Минимизация прохождения помех от импульсного стабилизатора напряжения через линейный стабилизатор

Минимизация прохождения помех

от импульсного стабилизатора напряжения через линеиныи стабилизатор

Джим УИЛЬЯМС (Jim WILLIAMS) Перевод: Дмитрий ИОФФЕ

dsioffe@yandex.ru

Разработчики часто используют линейные стабилизаторы напряжения на выходе импульсных стабилизаторов. У такого подхода много преимуществ — лучшие стабильность, точность и быстродействие, а также меньше выходной импеданс. В идеале все эти улучшения должны были бы сопровождаться значительным уменьшением пульсаций и выбросов, порождаемых импульсным стабилизатором. На практике, однако, подавление этих пульсаций в линейном стабилизаторе вызывает некоторые трудности, особенно с увеличением частоты. При небольшой разности между входным и выходным напряжениями линейного стабилизатора эти эффекты усиливаются, что особенно печально, так как для повышения КПД эту разность надо уменьшать.

Входной фильтрующий конденсатор сглаживает пульсации на входе линейного стабилизатора (рис. 1). Выходной конденсатор поддерживает низкий выходной импеданс на высоких частотах, улучшает переходную характеристику по нагрузке и обеспечивает частотную компенсацию для некоторых типов стабилизаторов. Кроме того, он уменьшает шумы, а также помехи от импульсного стабилизатора, проникающие с входа. Влияние этих помех необходимо учитывать, так как их высокочастотные составляющие, даже с малой амплитудой, могут вызвать проблемы в схемах с повышенной чувствительностью к шумам, например, в видео- или телекоммуникационной аппаратуре. Разработчики используют множество конденсаторов, пытаясь справиться с этими помехами. Тем не менее, понимание природы этих сигналов позволяет преуспеть в этом деле.

Спектр напряжения на выходе импульсного стабилизатора

На рис. 2 показана динамическая составляющая напряжения на выходе импульсного стабилизатора. Она состоит из относительно низкочастотных пульсаций на рабочей частоте импульсного стабилизатора, обычно от 100 кГц до 3 МГц, и высокочастотных составляющих выбросов, возникающих в моменты переключений силовых ключей. Пульсации возникают из-за импульсных перераспределений энергии в стабилизаторе и коротких интервалов переключения. Фильтрующие конденсаторы сглаживают их, но не устраняют. Выбросы, которые часто содержат гармонические составляющие, простирающиеся до 100 МГц, возникают из-за очень быстрых переключений силовых элементов стабилизатора. Уменьшение частоты работы стабилизатора и замедление переключений могут значительно уменьшить

амплитуду пульсаций и выбросов, но при этом увеличиваются размеры элементов, запасающих энергию, и уменьшается КПД. Устройства, использующие этот подход, дают гораздо меньшее содержание гармоник, но имеют большие габариты и меньший КПД [1]. А высокая частота и быстрые переключения, которые позволяют использовать пассивные компоненты малых размеров, порождают высокочастотные пульсации и выбросы на входе линейного стабилизатора.

Линейный стабилизатор подавляет пульсации лучше, чем широкополосные выбросы. Для типичного линейного стабилизатора с малым падением напряжения Цс^^орои: ЬБО) ЦП763 ослабление пульсаций на частоте 100 кГц составляет 40 дБ, а на частоте 1 МГц оно падает до 25 дБ (рис. 3). Широкополосные выбросы проходят через стабилизатор. На рис. 3 представлена характеристика, показывающая, что ослабление, равное

Входное напряжение

с пульсациями и выбросами ЛИНЕЙНЫЙ Чистое выходное

от импульсного стабилизатора СТАБИЛИЗАТОР постоянное напряжение

ВХОД ВЫХОД —о

Фильтрующий _ _ Фильтрующий

конденсатор ^ 1 конденсатор

Рис. 1. Линейный стабилизатор и фильтрующие конденсаторы

на входе линейного стабилизатора

Рис. 2. На выходе импульсного стабилизатора присутствуют относительно низкочастотные пульсации и выбросы, содержащие высокочастотные составляющие

Рис. 3. Характеристика подавления пульсаций для стабилизатора LDO

40 дБ на частоте пульсаций 100 кГц, значительно падает на частоте 1 МГц. Выбросы от переключений содержат гармонические составляющие в полосе до 100 МГц, которые проходят с входа стабилизатора на его выход.

