. Тип нагрузки;
  8. Технология изготовления микросхемы и ее корпуса.

Главную роль в работе системе распределения питания, как и в обеспечении ЭМС играет индуктивность. Так же она является одним из основных электрических параметров, которые полноправно определяют уровень электромагнитных помех в системе распределения питания. Индуктивность можно рассмотреть с трех положений:

Магнитные поля двух проводников связаны между собой и как следствие это индуцирует напряжение. Индуктивная перекрестная помеха определяется по формуле:

M – Взаимная индуктивность между источником и приемником.

Помеха дельта –I появляется при протекании тока через проводники и обладает значительной индуктивностью. Во время переключения драйверов ток идет от шины через вывод питания и выходит через сигнальный вывод.

Помеха дельта –I определяется по формуле:

L – Индуктивность, возникающая по пути протекания тока;  - время изменения тока.

В металлизированных отверстиях в печатных платах, когда по ним течет ток, возникает помеха. В шинах питания генераторами помех являются обратные токи или тактовые импульсы, которые идут через металлизированные отверстия во время перехода с одного слоя на другой. Возвратные токи протекают на минимальном расстоянии от сигнальных токов иGND. Когда ток сигнала протекает по металлизированным отверстиям между слоями, путь для возвратного тока прерывается. В таком случае ток может возвратиться к источнику только через ток смещения в слоях питания иGND. Именно такие токи создают в шине питания помехи.

  1. Снижение уровня помех в преобразователе тока.

Для того что бы снизить уровень помех в преобразователе тока БП СКВ, необходимо провести корректную разводку платы управления, рассмотреть взаимное влияние компонентов внутри блока, анализ и коррекцию системы распределения питания.

Система распределения питания в печатных платах состоит из развязывающих конденсаторов и проводников. Такая система отвечает за поставку заряда к компонентам на печатной плате. При неправильной разводке печатной платы в системе распределения питания могут генерироваться помехи, которые будут поступать по проводникам к компонентам и как следствие ухудшать их работу.

Для того что бы снизить уровень помех в преобразователе тока БП СКВ, необходимо провести корректную разводку платы управления.

4.1 Система распределения питания.

В современных цифровых многослойных печатных платах система распределения питания формируется из одной или более проводящих плоскостей. Они используются как слои питания и как возвратные проводники (GND). В систему распределения питания так же входят набор конденсаторов для развязки, проводники для монтажа конденсаторов и микросхем. На развитие системы распределение питание повлияли некоторые факторы:

  1. Рост скорости переключения интегральных микросхем и тактовой частоты;
  2. Введение новых материалов в конструирование многослойных печатных плат и совершенствование их конструкций;
  3. ПоявлениеSMT – компонентов (поверхностно - монтируемые компоненты, которые пришли на замену компонентам с выводами);
  4. Конструктивное изменение микросхем (корпуса с шариковыми выводамиBGA) и увеличение количества выводов;

Система распределения питания со временем усложнилась. Для нее требуется низкая индуктивность, чтобы не препятствовать распространению заряда по многослойной печатной плате, от этого зависит быстродействие. Система распределения питания отвечает за всю систему поставки питания многослойной печатной платы, в то время когда «шина питания» - это пара плоскостей, в которые входят только пинание иGND. При проектировании такой сложной структуры нужно понимать и принимать во внимание все нюансы такой системы. Нужно хорошо понимать процессы, которые происходят в печатных узлах, и владеть определенными методами.

Помехи, генерируемые шиной питания при переключениях интегральной микросхемы не единственная проблема, одновременно с этим в системе распределения питания возникают дополнительные помехи, которые вызываются протеканием сигнальных токов по линиям передачи. Эти линии передачи переходят со слоя на слой по металлизированным отверстиям, которые проходят сквозь слои питания иGND. Появляются так называемые токи смещения, которые попадают в систему распределения питания и как следствие появляется определенный уровень помех. Помехи, которые возникают в шине питания, быстро распространяются по печатной плате, могут нарушить работу компонентов и могут излучаться. Проектирование печатного узла должно быть на высоком уровне, чтобы генерируемые помехи не превышали допустимые уровни, что позволит цепям нормально работать на многослойной печатной плате. А возникающие эмиссии должны быть низкого уровня, что бы удовлетворить требованиям ЭМС.

К достижению поставленной цели одним из ключевых элементов являются развязывающие конденсаторы.

