Аннотация
В статье рассматриваются основные требования к электромагнитным помехам и изменению напряжения при переходных процессах, которые предъявляются к системам специального назначения, использующим импульсные источники питания (SMPS). Особое внимание уделяется основным условиям при подавлении электромагнитных помех и переходных колебаний, а также методам по обеспечению соответствия стандартам.
Введение
Инженеры разработчики электронной техники сталкиваются с различными проблемами, связанными с изменением напряжения в переходном процессе и устранением электромагнитных помех. При недостаточном контроле возникновения электромагнитных помех может привести к наложению их на полезный сигнал, что в свою очередь приводит к возникновению нежелательного шума в коммуникационном или компьютерном оборудовании, а также к ложному срабатыванию и неправильным показаниям в цепях сенсорных датчиков.
Дополнительно к сигналам, которые могут вызвать наложение помех, при нормальной работе оборудования могут возникать изменения напряжения, связанные с переходными процессами на входных клеммах оборудования. Изменения напряжения в переходном процессе определены в соответствующих отраслевых стандартах и рассчитываются с учетом конкретных условий, в которых используются различные классы оборудования. Например, требования к наземному оборудованию отличаются от требований к летному бортовому оборудованию.
Одна из задач инженера-разработчика — своевременная корректировка схемы для снижения электромагнитных помех и изменения напряжения в переходном процессе в разрабатываемом оборудовании, к которому предъявляются требования, определяемые потребителем.
Промышленное и телекоммуникационное оборудование, а также устройства электроники для транспортных средств подвержены воздействию помехам разного рода, перемещающимся по цепям электропитания, они способны создавать огромное количество проблем вплоть до выхода из строя приборов. Для избегания подобных случаев, нужно предусмотреть соответствующие меры защиты. Средства и методы борьбы с помехами в цепях питания промышленного или телекоммуникационного оборудования, мало чем отличаются. Одной из более агрессивных сфер применения электронных приборов является система электроснабжения транспортных средств.
Так для военных наземных транспортных средств министерством обороны США (Department of Defense - DOD) рекомендуется использовать редакцию стандарта MIL-STD-1275E, в котором регламентируются характеристики систем энергоснабжения постоянного тока номинальным напряжением 28 В. Цель стандарта - описать общие для всех военных наземных транспортных средств номинальные характеристики систем электроснабжения напряжением 28 В постоянного тока.
В данном стандарте регламентируются предельные значения рабочего напряжения и параметры импульсов перенапряжения для запитываемого оборудования, подключенного к системе электроснабжения военных транспортных средств.
На рис. 1 показано изменение рабочего напряжения при запуске двигателя транспортного средства. Кратковременные импульсы перенапряжения возникают в результате выброса предварительно запасенной электромагнитной энергии в реактивной нагрузке. Также в процессе работы разных электронных и электромеханических устройств (электродвигателей, генераторов, и т. п.) могут возникать кратковременные выбросы напряжения. В стандарте MIL-STD-1275E кратковременные выбросы перенапряжения в зависимости от их длительности и запасенной энергии подразделяются на voltage spike и voltage surge. Voltage spike - импульсы напряжения длительностью 1 мс с максимальной энергией одиночного импульса до 2 Дж.
На рис. 2 изображены параметры амплитуды и длительности импульсов типа voltage spike.
Voltage surge - импульсы напряжения длительностью более 1 мс и максимальной энергией одиночного импульса до 60 Дж. На рис. 3 можно увидеть параметры амплитуды и длительности импульсов типа voltage surge.
