Решение от Rohde & Schwarz для моделирования измерения кондуктивных помех
Применение моделирования значительно экономит время при разработке фильтров электромагнитных помех для преобразователей постоянного тока. Результаты моделирования могут существенно отличаться для разных инструментов, если имитационные модели не являются точными или учитывают не все компоненты. Для оценки эффективности модели фильтра электромагнитных помех необходимо обязательно проводить аппаратные измерения.
Дано: измерительная задача
Проведение измерений невозможно до тех пор, пока в процессе разработки не будет создан первый аппаратный прототип разрабатываемого изделия. Поставщики микросхем управления для источников питания предлагают разработчикам различные инструменты проектирования фильтров электромагнитных помех (ЭМП), которые помогают им получить первые результаты до создания оборудования. Однако, на практике имитационная модель всегда отличается от реального аппаратного воплощения. Поэтому для проверки точности модели разработчикам необходимо выполнять измерения на оборудовании. Для этого требуются подходящие измерительные инструменты.
За последние несколько десятилетий количество доступных в Интернете бесплатных инструментов моделирования источников питания от разных производителей микросхем резко увеличилось. Эта тенденция дает разработчикам источников питания возможность получить более глубокое представление о своих инженерных решениях до того, как будет доступен первый прототип для проведения измерений. Такой подход гарантирует, что исследователи получат достаточно полное представление о различных аспектах решения еще на ранних стадиях разработки. Они смогут убедиться в правильности выбора инженерного решения, что, скорее всего, приведет к получению более надежного изделия. Кроме того, подход с использованием моделирования помогает сократить цикл разработки.
Расчет потерь мощности, моделирование контура управления и переходных процессов при изменении нагрузки — это лишь некоторые функции, которые предлагают инструменты моделирования источников питания. Бесплатная программа LTpowerCAD® II Design Tool от компании Analog Devices — это один из наиболее часто используемых инструментов проектирования на рынке. Помимо вышеупомянутых функций, этот инструмент может моделировать кондуктивные помехи в источниках питания. Он предоставляет возможности для разработки и оптимизации входных фильтров ЭМП до появления аппаратного прототипа.
Когда разработчики используют для этой цели инструменты моделирования, очевидно, что надежность результатов зависит от точности имитационной модели. Здесь разработчики должны пойти на некоторый компромисс между точностью модели и скоростью расчета, чтобы быстро и эффективно получить результаты. Учитывая, что результаты моделирования не могут охватить реальность во всех ее аспектах из-за ограниченной точности модели, важно понимать, насколько велико отклонение результатов моделирования от результатов измерений.
Это отклонение имеет место всегда, поэтому необходимо проверять имитационные модели с использованием подходящего контрольно-измерительного оборудования, как только появится первый прототип.
Решение: новый осциллограф R&S RTO6
Осциллограф серии R&S RTO6 с мощной многоканальной функцией расчета БПФ, эквивалентом сети (LISN) и опорной пластиной заземления обеспечивает требуемую точность измерений кондуктивных помех, результаты которых затем используются как эталон для сравнения имитационных моделей с аппаратной реализацией. Кроме того, это решение способно разделять синфазные и дифференциальные помехи. Это позволяет напрямую сравнивать результаты оценки кондуктивных помех, полученные путем моделирования и измерения. Эта особенность очень важна, поскольку инструменты моделирования обычно выдают результаты только для дифференциальных помех.
Измерительная схема
Измерительная схема представлена на рисунке 1. Она состоит из двухпроводного эквивалента сети (LISN), осциллографа с функцией многоканального расчета БПФ и подходящей опорной пластины заземления.
