Mikroprocesory: Filtracja Zasilania i Zasady Działania
- Szczegóły
Współczesne mikroprocesory, zwłaszcza te pracujące w trudnych warunkach zakłóceniowych, wymagają odpowiedniej filtracji zasilania. Celem takiego rozwiązania jest zapewnienie stabilnej i czystej energii, co przekłada się na niezawodne działanie układu. W niniejszym artykule omówimy zasady działania filtracji zasilania, rodzaje zakłóceń, a także metody ich eliminacji.
Zaburzenia Przewodzone w Sieci Zasilającej
Zaburzenia przewodzone w sieci zasilającej, ze względu na charakter oraz sposób ich rozchodzenia się, dzieli się na różnicowe oraz wspólne (rys. 1 i 2).
- Zaburzenia różnicowe, inaczej symetryczne (differential mode noise), występują pomiędzy dwoma dowolnymi liniami układu. W przypadku sieci jednofazowych są to przewód fazowy L oraz przewód neutralny N.
- Zaburzenia wspólne, inaczej asymetryczne (common mode noise), rozchodzą się natomiast we wszystkich liniach układu w tym samym kierunku, spływając do ziemi. Na przykład w sieciach jednofazowych płyną od przewodu fazowego L i przewodu neutralnego N do ziemi.
Zaburzenia o częstotliwościach mniejszych niż 500 kHz są zazwyczaj spowodowane przez prądy różnicowe. Na przykład w układach przekształtnikowych zaburzenia symetryczne mogą mieć znaczny poziom już w zakresie bardzo niskich częstotliwości, rzędu kilku kHz. W zakresie większych częstotliwości zaburzenia te są natomiast wynikiem procesu przełączania kluczy półprzewodnikowych.
Z kolei zaburzenia asymetryczne rozchodzą się w układach przekształtnikowych m.in. w efekcie sprzężeń pojemnościowych. Przenikanie zaburzeń wspólnych bywa także związane z składową magnetyczną pola elektromagnetycznego.
Niemożliwe jest całkowite wyeliminowanie zaburzeń przewodzonych, które rozchodzą się w sieci elektroenergetycznej. Powinno się je jednak ograniczać do wartości dopuszczalnych, przy których dane urządzenie może poprawnie funkcjonować, samo nie zakłócając równocześnie pracy innych. Przykładem takiej normy jest dokument, w którym zapisano dopuszczalne poziomy zaburzeń w przypadku urządzeń do komunikacji z wykorzystaniem sieci zasilającej niskiego napięcia. Jest to norma PN-EN 50561.
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
Filtry Sieciowe (Przeciwzakłóceniowe)
By ograniczyć zaburzenia przewodzone różnicowe i wspólne płynące z i do urządzenia oraz z i do sieci zasilającej, wykorzystuje się filtry sieciowe (przeciwzakłóceniowe). Instaluje się je między siecią elektroenergetyczną a obciążeniem. Niezbędne komponenty filtru sieciowego (dławik, kondensatory CX i CY) przedstawiono na rysunku 3.
Częścią filtrów przeciwzakłóceniowych jest dławik skompensowany prądowo. W związku z tym, że uzwojenia są nawinięte w przeciwnych kierunkach, zaburzenia różnicowe nawzajem się znoszą. W rezultacie tylko indukcyjność rozproszenia tłumi prądy różnicowe. Strumień indukowany w rdzeniu dławika jest sumą strumieni indukowanych w obu uzwojeniach. Indukcyjność każdego uzwojenia tłumi więc prądy wspólne.
Kondensatory CY tłumią zaburzenia wspólne, nie wpływają natomiast na zaburzenia różnicowe. Wartości pojemności CY są tak dobrane, żeby ich prąd upływu płynący przez przewód ochronny nie był większy od dopuszczalnych wartości określonych w normach. Filtry przeciwzakłóceniowe wyposażone są też w rezystor rozładowczy.
Filtry sieciowe można podzielić na filtry jednofazowe oraz trójfazowe. Inny sposób klasyfikacji to podział na filtry sieciowe w konfiguracji jednostopniowej oraz wielostopniowej (rys. 5).
Parametry Filtrów Przeciwzakłóceniowych
Dalej przedstawiamy najważniejsze parametry filtrów przeciwzakłóceniowych.
