Подавление ВЧ помехи в fly-back AC-DC преобразователе. Опции

[uq.vintch]

Здравствуйте.

В настоящий момент занят разработкой AC-DC преобразователя, номинальной выходной мощностью в 70W.
Выход: 22В 3А
Вход: 100..240В

За основу взял TOP Switch HX.

В настоящее время проектируется уже вторая версия (первая имела 3 ревижина + 1 прототип) этого блока питания.
И самый тревожный для меня момент - наличие этой проклятой высокочастотной помехи, которая вызывается индуктивностью рассеивания...
Частота затухающих колебаний превышает 20 МГц, амплитуда в отдельных случаях достигала 1В.

На самом деле, нагрузке, впринципе, эта помеха не существенна. Но здесь другая проблема - у меня на БП стоит микроконтроллер, который пока что питается через линейный параметрический стабилизатор. И вот тут то начинается самое интересное.. Помеха имеет очень высокую частоту, изза этого, естесственно, стабилизатор она пролетает без каких-либо изменений. И на линии питания МК имеем 5В и пики в среднем близ 500мВ амплитудой (1В это был совсем страшный случай).

Сейчас начал всё почти с нуля. Собрал макетную печатную плату (она является именно печатной платой, разведена с учётом специфики SMPS, но имеет макетные элементы - тест-поинты, площадки под токовые петли и тому подобное), спаял. Для трансформатора установлен разъём, в который ETD29 вставляется непосредственно. Дополнительно, для начальных тестов сделан переходник под POL-30030 от Premier Magnetics.

Последняя версия трансформатора имела двухсекционную первичную обмотку и односекционную вторичку + экран поверх магнитопровода.
Сравнивая помехи на выходе между моим трансформатором и POL-30030 - разницы почти нет.
Посмотрел на выход у БП MeanWell, 12V 55W - амплитуда меньше раза в 3.

Завтра приступаю к полному расчёту трансформатора и компонент схемы, начну мотать... Пока что в голову лезет только 2 экрана поверх первички и вторички соответственно + экран поверх магнитопровода.
Бусины сегодня уже попробовал поставить, они не дали никакого эффекта. Но здесь оговорюсь. Индуктивность у бусинок близ 7мкГн. Ток насыщения - менее 1А. Поэтому (поправьте меня, если я не прав) по-идеи, при выходном токе в 3А она будет просто по-определению бесполезна...
Дополнительно попробовал взять кольцо М2000НМ, намотать на нём пару витков с большим расстоянием (чтобы минимизировать межвитковую ёмкость), получил индуктивность близ 5мкГн, впаял - разницы совершенно никакой.

И в завершении, все уже полагаю поняли в чём состоит собственно вопрос - господа, пожалуйста, если кто-то сталкивался и нашел удачные решения, прошу, поделитесь опытом. Любые идеи, как минимизировать помеху или скорректировать дизайн, чтобы получить амплитуду этой помехи ну хотябы до 100мВ... Иначе у МК здорово глючит АЦП, да и вообще както всё некрасиво...

Также, дополнительный вопрос. На предыдущих блоках была проблема - сгорали диодные мосты. Причём каждый раз летел только один мост, ну и предохранитель разве что. Вопрос - это может быть как-то связано с этой самой помехой (в высоковольтной части её амплитуда поболее будет), либо причина только в мостах. Мосты, кстати, "таблетки", непонятно чьего производства, чей предельный ток совпадает с потребляемым (упущение разработки...).

Последнее. Следующий этап развития, ещё не утврждённый, но намечаемый - сборка этого же блока, но с выходом 144В 0.35А. Пока не буду сильно затрагивать эту тему, но всёже, кто как считает, здесь будут какие-то проблемы, кроме конструкции обратной связи?

Заранее всем большое спасибо за участие, буду отписываться по мере продвижения. И буду очень признателен за любые ответы, кроме безпочвенной критики

[AlexeyW]

Если предельный ток совпадает с реальным - диоды сгорят по определению (а он, скорее всего, совпажает со средним током, а вот эффективное значение тока еще раза в полтора-два больше).
Существенный вопрос, как Вы меряете эту помеху, корректность подключения.
А если Вы грешите на поле рассеяния вокруг трансформатора - возьмите тор, а обмотки пусть занимают практически весь периметр равномерно.

[uq.vintch]

С диодным мостом я почти уверен был в ответе, но для порядка решил уточнить..
Номинальный ток моста совпадает с амплитудой; форма тока - "недоСинус", зауженные "горбушки", PFC то отсутствует..