Рис.1 Схема разделения синфазных и дифференциальных кондуктивных помех
Для измерения кондуктивных помех и отделения синфазных помех от дифференциальных в источнике питания требуется эквивалент сети с двумя измерительными портами. В качестве альтернативы можно использовать два идентичных однопортовых эквивалента сети. Два коаксиальных выхода эквивалента сети должны быть подключены к осциллографу с помощью коаксиальных кабелей, а в осциллографе для обеспечения соответствующего согласования необходимо вклю-чить входное сопротивление 50 Ом. На осциллографе необходимо выполнить следующие действия для измерения спектра кондуктивных помех:
1. Выберите два БПФ и настройте минимальную и максимальную частоту, а также полосу разрешения
2. Для БПФ выберите следующие уравнения:
– Канал1 + Канал2 для синфазных помех (СП)
– (Канал2 – Канал1)/2 для дифференциальных помех (ДП)
3. Настройте чувствительность по вертикали во временной области так, чтобы входные каналы не перегружались при включении испытуемого устройства (ИУ).
4. Выключите питание испытуемого устройства и выполните эталонное измерение для определения минимального уровня шума установки, чтобы отличить его от помех, исходящих от испытуемого устройства.
5. Снова включите источник питания и выполните измерение. Проверьте соответствие результата известным ограничениям кондуктивных помех для ИУ. При этом следует учитывать дополнительное ослабление, вносимое эквивалентом сети. В следующем примере для всех результатов предполагается, что вносимое эквивалентом сети ослабление равно 10 дБ.
Пример применения
Для измерительной установки была выбрана демонстрационная схе-ма (DC3042A) от Analog Devices с понижающим преобразователем постоянного тока LTC3310. На плату подается входное напряжение 5 В, выходное напряжение составляет 1,2 В. Выход нагружен рези-стором подходящего номинала для получения постоянного тока 6 А. Преобразователь настроен на работу с частотой коммутации 2 МГц. Плата имеет синхронную понижающую (synchronous buck) топологию с очень низким уровнем ЭМП. Эта схема была скопирована в файл моделирования, чтобы максимально точно отразить аппаратную конфигурацию для точного моделирования схемы с помощью инструмента проектирования LTpowerCAD® II Design Tool.
Кроме того, был создан еще один файл моделирования, который был загружен в инструмент LTspice® от Analog Devices, чтобы оценить альтернативный механизм моделирования, дающий пользователям больше свободы, например в отношении определения паразитных компонентов.
Моделирование
На рис.2 показано окно настройки конфигурации входных компонентов, включая компоненты входного фильтра ЭМП («Компоненты входного фильтра ЭМП и структура входа»). Встроенная библиотека, содержащая различные компоненты от разных поставщиков, помогает пользователю выбрать нужные компоненты. Если компонент недоступен, пользователь может задать его свойства вручную. После настройки пользователь может сразу же получить первые результаты моделирования, запустив процесс расчета нажатием кнопки Update (Обновить).
Рис.2 Компоненты входного фильтра ЭМП и структура входа
Полученный в результате моделирования спектр кондуктивных помех показан на рис.3 «Моделирование кондуктивных помех (LTpowerCAD® II Design Tool). Кроме того, можно выбрать предельные линии в зависимости от того, какую спецификацию ЭМП необходимо использовать разработчику.
Рис.3 Моделирование кондуктивных ЭМП (LTpowerCAD® II Design Tool)
В дополнение к графику ЭМП инструмент обеспечивает график затухания и полного сопротивления для фильтра ЭМП, отражающий другие важные аспекты, которые необходимо учитывать при оптимизации конструкции фильтра с точки зрения стабильности. Инструмент LTpowerCAD® II Design Tool помогает пользователям получить много ценной информации, но он также имеет и некоторые ограничения, которые необходимо учитывать:
- Часть этого инструмента, отвечающая за моделирование фильтра ЭМП генерирует заданную структуру или схему, но имеет ограниченные возможности по построению более сложных структур. Например, пользователи могут добавить только ограниченное число высокочастотных керамических развязывающих конденсаторов с разными номиналами в любой точке схемы.
- Невозможно задать параметры паразитных компонентов на печатной плате.
LTspice® помогает пользователям лучше понять поведение их схем при воздействии ЭМП, однако он требует больших усилий и знаний для задания параметров всех нужных компонентов, и для моделирования требуется больше времени.