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
- Tłumienność wtrąceniowa: Charakteryzuje ona ich skuteczność w zakresie tłumienia zaburzeń elektroenergetycznych. Stratę niepożądanego sygnału wyznacza się, odnosząc wartość sygnału w obwodzie z filtrem sieciowym (U2) do wartości sygnału w tym samym obwodzie, ale bez filtru (U1). Charakterystyki tłumienności wtrąceniowej przedstawiane są w kartach katalogowych filtrów przeciwzakłóceniowych. Przebiegi te wyznacza się według wytycznych odpowiednich norm. Przykładem jest dokument PN-CISPR 17 pt. "Kompatybilność elektromagnetyczna - Metody pomiaru charakterystyk tłumienności biernych filtrów i elementów przeciwzakłóceniowych".
- Prąd upływu: Powstaje na skutek istnienia pojemności pasożytniczych oraz pojemności CY pomiędzy przewodami sieciowymi a obudową (przewodem uziemiającym PE). W praktyce decydujący wpływ ma suma pojemności CY. Natężenie prądu upływu nie powinno przekraczać poziomów, które określono w odpowiednich normach. Przykładowe dokumenty, w których ta wielkość została zestandaryzowana, to PN-EN 60950 pt. "Bezpieczeństwo urządzeń techniki informatycznej" oraz PN-EN 62841 pt. Wartości natężenia prądu upływu, które zamieszcza się w kartach katalogowych filtrów sieciowych, są wyznaczane w najbardziej niekorzystnych warunkach (m.in.
- Prąd obciążenia: Prąd obciążenia, który płynie przez filtr przeciwzakłóceniowy, jest zależny od temperatury otoczenia. Ten znamionowy może płynąć w temperaturze, która nie przekracza pewnej ustalonej wartości progowej. Po przekroczeniu tej wartości granicznej prąd płynący przez filtr powinien mieć natężenie mniejsze niż znamionowe, a w maksymalnej temperaturze, w jakiej filtr może być używany, powinien spaść do zera.
Filtry sieciowe dostępne są w różnym wykonaniu. Jednym z nich są filtry gotowe do zamontowania na PCB. Projektuje się je w taki sposób, by zajmowały możliwie najmniej miejsca. Innym przykładem są filtry przeciwzakłóceniowe zabudowane w złączu IEC. Ważną zaletą filtrów sieciowych zintegrowanych z gniazdem sieciowym jest możliwość umieszczenia dodatkowych przełączników i bezpieczników w jednej obudowie.
Na rysunku 6 przedstawiono schemat filtru FN406. Jest to filtr jednofazowy przeznaczony do montażu na PCB, umieszczony w kompaktowej, aluminiowej obudowie, o niskim profilu. W zależności od modelu zakres prądowy wynosi od 0,5 do 8,4 A w temperaturze najwyżej +40°C, natomiast prąd upływu w normalnych warunkach pracy od 2 do 373 µA (jeśli przewód neutralny zostanie przerwany, prąd upływu może osiągnąć podwójną wartość).
Rysunek 8 z kolei przedstawia schemat filtru FN 9222 z wtykiem IEC. Jest on dostępny w różnych wersjach, w tym medycznej (typ B, zgodny z normą IEC/EN 60601-1 do testów powierzchniowej wytrzymałości dielektrycznej, prądów upływu i wysokopotencjałowych), z obudową montowaną na zatrzask (typ S i S1), ochroną przeciwprzepięciową (typ Z) i wersją złącza Hot Inlet (typ H1). Prąd znamionowy w zależności od modelu wynosi od 1 do 20 A w temperaturze maksymalnie +50°C, a prąd upływu w normalnych warunkach pracy od 2 do 373 µA.
Projektowanie i Montaż Filtrów Przeciwzakłóceniowych
Projektowanie skutecznych filtrów przeciwzakłóceniowych nie jest łatwym zadaniem. Jednym z kluczowych zagadnień jest wybór materiału rdzenia dławika. W tym celu stosuje się rdzenie o dużej przenikalności, przede wszystkim ferrytowe. Pozwala to również zmniejszyć pojemności pasożytnicze cewek sprzężonych. Cel ten można osiągnąć przez odpowiedni sposób nawinięcia uzwojeń. W przypadku kondensatorów celem jest natomiast zmniejszenie indukcyjności pasożytniczej. Dotyczy to indukcyjności wewnętrznej i zewnętrznej. W przypadku tej drugiej osiąga się to, stosując krótkie wyprowadzenia.