Коммутирующие состояния интегральной микросхемы между высокими и низкими состояниями порождают изменение потребляемого тока, что в свою очередь неизбежно приводит к падению напряжению на индуктивность шины питания. В такие моменты происходит импульсное изменение напряжения питания в микросхеме. Такие импульсы неизбежно становятся источниками помех в системе распределения питания.

При проектировании системы распределения питания нужно поставить две задачи. Первая задача – за счет поставки и хранения заряда обеспечить функциональные возможности системы, в моменты, когда интегральная микросхема переключается и требует дополнительного тока питания. Вторая задача заключается в том, что бы помехи были минимизированы, которые внедряются в шину питания от микросхемы. Например, если край платы разместить около щелей металлического отверстия корпуса или недалеко от вентилятора это позволит помехам выйти за экранирующий корпус. Помимо этого помеха может распространяться из металлического корпуса в кабели, если они связаны выводами. Существует множество путей связи для помех, и они плохо предсказуемы.

Что бы система распределения питания смогла выполнять свои функции нужно построить ее из нескольких элементов. В эти элементы входят: модульVRM (модуль регулятора напряжения, выпрямитель, фильтр и др.), Конденсаторы электролитические, шины питания и развязывающие конденсаторы. Эффективность в поставке достаточного заряда к микросхеме у каждого компонента разная. Рассмотрим с иерархической позиции заряжение элементов системы распределения питания:

-VRM (вместе с фильтрами) – является самым большим источником заряда. Этот узел способен на хранение и отдачу большого заряда, но обладает маленькой скоростью разряда из-за большой индуктивности. На частотах от 1 МГц этот узел не выполняет требования по скорости доставки заряда к кристаллу.

- В иерархии системы распределения питания второе по ёмкости место занимают электролитические конденсаторы. Они обладают емкостями от нескольких сотен микрофарад до нескольких миллифарад. Эти компоненты выполняют требования по скорости доставки заряда к кристаллу. Они способны удовлетворять требованиям на уровне нескольких сотен наносекунд и меньше.

- Третьи по емкости это развязывающие конденсаторыSMT. Эти конденсаторы обладают емкость от десятков нанофарад до нескольких микрофарад. Они способны удовлетворять требования на уровне несколько десятков наносекунд.

- Планарный конденсатор (пара плоскостей питание иGND). Является последним компонентом в иерархии цепи заряжения на печатном узле. Поставляет заряд цепям по времени менее нескольких десятков наносекунд, частота потребляемого заряда выше нескольких сотен МГц.

- Завершают иерархию системы распределения питания конденсаторы, которые установлены на самом кристалле. Их емкость очень мала, но из-за близкого расстояния к кристаллу они способны очень быстро передавать заряд во время коммутационных процессов. Так же они обладают предельно низкой индуктивностью.

Одним из важных показателей системы распределения питания в печатной плате являются зависимость полного сопротивления системы от частоты. Полное сопротивление всей системы имеет допустимые и не допустимые значения. Допустимые значения зависят от качества питания компонентной базы и значения предельных частот в спектральном сигнале. Такой параметр – целевое полное сопротивление (ZT) Системы распределения питания. Полное сопротивление системы распределения питания печатной платы (Zpdn) не должно превышатьZTв нужном для разработчика частотном диапазоне.

Еще одной составной частью системы распределения питания являются развязывающие конденсаторы. Основные виды конденсаторов на кристалле:

  1. ПИП (поликремний – изоляция – поликремний);
  2. MOS – конденсаторы;
  3. МИМ (металл – изоляция – металл);
  4. С латеральным (боковым) взаимодействием электродов;

Эти конденсаторы встроены в интегральную микросхему. К шине питания они подключены внутри корпуса самой микросхемы. Их малая индуктивность позволяет расширить частотный диапазонZT.

При нескольких, происходящих одновременно коммутационных процессов возникают синхронные коммутационные помехи. Для снижения таких помех необходимо использовать определенные правила при проектировании. Такие правила включают в себя описание синхронно коммутационных помех, механизм возникновения, способы снижения таких помех и специальные методики проектирования многослойных печатных плат.

У синхронно коммутационных помех механизм возникновения такой: между выводами микросхемы создается индуктивная перекрестная помеха, во время провала напряжения и образование помехи дельта-I в шине питания. Синхронно коммутационная помеха генерируется, когда одновременно переключаются все драйвера. Первичные механизмы, которые вызывают помехи при переключении микросхемы - это емкостная и индуктивная связь контуров, по которым протекают токи.