Выходной фильтрующий конденсатор, который поглощает выбросы, также имеет ограничения на высоких частотах. Неидеаль-ность характеристик стабилизатора и фильтрующих конденсаторов, пропускающих высокочастотные паразитные сигналы, дает понять, что рис. 1 слишком упрощен.

Рис. 4 содержит схему стабилизатора с некоторыми новыми компонентами и паразитными элементами, которые показаны штриховыми линиями. Характеристики реального линейного стабилизатора ухудшаются с увеличением частоты. Уменьшение усиления и ослабления пульсаций питания с увеличением частоты ограничивают подавление помех стабилизатором на высоких частотах. Пассивные компоненты ослабляют пульсации и выбросы, но их эффективность также падает с увеличением частоты. Емкость монтажа и разность потенциалов «земли» добавляют ошибку и усложняют измерения. Очень важно учитывать влияние этих элементов, потому что они способствуют проникновению пульсаций и выбросов на выход стабилизатора. Кроме того, понимание влияния паразитных элементов позволяет выбрать

стратегию измерений, облегчающую подавление высокочастотных составляющих.

Стабилизатор имеет пути распространения высокочастотных паразитных сигналов — в первую очередь, емкостные (через источник опорного напряжения и регулирующий усилитель). Это сочетается с уменьшением усиления и ослабления влияния пульсаций питания по мере увеличения частоты. Входные и выходные фильтрующие конденсаторы содержат паразитную индуктивность и сопротивление, также ухудшающие их эффективность с увеличением частоты. Паразитная емкость монтажа вносит дополнительные нежелательные пути распространения сигналов. Сопротивление и индуктивность цепи «земли» приводят к разности земляных потенциалов, которая добавляет погрешность и осложняет измерения.

В последнее время начали использовать некоторые новые компоненты, которые обычно не ассоциировались с линейными стабилизаторами. Это ферритовые бусины и индуктивности на входе и выходе стабилизатора. Эти компоненты обладают собственными высокочастотными паразитными параметрами, но они значительно улучшают подавление высоких частот (см. врезку «Правда о ферри-товых бусинах»).

Создание имитатора пульсаций и выбросов

Для изучения проблемы требуется наблюдение за реакцией стабилизатора на пульсации и выбросы при разных условиях. Исследователи должны иметь возможность независимо изменять параметры пульсаций и выбросов, включая их частоту, гармонический состав, амплитуду, длительность и уровень постоянного напряжения. Это позволяет гибко и быстро выполнять оптимизацию и анализ чувствительности разных вариантов схемы. Несмотря на то, что это не заменит исследований реальной работы линейного стабилизатора в условиях взаимодействия с импульсным стабилизатором, аппаратный имитатор уменьшает вероятность сюрпризов (рис. 5). С его помощью можно независимо устанавливать

Правда о ферритовых бусинах

Пропускание проводника через ферритовую бусину дает очень важный эффект: увеличение импеданса проводника с увеличением частоты. Это обеспечивает фильтрацию высокочастотных шумов в проводниках с постоянным током или низкочастотными сигналами. Бусина совершенно не ухудшает полосу рабочих частот линейного стабилизатора. На высоких частотах феррито-вый материал бусины взаимодействует с магнитным полем проводника, ослабляя эти частоты. Бусины из разных ферритов и с разной геометрией по-иному работают на разных частотах и при разных токах (рис. А).

Рис. А. Зависимость импеданса от частоты при разных токах для ферритовой бусины SMD показывает исключительно низкий импеданс для постоянного тока и низких частот, увеличивающийся до 50 Ом в зависимости от частоты и постоянного тока

Импеданс бусины увеличивается от 0,01 Ом на постоянном токе до 50 Ом на 100 МГц. При увеличении постоянного тока и, следовательно, постоянной составляющей магнитного поля, феррит работает менее эффективно. Обратите внимание: можно использовать последовательно несколько бусин вдоль одного проводника, пропорционально увеличивая их эффект. Для разных применений можно использовать бусины из разных материалов и разной формы.