Измерение
Измерение кондуктивных ЭМП с компонентами, использованными в модели, было выполнено на отладочной плате. Для прямого сравнения измеренного спектра и спектра, полученного путем моделирования было применено разделение синфазных и дифференциальных помех. На рис.4 представлен скрин экрана «Результаты измерения кондуктивных ЭМП» - дифференциальные помехи показаны в верхней части окна, а синфазные — в нижней. В этой схеме спектр синфазных помех не играет большой роли, однако он может быть источником ценной информации в других схемах (например, схеме с изолированным выходом источника питания), которая может помочь создать оптимизированный фильтр электромагнитных помех.
Рис.4 Результаты измерения кондуктивных ЭМП (нажмите на картинку для увеличения)
Отклонение результатов моделирования от результатов измерений
Чтобы упростить задачу, отклонение результатов моделирования от результатов измерений (см. рис.5) было определено только на основной частоте данного импульсного преобразователя. В качестве основной частоты коммутации была выбрана 2 МГц. Кроме того, моделирование было выполнено с фильтром ЭМП и без него.
Для инструмента LTpowerCAD® II Design Tool в приведенной таблице на рис.5 показано отклонение от результатов измерений примерно на 10 дБ в любом из случаев, то есть с фильтром ЭМП и без него.
Рис.5 Сравнение результатов, полученных с помощью LTpowerCAD® II Design Tool, LTspice® и путем измерений
Этот расхождение в основном связано с тем, что на смоделированной печатной плате не было паразитных компонентов и высокочастотных развязывающих конденсаторов. Паразитные компоненты, такие как последовательная индуктивность и последовательное сопротивление, присутствующие в любом конденсаторе схемы моделирования, оказывают значительное влияние на ЭМП, особенно на высоких частотах.
Инструмент LTspice® дает лучшие результаты, поскольку смоделированная схема более точно отражает реальную отладочную плату. Однако для описанного здесь случая моделирования соответствующие компоненты печатной платы не были включены в модель и остались неизвестными, поэтому также предполагалось наличие небольшого отклонения.
Механизм моделирования инструмента LTspice® имеет склонность к колебаниям, если для реактивных элементов, таких как катушки индуктивности и конденсаторы, не предусмотрено надлежащее демпфирование. Это необходимая задача тонкой настройки, которая требует некоторого опыта со стороны пользователя для получения стабильных результатов моделирования.
С другой стороны, такой инструмент моделирования, как LTspice®, поддерживает более сложные модели, так как позволяет определять электрические цепи с любыми паразитными компонентами. Если разработчики приложат больше усилий для определения наиболее подходящих паразитных составляющих, а также увеличат время моделирования, этот инструмент может предоставить значительное преимущество.
Заключение
- Как показывают результаты, моделирование кондуктивных помех может оказаться большим подспорьем для разработчиков при оценке их проектных решений с точки зрения влияния кондуктивных помех на ранних стадиях разработки — даже до того, как будет доступен первый прототип.
- Важно, чтобы результаты моделирования должны быть проверены на соответствие результатам измерений, как только будет готов первый аппаратный прототип. Только это даст разработчикам полную картину и понимание, а также уверенность в своих разработках, которые позволят им приступить к дальнейшим шагам.
- Измерительное решение от компании Rohde & Schwarz основано на продвинутых технических возможностях нового осциллографа R&S RTO6 с поддержкой многоканального БПФ, а его высокая точность гарантирует, что результаты моделирования будут подтверждены при создании первого прототипа.
*При подготовке статьи были использованы следующие материалы:
- © Rohde & Schwarz; Кондуктивные помехи в преобразователях постоянного тока – моделирование и измерение (2021).
*Дополнительные материалы по теме:
*При подготовке статьи были использованы следующие материалы:
- © Rohde & Schwarz; Быстрый анализ спорадических ошибок с помощью функции сегментированной памяти и архива (2021).