На стадии проектирования системы распределения питания в многослойных печатных платах создаются структуры распределения токов. Структуры делятся на два типа: горизонтальная и вертикальная. Горизонтальная структура распределения тока – это проводящие плоскости и линии передачи. Вертикальная структура распределения тока – это металлизированные отверстия, соединяющие слои питания; шариковые выводы, проводники. Эти структуры имеют перекрестные связи, по которым распространяется синхронно коммутационные помехи. Такие помехи, как правило, определяются количественно «абсолютным напряжением помех». Для количественного описания таких помех есть способ, с помощью которого определяются помехи в абсолютных значениях напряжения – милливольт. Но для различных стандартов этот способ не подходит, только для какой-то определенной технологии сигнала.

4.2 Допустимый уровень помех.

Допустимый уровень помех формируется из определенных требований к системе распределения питания. Современные микросхемы работают на высоких частотах, время переключения у таких микросхем меньше наносекунды. Использование низкого напряжения питания при постоянном токе с высокими переходными токами позволяет минимизировать расход энергии. Влияние на функциональность электронного изделия и появлению помех оказывают большие переходные токи, которые протекают по цепям питания иGND. Такие помехи в системе распределения питания могут нарушить целостность сигнала. Более того, такие помехи могут проникать во внешние кабели или излучаться в окружающую среду.

Что бы интегральная микросхема нормально работала напряжение питание должно быть постоянное. Во время работы микросхемы напряжение питание изменяется и может пульсировать. Такое влияние оказывает монтажная работа между модулем питания и интегральной микросхемы, изменение характеристик модуля питания и влияние помех из периферийных цепей. Результатом таких воздействий являются уменьшение скорости обработки информации и нарушение целостности сигнала данного печатного узла. Чтобы избежать таких последствий применяю специальные меры, в которые входят расположение на печатном узле развязывающих конденсатов.

Цель проектирования системы распределения питания состоит в том, что бы цепь, по которой идет поставка энергии для необходимых напряжений была стабильной и не нарушала функционирования узла.

Проектирование системы распределения питания многослойной печатной платы подразумевает создание системы питания и ее развязки с помощью определенных методик. Эти методики должны обеспечивать минимальный уровень помех и как следствие приводить к обеспечению целостности сигнала и выполнению требований по ЭМС.

Допустимый уровень помех подразумевает под собой, как и внутрисистемную ЭМС, так и межсистемную ЭМС. При соблюдении правил проектирования печатного узла и использование методик снижения помех, можно на стадии разработки добиться нормального функционирования электронного изделия, которое будет удовлетворять требованиям ЭМС.

При разработке интегральных микросхем нужно стремиться к минимизации помехоэмиссии и восприимчивости, но одновременно с этим печатный узел может быть восприимчив пульсациям напряжения в системе распределения питания. Если принять во внимание следующие факты, можно снизить эффект пульсаций:

- размещение в многослойной печатной плате напряжение питания иGND;

- присутствие и расположение на многослойной печатной плате развязывающих конденсаторов;

- время, за которое повышается напряжение питания;

- рассеивание тока;

4.3 Влияние помех на БП СКВ в целом.

В ходе исследования преобразователя тока БП СКВ по его отдельным частям стало ясно, что мы имеем делоc внутрисистемной ЭМС. Помехи генерирует сам прибор. Силовой мост, как было указано ранее, играет роль ключей, которые коммутируют ток для первичной обмотки трансформатора, находящегося в блоке трансформаторов и конденсаторов. На осциллограммах при совместной работе транзисторов мы наблюдаем дрожание сигналов. Эти экспериментальные данные говорят о том, что в плате управления есть сбой в работе. Неустойчивое рабочее состояние платы управления со временем может привести к непоправимым последствиям. Управляющие сигналы, идущие от платы управления по проводам, попадают в силовой мост асинхронно. Один сигнал поступает с опозданием, второй с опережением. Такая работа силового моста может привести к недопустимому режиму открывания транзисторов и как следствие может произойти ток утечки, что в свою очередь выведет из строя весь прибор. В плате управления сбивается циклограмма, что так же указывает на наличие помех в самой плате управления. Произошло нарушение целостности сигнала и целостности питания, что в свою очередь указывает на некорректную разводку в печатной плате. Кондуктивные помехи, которые возникают в линиях передачи управляющего сигнала силовым мостом, оказывают негативное влияние не только на работу транзисторов, но и на саму плату управления. Конструктивно в приборе плата управления располагается рядом с силовым мостом и блоком трансформаторов и конденсаторов. Повышающий трансформатор работает на больших токах и напряжениях, которые приводят к помехоэмиссии. Трансформатор работает как излучающая антенна электромагнитных помех, которые влияют на рядом находящиеся компоненты в приборе. Плата управления работает на небольших токах и мощностях, поэтому такие мощные помехи, которые излучаются от трансформатора, могут вывести ее из строя. Исследовав конструкцию прибора можно прийти к выводу, что конструктивно прибор собран не правильно с точки зрения ЭМС. Компоненты, которым требуется большая мощность и большой ток располагаются рядом с компонентами, которые работают на небольших токах.