O tym, czy filtr przeciwzakłóceniowy będzie skutecznie tłumił zaburzenia, decyduje, poza tym, czy został on właściwie zaprojektowany, a następnie dobrany do potrzeb aplikacji, również sposób jego montażu. Przykładowo nie powinno się umieszczać innych urządzeń między filtrem przeciwzakłóceniowym a urządzeniem, które jest źródłem zaburzeń bądź które ma być przed nimi chronione. Istotny jest ponadto sposób prowadzenia przewodów wejściowych i wyjściowych filtru - należy je układać w przeciwnych kierunkach i tak, aby nie tworzyć anteny pętlowej.
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
Dławiki w Zasilaniu Mikroprocesorów AVR
Dławiki na linii zasilającej mikroprocesory AVR pracujące w trudnych warunkach zakłóceniowych, takich jak obecność falowników, powinny być stosowane w celu ograniczenia przepływu impulsów zakłóceniowych do układu. Zaleca się eksperymentowanie z wartościami indukcyjności, typowo około 100 µH, oraz stosowanie przelotowych ferrytów tuż przed pinem zasilającym procesora.
Dławik powinien być umieszczony przed stabilizatorem 7805, a kondensatory filtrujące (np. 1000 µF i 100 nF przed 7805, 220 µF i 100 nF za nim oraz dodatkowe 100 nF przy pinie zasilającym AVR) koniecznie za dławikiem, aby uniknąć problemów z nagłymi skokami prądu. Obudowa metalowa i ekranowanie mogą dodatkowo poprawić odporność na zakłócenia.
W przypadku zasilaczy impulsowych ważne jest odpowiednie dobranie elementów filtrujących, a także rozważenie stabilizatorów impulsowych serii LM2574 lub LM2674, przy czym LM2674 cechuje się wyższą sprawnością i mniejszymi wymaganiami co do dławików. W układach z przetwornicami step-down istotne jest stosowanie ekranowanych dławików i tantalowych kondensatorów, a także właściwe projektowanie płytki PCB, aby minimalizować zakłócenia.
Kondensatory w Filtracji Napięcia
Kondensatory pozwalają oddzielać przebiegi zmienne od napięć i prądów stałych oraz rozdzielać przebiegi o różnych częstotliwościach. Czym większa częstotliwość f, tym mniejsza jest reaktancja pojemnościowa. Możemy śmiało potraktować takie filtry jako dzielniki napięcia.
Przykładowo w filtrze dolnoprzepustowym (LPF) przy bardzo małych częstotliwościach reaktancja kondensatora XC jest bardzo duża, wielokrotnie większa od rezystancji R, i możemy uznać, że kondensator ten w ogóle nie ma wtedy znaczenia - przebiegi o małych częstotliwościach przechodzą przez dzielnik (rezystor) niestłumione. Z kolei przy bardzo dużych częstotliwościach, reaktancja XC jest bardzo mała, bliska zeru. Oznacza to, że przebiegi o bardzo wysokich częstotliwościach są w filtrze LPF praktycznie zwierane do masy, a przynajmniej bardzo silnie tłumione.
Co ważne, dla każdego takiego filtru dolno- i górnoprzepustowego możemy łatwo określić jego częstotliwość charakterystyczną, graniczną. Zapamiętaj raz na zawsze: częstotliwość charakterystyczna filtru RC to częstotliwość, przy której reaktancja kondensatorów ma wartość równą rezystancji. Łatwo obliczyć częstotliwość graniczną, jednak zazwyczaj interesuje nas charakterystyka filtru w zakresie „pośrednim”, przejściowym, w pobliżu tej częstotliwości granicznej.
Charakterystyki w skali logarytmicznej są nie tylko „ładniejsze”, ale też lepiej odzwierciedlają różne aspekty naszej rzeczywistości, w tym właściwości ludzkiego słuchu czy wzroku. Dlatego w elektronice często wykorzystujemy charakterystyki w skali logarytmicznej.