Положительный скачок напряжения - это положительный переходный процесс, который превышает номинальное подаваемое напряжение. Это может произойти при внезапном отключении сильноточной или индуктивной нагрузки. Наиболее распространенное явление скачка положительного напряжения, или «сброс нагрузки генератора переменного тока», возникает, когда генератор работает для зарядки частично или полностью разряженных батарей, и соединение с положительной клеммой аккумулятора внезапно прерывается. Генератор переменного тока не может мгновенно уменьшить свою мощность, чтобы компенсировать внезапную потерю нагрузки, поэтому энергия, поступающая в течение этого периода стабилизации, распределяется по системе электропитания. Положительный всплеск (VPEAK) с коротким временем нарастания (tRISE) и длительным экспоненциальным затуханием генерируется больше номинального напряжения батареи системы (VNOM) и длится в течение заданного времени (tWIDTH), пример такого выброса напряжения приведен на рис. 4.
Требования к уровню электромагнитных помех
Для ограничения электромагнитных помех, которые инжектируются самим вспомогательным источником питания в общую сеть, широко используют стандарты MIL-STD-461C/D/E/F/G (ГОСТ В 25803-91). Цель стандарта предвидеть проблемы, которые могут возникнуть, если электронные помехи одного компонента оборудования будут оказывать негативное воздействие на работу другого оборудования. А главной функцией является определение общей методики тестирования, воспроизводимой в любой лаборатории. Данный стандарт устанавливает ограничения, представленные на рис. 5.
Чтобы обеспечить соответствие требованию CS101 стандарта MIL-STD-461G по восприимчивости к кондуктивным помехам, на входах систем питания электронного оборудования устанавливаются фильтры электромагнитных помех с демпфирующими элементами. Риск несоответствия испытанию этого вида чаще всего возникает в диапазоне средних частот вблизи частоты среза фильтров электромагнитных помех (как правило, 1–10 кГц), где наблюдаются максимальные значения АЧХ. В соответствии с заданными ограничениями характеристик для определенного типа устройств, используются различные типы фильтров. Они должны обеспечивать стабилизацию импеданса в системе, включающей сеть и стандартизированную сборку, и гарантировать работу в пределах заданных лимитов во всех частотных диапазонах. Подобные фильтры часто оказываются сложными и дорогостоящими устройствами. Независимо от того, было ли использовано моделирование для оптимизации электромагнитной совместимости всей системы или нет, показатели EMC должны быть проверены индивидуально для каждого исполнения. Оптимизация фильтров подразумевает обеспечение высокоимпедансных путей распространения шумовых токов за счет избирательно блокирующих цепей, а так же создание низкоимпедансных цепей короткого замыкания шумовых токов с помощью селективных фильтрующих цепей.
Итогом работы является выводы о относительно правильности проектирования системы питания, представляющую собой комбинацию входного фильтра и силового преобразователя.
Традиционные до недавних пор средства защиты оборудования от перенапряжений в цепях электропитания были основаны, главным образом, на применении пассивных компонентов: плавких и самовосстанавливающихся предохранителей, газоразрядников, варисторов, катушек индуктивности, конденсаторов, диодов и стабилитронов. Сравнительно недавно начали активно использоваться мощные полупроводниковые ограничители напряжения, так называемые супрессоры или TVS-диоды (TVS-Transient Voltage Suppressor) с пиковой мощностью от сотен ватт до 6–8 кВт.
Ограничитель напряжения на базе TVS-диода имеет большой разброс напряжений пробоя и ограничения, что обусловлено малой крутизной обратной ветви вольт-амперной характеристики, вследствие чего при увеличении протекающего через него тока увеличивается и падение напряжения на диоде.
Недостаток применения предназначенного для защиты от переполюсовки стандартного высоковольтного диода — сравнительно большое падение напряжения (0,5–1,0 В) и, соответственно, увеличенная потеря мощности. Замена диода MOSFET-транзистором может снизить падение напряжения до 60…200 мВ, в зависимости от величины протекающего тока. Это особенно важно при больших нагрузках и в приложениях, для которых нежелательно снижение напряжения питания даже на небольшую величину.