Теперь об измерениях. Ну давайте начнём с того, что при аналогичном способе измерения на ряде других БП (подчёркиваю - не на одном) эта помеха практически отсутствует (амплитуда близ 20-40мВ). При этом же измерении на fly-back блоках, я наблюдаю эту помеху со значительно большей амплитудой чем на форвардах, но всёже в пределах 200мВ при 12В выходе (я писал, это на MW блоке).

Сама помеха на выходе представляет собой иголки с частотой появления 132кГц и шириной в наносекунды. Осциллограммы приложу, если нужно; но думаю любой кто тыкал осцем в выход флая - знает о чём речь.

Способ измерения - землю щупа на GND схемы (по выходу), tip щупа на выход "+" собственно. Без конденсаторов развязки.

Я грешу на всплеск, который появляется в момент закрытия ключа. Первичная обмотка практически не создаёт каких-либо выбросов, а вот включенная последовательно индуктивность рассеивания (речь о цепи замещения, разумеется) - она какраз выкидывает всплеск. В сочетании с межвитковой ёмкостью, получаем затухающие колебания высокой частоты. И эта самая гадость дальше разлетается по всей плате.

Только сейчас осознал, ведь амплитуда этой помехи должна быть пропорциональна коэффициенту трансформации. Но всёже есть сомнение на этот счёт - если это наведенная помеха, которая передаётся через емкостную завязку трансформатора (а при такой частоте - это вполне реально), то коэффициент трансформации не будет иметь особого значения... Я прав?

Сообщение отредактировал uq.vintch - May 25 2011, 20:18

[Microwatt]

Разве что схему - в студию. И как меряем. Странно. Обычно, при таком выходном (20-25 вольт) относительно легко милливольт 100 пульсации, ну 200. Но чтобы вольты...
А как понимать "без конденсаторов развязки"? Без конденсаторов меж землями сети и выхода? Если так - странно, что оно вообще хоть как-то работает.

[uq.vintch]

Окей, схемку оформлю, выложу. Но там ничего нового...

А как понимать "без конденсаторов развязки"?

Для измерения пульсаций выхода на щуп осциллографа рекомендуют одевать керамику+электролит небольшой - их у меня нет. Да честно говоря, не вижу особого смысла в этом; имхо - это способ скрыть проблему с глаз))

На выходе схемы, разумеется, стоит П-образный LC фильтр с емкостями 680х2 и 680 мкФ плюс с обеих сторон керамика 100нФ и 1нФ.

И так... схема.
Я не стал выкладывать целиком схему макета, чтобы не путать зря всех. Перерисовал быстренько фактическую схему, те детали, которые там сейчас впаяны.

L2 и C8 добавил ради пробы, они просто ничего совершенно не дали, никак не повлияли на выход.



Сразу оговорюсь - это макет, на стадии разработки. Обратная связь пока ещё не настроена. Завтра расчитаю трансформатор, намотаю, под него настрою ОС. В схеме этой не все детали, дальше будет добавлена цепочка soft-finish, phase-boost и ещё ряд доработок. Но всё это не меняет сути - высокочастотные "иголки". Они у меня были на всех ревижинах блока, с различными трансформаторами, схемами и различными трассировками.

Вот, собственно, проблема:



Напряжение питания 320VDC.
Выход: 21.3V
Ток: 2.98A

Канал 1 - это непосредственно выход блока. На низкочастотную осцилляцию не смотрим, её я завтра поправлю. Проблема в иголках.
Канал 2 - ток стока силового ключа. Приведен с целью отметить моменты открытия и закрытия ключа. Как видим, при открытии всплеск терпимый, что логично. А при закрытии наступает тихий ужас... Если необходимо, подгружу детальную осциллограмму "иголки", но там ничего интересного, обычный затухающий синус с частотой >20 MHz.

Канал 1 отображает фактическое напряжение (без деления), канал 2 - фактическое значение тока в соотношении 1V == 1A.

На сегодня пожалуй всё, завтра продолжу... Буду рад любым идеям

Забыл добавить.

Снаббер планируется делать RC + Zener, как и раньше. Он немного более эффективен и не так выражена проблема с нагревом супрессора. Но пока стоит один супрессор. В любом случае, снова, это не имеет никакого влияния на те самые злополучные иголки; они одинаково хороши, что при RC, что при RC+Zener, что при Zener-only снаббере.