W praktyce oprócz klasycznych filtrów, mamy też do czynienia po prostu z równoległym lub szeregowym połączeniem elementów RC. W tych przypadkach również interesuje nas częstotliwość graniczna, przy której reaktancja XC jest równa rezystancji R - tu też korzystamy ze wzoru f = 1 / 2πRC.
W omówionych właśnie przypadkach zjawisko magazynowania energii nie ma dla nas żadnego znaczenia - interesuje nas tylko to, że kondensator pracuje w układzie filtru. Ewentualnie co najwyżej interesuje nas reaktancja kondensatora dla najniższej częstotliwości pracy. A często nie zastanawiamy się nad reaktancją XC, stosujemy z zapasem większy kondensator i istotne jest tylko to, że kondensator przepuszcza przebiegi zmienne i oddziela obwody, gdzie panują różne napięcia stałe.
Mikrokontrolery AVR i Zasilanie
Zasilacz jest krytyczną częścią każdego projektu sprzętowego i ma bezpośredni wpływ na wydajność systemu. Większość mikrokontrolerów AVR pracuje w szerokim zakresie napięć i pobiera tyle prądu zasilającego, ile wymagają podłączone do niego urządzenia. Może to sprawiać wrażenie, że zasilanie nie jest kwestią najważniejszą, ale jak w każdym układzie cyfrowym, prąd zasilania jest wartością średnią. Prąd jest pobierany w bardzo krótkich skokach. Jeśli linie I/O są przełączające, skoki będą jeszcze większe.
Urządzenia AVR, które mają wbudowany przetwornik ADC, mogą mieć oddzielny pin analogowego napięcia zasilania, AVCC. To oddzielne napięcie zasilania zapewnia, że obwody analogowe są mniej podatne na szumy cyfrowe, które pochodzą z przełączania układów cyfrowych.
Kondensator powinien znajdować się możliwie jak najbliżej pinów zasilających sekcje mikrokontrolera. Aby poprawić dokładność przetwornika ADC, analogowe napięcie zasilające musi być oddzielnie odsprzęgnięte, podobnie jak cyfrowe napięcie zasilania. AREF również musi być odsprzężone. Typowa wartość kondensatora wynosi 100 nF.
Jeśli obecna jest oddzielna masa analogowa (AGND), masa analogowa powinna być oddzielona od masy cyfrowej, tak aby masa analogowa i masa cyfrowa były oddzielone.
Filtry EMI w Systemach Ładowania Pojazdów Elektrycznych
W kontekście elektryfikacji pojazdów, filtry EMI odgrywają kluczową rolę w systemach ładowania pokładowego. Filtr EMI, zwany również filtrem tłumiącym EMI, wyłapuje szumy pochodzące z sieci i chroni przed szkodliwym wpływem zakłóceń elektromagnetycznych. Filtry te usuwają niepożądany prąd dostarczany przez przewody lub kable, jednocześnie umożliwiając swobodny przepływ prądu o pożądanych parametrach.
Filtry EMI zawierają kondensatory X i Y oraz dławiki trybu wspólnego. W zależności od technologii, dławiki trybu wspólnego w filtrach EMI muszą przenosić wysokie prądy, o wartości 35A lub więcej. Zazwyczaj stosuje się tutaj cewki indukcyjne MnZn. Ze względu na wysoki zakres temperatur pracy, wynoszący 150°C dla serii YAGEO Common Mode Choke SC, mogą one przenosić duże prądy przy niskich stratach. W zależności od wymagań klienta, dostępna jest wersja pozioma, niskoprofilowa lub pionowa, która zajmuje mniej miejsca na płytce.
Korekcja Współczynnika Mocy (PFC)
PFC kompensuje różnice mocy spowodowane przesunięciem częstotliwości. Na etapie tym niezbędne jest zastosowanie kondensatora łącza DC do stabilizacji napięcia wyjściowego PFC DC, a cały etap można podzielić na dwa główne kroki: sam stopień PFC, po którym umieszczony jest kondensator DC Link.
Stopień PFC wykonuje funkcję wykrywania prądu, którą można zrealizować za pomocą rezystorów lub boczników wykrywających prąd. Seria YAGEO Shunt oferuje szeroki zakres rozmiarów i rezystancji obudowy z mocą do 36W. Dzięki swojej konstrukcji niektóre serie mogą pracować nawet w temperaturze 275°C.