  1. Методы снижения уровня помех.
  1. Размещение плоскостей питания иGND.

Помехи, которые возникают в источнике питания и скачки напряженияGND необходимо минимизировать. Для этого необходимо выделить отдельные слои для каждого значения напряжения питания и отдельные слои дляGND. Таким образом, мы создаем экранированные слои внутри многослойной печатной платы, которые будут защищать логические сигналы от негативных электромагнитных воздействий. Если при разработке невозможно выделить всю плоскость под питание иGND, то в таких случаях трассы питания иGND должны быть самые широкие и располагаться по всей длине платы. Трассы по ширине такие же, как и сигнальные, не могут использоваться для питания. В стеке многослойной печатной плате планарный конденсатор формируется из смежных плоскостей питания иGND. Это помогает уменьшить уровень помех в системе распределения питания.

  1. Развязывающие конденсаторы.

У микросхемы каждый вывод питания иGND должны быть привязаны к слоям питания иGND. От числа переключающихся логических элементов и их параметров зависят требования к развязке в системе питания. Чем больше задействованных выводов (вход/выход) и емкостная нагрузка, тем больше потребуется развязывающих конденсаторов. Эти конденсаторы должны располагаться максимально близко к устройству.

Многослойная печатная плата должна иметь цепь электролитических конденсаторов большой емкости для стабилизации питания. Конденсатор 100 мкФ должен быть помещен туда, где место ввода линии источника питания в узле. При использовании регулятора напряжения или трансформатора конденсатор должен располагаться за последним каскадом источника питания. Когда в цепи одновременно переключаются множество элементов, этот конденсатор выравнивает напряжение и поставляет дополнительный ток. Минус конденсаторов с большой емкостью заключается в том, что ему необходимо больше времени, чтобы достичь рабочего уровня питания. Емкость таких конденсаторов не должна нарушать время нарастания напряжения питания.

  1. Время нарастания напряжения электропитания.

Приближенное значение установки питания (Poweron,ResetPOR) примерно 1 – 2 В. Длительностью режимPOR не превышает 100мс и существует только в том случае, если напряжение питания доходит до рекомендуемого рабочего предела в определенных промежутках времени. Длительное время нарастания влияет на инициализацию устройства и его функционал. Напряжение питания должно расти плавно, приближаясь к рабочему уровню.

  1. Рассеивание тока

Многие интегральные схемы спроектированы для потребления минимальной мощности, но способные на высокую эффективность. Поскольку добиться минимального потребления мощности и высокой эффективности изделия достаточно сложно. Разработчик должен использовать программное обеспечение устройства, которое позволит контролировать и управлять потребляемый ток.

Одной из важнейших задач при борьбе с электромагнитными помехами является уменьшение индуктивности шин питания и цепейGND. Это достигается конструктивными методами во время разработки топологии и стека печатной платы. Так же важен выбор материала, который будет использован. Рассматривая индуктивность катушки и потока магнитных линий от нее, необходимо учитывать, что ток, протекающий в проводящем контуре, образует вокруг себя магнитное поле. Необходимо учесть положение индуктивности:

- замкнутый контур линий магнитного поля существует во всех нитях, которые проводят электрический ток;

- при протекании тока в проводнике количество линий магнитного поля (которое окружает проводник) – это и есть индуктивность;

- появление индуцированного напряжения между концами проводника обусловлено изменением количества силовых линий магнитного поля.

На стадии разработки многослойной печатной платы, необходимо принять во внимание индуктивности топологических сегментов цепей питания. Необходимо пользоваться специальными приемами и методами для максимальной минимизации такой индуктивности. В таких случаях необходимо снизить индуктивность контура питания.