амплитуду пульсаций, уровень постоянного напряжения, частоту, длительность и высоту выбросов. Генерируемые разными участками

, Паразитная емкость монтажа

Входное

постоянное

напряжение с

пульсациями

и пиками от

импульсного

стабилизатора

Паразитная

емкость

Ферритовая бусина или дроссель ^

Паразитные <

индуктивность и Г

сопротивление \ земли !

і Паразитный

Паразитный

Паразитный

Стабилизатор

Паразитная

емкость

Выход

Нагрузка

Ферритовая I бусина или _1_ дроссель " т “ _

^ \ Фильтрующий * конденсатор

Паразитные 1 / индуктивность '

Г1 * и сопротивление 1 земли

* Разность потенциалов земли создает ВЧ составляющую на выходе и вносит погрешность в измерения

($)-1

ч У :

о о о о с шш о™:

6 6 0 0 0 0 :

о:

А О

Наблюдение на осциллографе

Рис. 4. Схема стабилизатора с некоторыми новыми компонентами и паразитными элементами

Генератор функций

Генерирование выбросов

НР-ЗЗЮА или аналогичный & ф

8 V ^

Управление частотой и амплитудой пульсаций

Буфер/усилитель выбросов 74АНС04

Синхронный дифференциатор/

5Вгенератор

Примечания:

* 1% металлопленочный резистор 1.1 - 4 витка #26, диаметр 1/4”

РВ - ферритовая бусина РАШ-ШТЕ

2743002122

Диоды № 4148

0,01 мкФ

Пилообразное напряжение, размахом от 0,01 до 0,

Входное смещение стабилизатора, обычно от 3,3 до 3,5 В о----------

—£—II—

ение, обычно Пзо ГЪк* П

1 В р-р ^ I т

Генерирование постоянного тока и пульсаций 15В

Рис. 5. Схема, имитирующая выход импульсного стабилизатора с возможностью независимой установки параметров постоянного напряжения, пульсаций и выбросов

схемы широкополосные выбросы, пульсации и постоянное напряжение суммируются и подаются на вход линейного стабилизатора. Генератор функций формирует задающие колебания для обеих ветвей схемы.

В имитаторе используется имеющийся в продаже генератор функций в сочетании со схемой, состоящей из двух параллельных ка-

налов прохождения сигнала. Постоянная составляющая и пульсации проходят через относительно медленный канал, а широкополосные выбросы — через быстрый. Оба канала объединяются на входе линейного стабилизатора. Управляемый выход генератора функций, формирующий пилообразное напряжение (рис. 6, осциллограмма А), соединяется

Использование катушек индуктивности в качестве высокочастотных фильтров

В некоторых случаях для фильтрации высоких частот вместо ферритовых бусин можно использовать катушки индуктивности. Их преимущества — широкая доступность и лучшая эффективность на частотах ниже 100 кГц. На рис. A показаны недостатки этого метода. Это увеличение сопротивления постоянному току из-за потерь в меди, добавление паразитной шунтирующей емкос-

Паразитная Случайные емкость магнитные поля

Вывод

катушки

Вывод

катушки

Паразитное

сопротивление

Паразитное

сопротивление

Рис. А. Некоторые паразитные элементы катушки индуктивности. Паразитное сопротивление вносит падение напряжения и уменьшает КПД. Паразитная емкость дает нежелательное пропускание высокочастотных составляющих. Случайные магнитные поля наводят в катушке токи помех.

В зависимости от положения и ориентации катушки индуктивности на плате на нее могут влиять случайные магнитные поля, как бы превращая ее во вторичную обмотку трансформатора. В результате этого на пульсации и выбросы накладываются дополнительные составляющие, ухудшая качество стабилизации

ти и возможная восприимчивость к паразитному излучению импульсного стабилизатора. Потери в меди проявляются на постоянном токе, уменьшая КПД, а паразитный шунтирующий конденсатор пропускает нежелательные высокочастотные составляющие.