Cewka indukcyjna PFC o dużej mocy jest najważniejszą częścią etapu PFC. YAGEO oferuje szeroką gamę cewek indukcyjnych firmy Pulse Electronics. Na etapie PFC potrzebne są również kondensatory ceramiczne, które mogą być idealną opcją dla spełnienia wymagań odnośnie częstotliwości w technologii Wide Band Gap.
Drugim ważnym komponentem jest kondensator DC Link. Do wyboru są trzy różne technologie kondensatorów: elektrolityczne aluminiowe, foliowe lub ceramiczne.
Aluminiowe kondensatory elektrolityczne obejmują szeroką gamę produktów do 1000µF i nadają się do wysokich prądów tętnienia. Seria YAGEO ALA to produkt Snap-In THT o wysokiej odporności na wibracje do 20G i długiej żywotności, sięgającej 10 000 godzin i więcej w maksymalnej temperaturze pracy. W wersji prostokątnej YAGEO oferuje pierwszą na rynku serię ALR o idealnej wydajności wolumetrycznej i zdolności wibracyjnej do 40G.
Seria kondensatorów foliowych DC Link C4Ax THT jest również dostępna w szerokim zakresie do 210µF i z produktami wysokotemperaturowymi do 125°C lub w razie potrzeby do 135°C. YAGEO oferuje produkty specjalnie zaprojektowane do pracy w trudnych warunkach, oferując wysokie prądy tętnienia i zakres wysokiego napięcia powyżej 1000V.
Jako kondensator łącza DC można też wybrać kondensatory ceramiczne wykonane w technologii SMT. Można wybrać albo zespół kondensatorów składający się z wielu kondensatorów MLCC, albo pojedynczych układów scalonych, takich jak seria KC-Link, pierwszy na rynku MLCC klasy 1 dla prądów do 15A. Szczególnie w przypadku wysokich temperatur pracy lub zastosowań wymagających wysokiej częstotliwości może to być najlepsze rozwiązanie. W przypadku konieczności oszczędności miejsca na płycie, YAGEO oferuje unikalną technologię KONNEKT, łączącą maksymalnie 4 MLCC z kondensatorem ułożonym w stos w procesie przejściowego spiekania w fazie ciekłej (Transient Liquid Phase Sintering Process). Technologia ta pozwala na zaoszczędzenie 75% miejsca na płytce i tyleż samo czasu na montaż w technologii P&P.
Etap Rezonansowy i Filtr Wyjściowy
Etap rezonansowy to w istocie filtr rezonansowym LLC, w razie potrzeby wykonany z izolacją galwaniczną. Jako kondensator tłumiący zazwyczaj można zastosować jeden lub więcej kondensatorów ceramicznych połączonych równolegle i/lub szeregowo. Kondensatory foliowe YAGEO serii R75 lub R76 osiągają wysokie wartości pojemności do 33µF, napięcia do 2000V i zakresy temperatur do 125°C.
Końcowy etap filtra wyjściowego prowadzący do wewnętrznego zasilacza samochodu kontroluje parametry całego pokładowego systemu ładowania (On-Board Charging Systems, OBC). Zazwyczaj na tym etapie stosowana jest cewka indukcyjna filtra trybu różnicowego.
Podsumowanie
Filtracja zasilania odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu stabilnej i niezawodnej pracy mikroprocesorów oraz innych układów elektronicznych. Wybór odpowiednich komponentów, takich jak filtry sieciowe, dławiki i kondensatory, oraz właściwe ich zastosowanie, pozwala na skuteczne minimalizowanie zakłóceń i optymalizację działania systemów elektronicznych.
| Parametr | Opis | Znaczenie |
|---|---|---|
| Tłumienność wtrąceniowa | Skuteczność w tłumieniu zaburzeń | Im wyższa, tym lepsza redukcja zakłóceń |
| Prąd upływu | Prąd płynący przez przewód uziemiający | Musi być zgodny z normami bezpieczeństwa |
| Prąd obciążenia | Maksymalny prąd płynący przez filtr | Zależy od temperatury otoczenia |
tags: #mikroprocesory #filtracja #zasilania #zasady #działania