Полоса пропускания осца 100 MHz, частота дискретизации 1 GSa.
Полоса пропускания токового щупа - 50 MHz, 7ns отклик.

[Microwatt]

Картинка вправду отвратительная по содержанию
Так а конденсаторы межземельные где же?
Обратная связь с С4 вроде должна быть, до выходного дросселя.

попутно
POL-30030 для 22 вольт - может и не самое лучшее решение.
24219, кажется, больше сбалансирован под это.
Еще стандартный вопрос: а где это такая сеть 100-240? С таким диапазоном делать сложнее, Ваша схема работать не будет. А вот зачем это вообще нужно оценивалось?

[uq.vintch]

Межземельный конденсатор забыл нарисовать. Стоит 2.2nF 2kV Y1 между HV DC "+" и Выходной GND. Если вы о нём...
К слову - его установка заметно влияет на этот шум, но видимо не достаточно хорошо.

Снаббер на выходном диоде будет стоять, но из практики - его установка почти никак не сказывается на выходе.

Обратная связь с С4 вроде должна быть, до выходного дросселя.

Да, Power Integrations рисуют везде так, но я нигде не нашёл объяснения, почему. И судя по просто здравому смыслу, поидеи, это не должно иметь никакой разницы. Завтра попробую переставить из интереса... На предыдущих версиях делал отвод, взятый до выходного дросселя, а здесь почему-то решил поумничать))

POL-30030 для 22 вольт - может и не самое лучшее решение.

Это факт. Как я сказал - сие творение, лишь макет, а POL-30030 - только для старта. Завтра расчитываю и мотаю трансформатор на 22В. На предыдущих версиях также стояли трансформаторы собственного проекта; правда расчитанные PI Expert. В этот раз основательно перекопав теорию, расчитывать буду всё самостоятельно; всякие "умные программки" к добру не приведут.

Еще стандартный вопрос: а где это такая сеть 100-240? С таким диапазоном делать сложнее, Ваша схема работать не будет. А вот зачем это вообще нужно оценивалось?

Блок питания делается для уличного фонаря, достаточно функционального, с расчётом на среднесерийное производство (план до 1000шт/месяц). Поэтому логично предусмотреть универсальное входное напряжение, как минимум из соображений маркетинга.
Предыдущие версии тестировались в диапазоне 90-240В - работали на ура, не считая шума и, как в последствие оказалось, сгорающих мостов. В самом деле, совершенно нелепая ошибка...

Добавлю, что следующим этапом планируется интеграция PFC. Отсюда всего 100мкФ ёмкости на входе. Но это уже другая история...

Microwatt, вы сказали, что достичь 100мВ вполне просто. Позволю себе предположить, что замеры были произведены со сравнительно узкой полосой пропускания.
При включении ограничения полосы до 40 МГц, я наблюдаю заметное снижение амплитуды иголок.
И в довершении, не удержался, нашел свой старый осциллограф с полосой в 10 МГц, посмотрел на выход... Чего и следовало ожидать:

Здесь шума не видно вовсе.
Если я не прав, то моё положение ещё печальнее

[stells]

Да, Power Integrations рисуют везде так, но я нигде не нашёл объяснения, почему.

по-моему после дросселя сигнал уже сильно отстает и Вы его никакой ОС не скорректируете - болтанка будет на выходе

Для измерения пульсаций выхода на щуп осциллографа рекомендуют одевать керамику+электролит небольшой - их у меня нет. Да честно говоря, не вижу особого смысла в этом; имхо - это способ скрыть проблему с глаз))

вроде писали уже много раз, что эти иголки есть, даже если ткнуться щупом в землю. т.е. это наводки на щуп, а не реальная помеха

[vao]

Здравствуйте.

В настоящий момент занят разработкой AC-DC преобразователя, номинальной выходной мощностью в 70W.
Выход: 22В 3А
Вход: 100..240В

Делал подобный.
Выша проблема может иметь следующие причины:
1. Измерения. Попробуйте подключить осциллограф от аккумулятор через обычный DC/AC. В этом случае вы полностью исключите влияние питающей сети. Развязывающий транс тоже можно использовать но это не полностью исключает проблему.
2. Замените диод 8TQ100 на ультобыстрый хотя-бы на тот же FR307 а лучше на MURD530.
3. Поставьте не большей RC снаббер параллельно вашему снабберу, по первичной сторона.