На рис. B показана форма индуктивного фильтра, полученного из печатного проводника на плате. Такие проводники увеличенной длины, выполненные в виде спирали или серпантина, на высоких частотах работают как индуктивности. В некоторых случаях они могут быть чрезвычайно эффективными, несмотря на большую площадь, занимаемую такой катушкой (по сравнению с фер-ритовой бусиной).

Рис. В. Проводники в форме спирали или серпантина иногда можно использовать в качестве высокочастотных фильтров, несмотря на то, что они менее эффективны, чем ферритовые бусины

с медленным каналом, который выполнен на усилителе мощности 1С1 и сопутствующих компонентах. 1С1 принимает пилообразное напряжение и постоянное смещение и питает стабилизатор во время тестирования. Индуктивность Ь1 и резистор 1 Ом обеспечивают устойчивость 1С1. Выход импульсного стабилизатора представлен временными диаграммами, формируемыми имитатором. В нем генератор функций подает сигналы на ветвь формирования пульсаций (осциллограмма А) и канал формирования выбросов (осциллограмма В). С1 и С2 формируют двуполярные импульсы из сигнала для формирования выбросов (осциллограмма С), из которых получаются синхронизирующие импульсы (осциллограммы Б и Е). Результат работы диодной схемы, поступающий на схему управления амплитудой выбросов, показан на осциллограмме Б. 01 суммирует выбросы с пульсациями и постоянной составляющей, поступающими с усилителя 1С1, формируя входной сигнал для линейного стабилизатора (осциллограмма О).

А=0,01 В/Дел В=5 В/Дел

С=2 В/Дел

0=10 В/Дел Е=10 В/Дел

р=10 В/Дел в=0,01 В/Дел

Рис. 6. Временные диаграммы, формируемые имитатором

Синхронный импульсный выход генератора функций (осциллограмма B) обеспечивает сигнал для формирования широкополосных выбросов. Усилитель ІС2 дифференцирует выходные перепады (осциллограмма С).

Его выходной сигнал поступает на двуполярный компаратор IC3A и IC3B. Выбросы на выходах компараторов (осциллограммы D и E) синхронизированы с точками перегиба пилообразного напряжения. Напряжение, поступающее на IC3A и IC3B через потенциометр 1 кОм, управляет шириной выбросов. Сигнал

с диодной схемы и параллельных логических инверторов, показанный на осциллограмме Б, поступает на схему управления амплитудой. Затем Q1 суммирует выбросы с постоянной составляющей и пульсациями, поступающими с 1С1, формируя входной сигнал для линейного стабилизатора.

Техника измерения субмилливольтовых широкополосных сигналов

Проведение надежных измерений широкополосных субмилливольтовых сигналов требует большого внимания и критического предварительного обсуждения. Планирование измерений неотъемлемо от процесса разработки плат малошумящих устройств. Продумывается протекание токов и взаимодействие разводки питания, «земляных» линий и плоскостей. Рассматривается влияние выбора и размещения компонентов. Планируется управление излучением и путь возвращения тока от нагрузки.

Даже очень тщательно изготовленный макет не может полностью помочь, если при подключении сигналов вносятся искажения. Подключение ксхе-ме играет ключевую роль для точного измерения. Измерение малых широкополосных сигналов требует внимания при трассировке линий для подключения измерительного оборудования. Необходимо продумать цепи заземления измерительных приборов, подключение питания к макету и минимизировать шумы, которые вносят слишком длинные провода.

Необходимо минимизировать количество подключений к плате и длину проводов. Широкополосные сигналы к макету и от него следует подавать через коаксиальные кабели, тщательно выбирая места подключения их оплеток к цепям «земли». Использование коаксиальных кабелей очень важно для надежности измерений.

На рис. А показан типичный вид выброса от импульсного стабилизатора напряжения, измеряемого через протяженный коаксиальный кабель. Достаточно хорошо виден сам выброс и переходный процесс после его окончания.