Полное сопротивление системы распределения питания на частоте свыше 10 МГц зависит от ближайших к микросхеме конденсаторов. Это говорит о том, что над полным сопротивлением доминирует индуктивность монтажа. Поскольку такой конденсатор в высокочастотной зоне является доминирующим компонентом, необходимо проектировать его монтаж так, что бы снизить его индуктивность. При проектировании расположения конденсатора так, что бы снизить его индуктивность следует учесть следующие факты:

- трассировка: длинна, высота, ширина

- отверстия: длина, взаимное расположение, диаметр сверления.

Правила трассировки, расположения контактных площадок, конденсаторов и металлизированных отверстий.

Нерациональный монтаж приводит к нарушению работы системы распределения питания. Существует множество факторов, которые приводят неизбежно к повышенной индуктивности монтажа. Что бы этого избежать, необходимо выполнять следующие пункты:

- минимизация размеров контактных площадок;

- металлизированные отверстия необходимо располагать максимально близко к конденсаторам;

- диаметр сверления металлизированного отверстия нужно выбирать максимально возможным;

- необходимо располагать максимально близко друг к другу отверстия с токами, которые протекают в разных направлениях;

- отверстия, в которых протекают токи одного направления нужно располагать максимально далеко друг от друга;

- полигоны питания иGND необходимо расположить в печатной плате так, что бы они находились вблизи поверхности, где установлены конденсаторы;

При соблюдении выше перечисленных рекомендаций можно успешно добиться снижения индуктивности монтажа.

Методы подавления помех в системе распределения питания при проектировании многослойных печатных плат.

  1. Выбор емкостей конденсаторов для системы распределения питания.

Для того, что бы обеспечить стабильную работу микросхемы необходимо правильно рассчитать требуемую развязывающую емкость. При расчете необходимо учесть допустимые пульсации напряжения. Прежде чем приступать к расчетам, необходимо определить рабочий частотный диапазон, в котором будут использоваться развязывающие конденсаторы, поэтому необходимо определить максимальную частоту спектра сигнала:

fmax=0,35/tr,Гц

tr – время фронта при переключении микросхемы, подключенной к системе распределения питания;fmax– максимальная частота.

Максимальная рабочая частота равна целевой частотеfT. 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 VDD (MIN), B;

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

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

4. допустимая амплитуда пульсации напряжения Rip, %.

Определение целевого полного сопротивления:

где IDD(MAX) - IDD(MIN), А.

Оценка значения минимальной емкости конденсаторов для развязки в среднечастотном диапазоне:

Сbp1min= 2πfbpZt

fbp – в среднечастотном диапазоне граничная частота(можно принять = 100 кГц);Zt – полное целевое сопротивление, Ом; Сbp – удерживающая емкость, которая требуется.

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

Сdec_min= 2πfmaxZt

  1. Значение емкости на каждый вывод питания:

Сdec_n=Сdec_minn ,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 иGND. 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 иGND.

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 микросхемыD10 –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.

4.5 Расчет развязывающих емкостей.

Расчет развязывающих емкостей для напряжений питания внутренних каскадовVCCINT и вентилей входов/выходовVCCIO на плате управления преобразователя тока БП СКВ.

Емкость развязывающего конденсатора для напряжения питания внутренних каскадовVCCINT. 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:

Ctm=Pdin/V2CCINT*fc.max,

гдеPdin – мощность логических матриц, Вт;VCCINT - напряжение питания матриц, В;fc.max – тактовая максимальная частота, Гц;

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

Сdec= (25…100)Ctm

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

Сdecn= Сdec/n

  1. Определим развязывающую емкость на цепи питанияVCCINT.

Условия для проведения расчета: мощность цепейVCCINT платы управления БП СКВPdin=5 Вт;VCCINT = 1,2 В; Тактовая частота системыfc.max = 120 кГц; множитель ВЧ развязывающего конденсатора - 14; количество выводовVCCINT устройстваn = 36;

При данных условиях получается:

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

Сdec= 14*27.7=388 мкФ

Сdecn=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/выходаVCCIO.

Требования к цепям развязкиVCCIO основываются на требованиях сохранения средней энергии, так же как и требования к развязке цепейVCCINT. 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 шинеVCCIO. Для обеспечения мгновенного потребления тока каждая пара контактовVCCIO иGND должна иметь развязывающий конденсатор. Уравнения, которые определяют оптимальный размер для каждого конденсатора.