Варисторы имеют значительный ток утечки и непродолжительный срок службы, и, кроме того, их характеристики изменяются в процессе эксплуатации и с течением времени. На рис. 6 приведен возможный вариант подключения пассивных компонентов, применяемых для защиты от выбросов напряжения. Пример реализованного устройства на данных принципах показан на рис.7. Использование пассивных дискретных компонентов для защиты от выбросов напряжения имеет ряд недостатков. Альтернативой может быть применение активной защиты на основе интегральных схем. Подобное решение как раз и разработано нами.
Компания НПО Энергетическая электроника начала выпуск 6 амперного активного фильтра для применения в условиях сильных электрических помех. Модуль VFPC06 разработан для защиты DC/DC-преобразователей от импульсов перенапряжения, всплесков и пульсаций напряжений, которые обычно имеются в электрической системе любой специальной платформы, такой как летательный аппарат или транспортное средство. Фильтр соответствует требованиям стандарта MIL-STD-1275A-D без применения дополнительных компонентов. В системах могут применяться стандартные DC/DC-преобразователи для промышленных применений, без риска быть повреждёнными импульсами перенапряжений и помехами. Диапазон входных напряжений 10...45 В постоянного напряжения. Выходное напряжение отслеживается и ограничивается на уровне ниже 44 В, функциональная схема изображена на рис.8.
Модуль VFPC06 характеризуется низкими потерями, а активная защитная схема на основе MOSFET-транзисторов обеспечивает защиту от переполюсовки входного напряжения. Подключенная система защищена от некорректных потенциально опасных питающих напряжений. Функция дистанционного включения/выключения позволяет дистанционно отключать модуль питания, подключенный последовательно с модулем фильтрации, если требуется.
Размеры модуля 58.8x30.8x10.3 мм. В настоящее время не существует других модулей активных фильтров с такими габаритами, отвечающих требованиям MIL-STD1275A-D и MIL-STD-461C/D/E/F с нагрузочной способностью 6А.
Данный фильтр подключается к модулю электропитания согласно рис 9.
Заключение
Система питания с использованием VFPC06, отвечающая требованиям стандарта MIL-STD-461 к уровню помех, обеспечивает хорошее подавление шума во всем спектре частот при тестировании. В качестве примера на рис.10 измеренная АЧХ работы модуля VDMC50 совместно с фильтром VFPC06.
Большинство фильтров и преобразователей разработанных НПО Энергетическая электроника обеспечивает хорошее подавление сигнала на низких и высоких частотах, не требуя дополнительных усилий со стороны разработчика.
При реализации требований стандарта MIL-STD1275A-D по восприимчивости оборудования специального назначения к наведённым помехам необходимо выбрать соответствующий фильтр. Компания НПО Энергетическая электроника предлагает широкий ряд фильтров, специально предназначенных для систем электропитания, которые должны соответствовать требованиям стандарта MIL-STD-461 и не только.
Литература
1. 72V, Overvoltage-Protection Switches/Limiter Controllers with an External MOSFET. MAX6495-MAX6499. — Maxim Integrated Products, 2009 (www.maxim-ic.com).
2. Ultra-Small, Overvoltage Protection/Detection Circuits. MAX16010-MAX16014. — Maxim Integrated Products, 2008 (www.maxim-ic.com).
3. International Standard ISO 7637-2. Part 2: Electrical transient conduction along supply lines only. Second edition 2004-06-15.
4. By Soo Man (Sweetman) Kim. Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection. — Vishay, 2010 (www.vishay.com).
5. Виктор Охрименко технический консультант НПФ VD MAIS “Выбросы напряжения в цепях электропитания: проблемы и решения» Электронные компоненты №4 2011 г. 39-44 стр.
6. Department of Defense. MIL-STD-461F, CS101 Detailed Requirement & Appendix A. 2007.
7. MIL-STD-1275E. Characteristics of 28 volt DC input power to utilization equipment in military vehicles
(http://everyspec.com/MIL-STD/MIL-STD-1100-1299/MIL-STD-1275E_45886)