На рис. В изображено то же самое событие, но в случае, когда оплетка коаксиального кабеля подключена к «земляной» плоскости платы через трехдюймовый проводник. Хорошо видны искажение сигнала и затянутый переходный процесс. Чувствительность составляет 0,01 В/ деление. Более чувствительные измерения требуют пропорционально большей тщательности.

200 нс/Дел

Рис. А. Осциллограмма всплеска напряжения, наблюдаемая через протяженный коаксиальный кабель, содержит умеренные искажения и переходный процесс после окончания основного события

200 нс/Дел

Рис. B. Введение трехдюймового не коаксиального «земляного» соединения вызывает ярко выраженное искажение сигнала и затянутый переходный процесс после его окончания

Осциллограф 0,01 В/дел чувствительность по вертикали 100 мкВ/дел относительно входа усилителя

Кабель и разъемы ВМС

Исследуемый

стабилизатор

Разделительный

конденсатор

П Требуемая М нагрузка

НР461А

Усилитель

х40с1В Кабель ВМС

О О О О О

<5 <5

о о о о ОООО 8 да да

@ О М

о

50 £1 терминатор НР-11048С или аналогичный

Рис. С Широкополосный малошумящий предварительный усилитель позволяет наблюдать субмилливольтовые выбросы. Для сохранения точности измерений соединение должно быть коаксиальным

На рис. С показано применение широкополосного предварительного усилителя с коэффициентом усиления 40 дБ, который позволяет производить измерения с чувствительностью 200 мкВ/де-ление, как показано на рис. 12 основного текста. Обратите внимание на то, что все соединения — от стабилизатора через предварительный усилитель к осциллографу, включая разделительный конденсатор — выполнены только коаксиальным кабелем. Оболочка коаксиального разделительного конденсатора подключена непосредственно к «земляной» плоскости на плате стабилизатора, а центр конденсатора — к выходу стабилизатора. В схеме измерений нет не коаксиальных соединений.

На рис. D, повторяющем рис. 12, показано детальное изображение 900-милливольтового выходного выброса.

200 нс/Дел

Рис. D. Малошумящий предварительный усилитель и передача сигнала строго по коаксиальным соединениям дает возможность получить изображение сигнала с размахом 900 мкВ от пика до пика, показанное на рис. 12.

Утолщение осциллограммы на основной линии вызвано шумами предварительного усилителя

На рис. Е показано, как двухдюймовый не коаксиальный отрезок «земляного» проводника искажает вид сигнала. Для окончательной проверки точности измерений полезно повторить измерения по рис. D с изменением пути прохождения входного сигнала — например, подключить центр коаксиального разделительного конденсатора к «земле» вблизи точки измерения, как на рис. 13. В идеале не должно наблюдаться никакого сигнала. Практически допустим небольшой остаточный сигнал, вызванный, в основном, синфазными эффектами.

200 нс/Дел

Рис. Е. Двухдюймовое не коаксиальное соединение на участке измерений привело к существенному искажению сигнала

Оценка подавления высоких частот в линейном стабилизаторе

Описанное устройство (рис. 5) упрощает оценку подавления высоких частот в линейном стабилизаторе. Осциллограмма В (рис. 7) показывает реакцию стабилизатора 1Т1763 ЗУ (рис. 5) на пульсации или выбросы с осциллограммы А при входной емкости 1 мкФ и выходной емкости 10 мкФ. Пульсации

А=0,2 В/Дел

Постоянная

составляющая

3.3 В

В=0,1 В/Дел Постоянная составляющая

3.3 В

Рис. 7. Пульсации на входе (осциллограмма А) и выходе (осциллограмма В) линейного стабилизатора и размер выбросов от переключений

на выходе стабилизатора ослаблены примерно в 20 раз. Выбросы на выходе до некоторой степени ослаблены, но их гармонический состав остается значительным. Стабилизатор не увеличивает время нарастания выбросов. Эту работу должен выполнять конденсатор. К сожалению, неотъемлемые высокочастотные потери не позволяют конденсатору фильтровать широкополосные выбросы. На осциллограмме В видно, что время нарастания выбросов не изменяется. Увеличение емкости конденсатора на него не влияет. Содержимое осциллограмм на рис. 8 аналогично рис. 7, но емкость выходного конденсатора составляет 33 мкФ. Это дает пятикратное ослабление пульсаций, но почти не влияет на амплитуду выбросов.