- эквивалентная емкость переключения ввода/вывода дляVCCIO:

CL=nCn, Ф,

Cn - средняя емкость нагрузки, Ф;n – число нагрузок;

- емкость для развязки цепей входа/выхода:

Сdec=(25…100)CL, Ф

- индивидуальная емкость конденсатора:

Сdecn= Сdec/m, Ф

m – число выводовVCCIO.

  1. Определим развязывающую емкость для вентилей входов/выходовVCCIO.

Условия для расчета: число нагрузокm = 15,

средняя емкость нагрузкиCn = 10пФ;

множитель для развязывающего конденсатора – 14;

число выводовVCCIO =32.

При данных условиях получается:

CL= 15*10 = 150 пФ,

Сdec = 14*150 =2.1*103 пФ,

Сdecn= 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,

гдеl – 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 иGND, 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:

Lms =ln(1+32*(h2ms/w2)*(1+)), нГн/см,

гдеh – 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:

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

Подставив в формулу максимальное значения ширины стрингера, то получаем:

Lms =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 микросхемаD10 - сам контроллер и драйвера ключейD12 иD13. Из этого узла подаются сигналы для переключения транзисторов силового моста, с помощью которых формируется выходное напряжение преобразователя тока БП СКВ. Расположенная рядом микросхемаD9 - схема блокировки драйверов при неоднократной попытке перезапуска преобразователя тока.

Схема обратной связи. В нее входят элементыD8,D11,D14,D15,T3. В этом узле осуществляется передача информации о выходном напряжении на главный контроллерD10. Схема так же стабилизирует напряжение на выходе преобразователя тока БП СКВ.

Схема нарастания напряжения. Состоит из элементовD2-D7. Представляет собой делитель напряжения контроллераD10, который управляется внешним сигналом.

От схемы формирователя фаз на делитель поступает импульсный сигнал. На вход делителяD2 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 иGND,

- сближение проводников питания иGND (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: микросхемаD10 -C25, С26, микросхемаD8 – С20,С22, микросхемаD12 – С38,С39, микросхемаD13 – С40,С41, микросхемыD2-D7,D14 иD15 – 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 слойGND. Этот слой расположили рядом со слоем питания, чтобы уменьшить электромагнитные возмущения. Экранирующий слой был создан определенной формы (рис.42) специально подстроенной под микросхемыD10 (контроллер),D12 иD13 (драйвера ключей), в которых протекаю наиболее опасные большие токи при переключении режимов. МикросхемаD10 представляет собой мостовой быстродействующий контроллер фазового сдвига (напряжение срабатывания – 9В, максимальный ток потребления – 45mA). МикросхемыD12 иD13, каждая представляет собой двух канальный драйвер затворов МОП транзисторов высоковольтного полумоста (коммутационные токи : постоянный – 0.1А, импульсный 2,5А. Предельное напряжение 600В). Также слойGND 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. СлойGND.

Рисунок 43.Bottom (нижний слой).

  1. Анализ помех преобразователя тока БП СКВ с модифицированной платой.

Для проведения эксперимента использовался преобразователь тока БП СКВ и измерительный прибор - осциллографTektronixTDS 3054C.

Рисунок 44. ОсциллографTektronixTDS 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 истокомUзи на транзисторахVT1VT2.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. ПодGND 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 слойGND, увеличена ширина проводников питания иGND, 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.




Похожие работы, которые могут быть Вам интерестны.

1. Теория распространения электромагнитной энергии по направляющим системам

2. Улучшение кадрового потенциала фирмы

3. Улучшение финансового состояния ЗАО «ОЗНА - ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ»

4. Улучшение условий и безопасности труда на предприятии АО «ГОЗ Обуховский завод»

5. Улучшение показателей технологического процесса изготовления автомобильных стекол

6. Улучшение финансово-хозяйственной деятельности предприятия МАУ МФЦ г. Азова, Ростовской области

7. Улучшение качества обслуживания пассажиров автовокзала в области получения ими справочной информации

8. Улучшение диагностики воспалительных заболеваний верхнечелюстных пазух с помощью двухмерной ультрасонографии

9. УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЖИЗНИ ПАЦИЕНТОВ С УЧЕТОМ ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ СРЕДСТВ ПО УХОДУ

10. Расчёт цепей переменного тока