А=0,2В/Дел Постоянная составляющая 3,3 В

В=0,01 В/Дел Постоянная составляющая ЗВ

Рис. 8. Осциллограммы, аналогичные рис. 7, но при условии, что входная емкость равна 1 мкФ, а выходная — 33 мкФ

Рис. 9 представляет собой растянутую по времени и амплитуде осциллограмму В с рис. 8. Он позволяет подробно изучить характеристики выбросов для их исследования и оптимизации. Нарис. 10 показано влияние ферритовой бусины, установленной непосредственно перед входным конденсатором. Амплитуда выбросов падает примерно в пять раз. Бусина обеспечивает ослабление на вы-

200 не/Дел

Рис. 9. Растянутая по времени и амплитуде осциллограмма B с рис. 8

200 м кВ/Дел Постоянная составляющая ЗВ

200 нс/Дел

Рис. 12. Версия рис. 11 с увеличенным усилением. Свечение от шумов вызывает утолщение основной линии

200 нс/Дел

Рис. 11. Результат установки второй ферритовой бусины на выходе стабилизатора перед выходным конденсатором

0,005В/Дел

составляющая ЗВ

200 нс/Дел

Рис. 10. Влияние ферритовой бусины, установленной непосредственно перед входным конденсатором

200 нс/Дел

Рис. 13. Заземление щупа осциллографа вблизи точки измерения уточняет результаты, приведенные на рис. 12, благодаря устранению синфазных помех

ведения измерений необходимо убедиться, что синфазная составляющая или «земляные» контуры не влияют на результат. Для этого щуп осциллографа заземляется вблизи точки измерения. На рис. 13 видно практическое отсутствие сигнала, имеющегося на рис. 12. Точные широкополосные измерения при суб-милливольтовых сигналах требуют выполнения специальных условий (см. врезку «Техника измерений субмилливольтовых широкополосных сигналов», а также [2-9]).

Литература

сокой частоте, значительно ограничивая прохождение выбросов. Постоянная составляющая и низкочастотные составляющие на входе стабилизатора не изменяются. На рис. 11 приводится результат установки второй фер-ритовой бусины на выходе стабилизатора перед выходным конденсатором. Благодаря высокочастотным характеристикам бусины ослабление выбросов ниже 1 мВ без влияния на постоянную составляющую на выходе стабилизатора. Иногда можно использовать вместо бусины катушку индуктивности, но при этом нужно учитывать присущие ей ограничения (см. врезку «Использование катушек индуктивности в качестве высокочастотных фильтров»).

Рис. 12 представляет собой версию рис. 11 при увеличенном усилении. Амплитуда выбросов составляет 900 мкВ — почти в 20 раз меньше, чем без ферритовых бусин. Для про-

1. Williams J. A Monolithic Switching Regulator with 100-V Output Noise. Linear Technology Corp, Application Note 70, Appendixes B, C, D, H, I, J. October 1997.

2. Williams J. Low Noise Varactor Biasing with Switching Regulators. Linear Technology Corp, Application Note 85, p. 4, Appendix C. August 2000.

3. Williams J. Component and Measurement Advances Ensure 16-Bit Settling Time. Linear Technology Corp, Application Note 74, Appendix G. July 1998.

4. LT1763 Low Dropout Regulator Data Sheet. Linear Technology Corp.

5. Hurlock L. ABCs of Probes. Tektronix Inc. 1990.

6. McAbel W. Probe Measurements. Tektronix Inc. Concept Series. 1971.

7. Morrison R. Noise and Other Interfering Signals. ISBN 0-471-54228-1. John Wiley and Sons. 1991.

8. Morrison R. Grounding and Shielding Techniques in Instrumentation: Fourth Edition. ISBN 1245186. Wiley-Interscience. 1998.

9. Fair-Rite Soft Ferrites. Fair-Rite Corp. 1998.