[Vokchap]

вроде писали уже много раз, что эти иголки есть, даже если ткнуться щупом в землю. т.е. это наводки на щуп, а не реальная помеха

Верно.
+ организация длинных измерительных контуров с заземлением в нескольких точках, которые дёргают возвратные токи (возможно осцилл в розетке через вилку "землится"). Дизайном платы Вы обеспечили ёмкостным токам смещения транса путь возврата через измерительные цепи, сравнимый с возвратом через проходной конденсатор (который у Вас 2.2нФ). Возможно слишком высокий импеданс участка, где стоит этот конденсатор, возможно чрезмерно большая межобмоточная ёмкость у трансформатора, возможно просто дизайн платы "кривой".

[Herz]

вроде писали уже много раз, что эти иголки есть, даже если ткнуться щупом в землю. т.е. это наводки на щуп, а не реальная помеха

+1. Это первое, что надо проверить. Эта страшная картина, как часто оказывается, в реальности не существует. Так что Ваш аналоговый скоп, вполне возможно, честнее. В пользу этого горит также и то, что столь высокочастотная пульсация на выходе БП вполне эффективно (по идее ), могла бы быть подавлена керамикой.
А что это за бусины по 7мкГн? Никогда таких не встречал.

[Microwatt]

Если включить ОС после выходного фильтра почти со 100% уверенностью можно ждать автоколебаний с частотою этого фильтра.
Там дроссель всего несколько мкГн, но емкость-то большая. Вы вводите в ОС звено запаздывания. т.е. делаете генератор.

Еще, мелкое замечание. Выходной фильтр обычно делается так, чтобы сразу после диода стояло две трети емкости, после выходного дросселя - одна треть. Это компромисс меж подавлением пульсаций и устойчивостью петли ОС. Не стоит делать фильтр из разнокалиберных электролитических конденсаторов. Да, так иногда делают с керамическими, если необходимо подавить всплески в очень широком спектре, но это в стабилизаторах на частоты в сотни кГц, где фильтр только из керамики.
Возможно, разводка вторичной стороны неоптимальна. Обычно можно обойтись без дополнительного звена с бусиной и даже керамики параллельно электролитам, или только непосредственно у выхода ее поставить.
Несколько мягче, чем сапрессор работает RC снаббер в первичке. Классический диод там- UF4007.
И еще. Если это уличный светильник, то можно было бы ожидать стабилизатор тока, а не напряжения. Что питаем, светодиоды?

[тау]

RCD снаббер в первичку. DCR клэмпер в первичку. ( Zener фтопку .) RC снаббер во вторичку.
Синфазный дроссель помехи с малой проходной емкостью (индуктивностью 1-2mH) - в сеть.
Возможно еще потребуется оптимизировать разводку платы.
выпрямитель сети - не мудрите , ставьте 1N4007 - копейки , Вам надо уже начинать экономить, хотя ТОР этого не позволит.
До выпрямителя - SQP резистор 5-10 Вт на 4,7 Ома , для снижения броска тока при втыкании и для защиты диодов.

Осциллограф с платой - на общий металлический лист, осциллограф заземлить на лист коротким жирным проводом при измерении вашей помехи.

А что это за бусины по 7мкГн? Никогда таких не встречал.

бывают и по 15 , с несколькими дырками. изврат.

[Plain]

следующим этапом планируется интеграция PFC

Тогда тем более, если у изделия изначально планировался универсальный вход из-за намерения выхода на забугор, это и должен был быть первый этап, а не то, что сейчас — без корректора оно там может уже никому и не нужно.

[uq.vintch]

Огоо.. быстро здесь отвечают))

По порядку..

stells

по-моему после дросселя сигнал уже сильно отстает и Вы его никакой ОС не скорректируете - болтанка будет на выходе

Звучит разумно, но ведь сам резисторный делитель всегда стоит после дросселя, а именно он главным образом влияет на обратную связь. Питание же диода оптрона требует просто постоянного напряжения, поэтому в сущности без разницы откуда его заводить, или я что-то упускаю?
Просто далее ещё планируется запуск на 144В и там у меня есть сумрачная идея, запитать оптрон от обмотки 5-10В, а делитель подключить к выходу 144В.

вроде писали уже много раз, что эти иголки есть, даже если ткнуться щупом в землю. т.е. это наводки на щуп, а не реальная помеха

Да, вы правы. В самом деле, имеет место.

vao

1. Измерения. Попробуйте подключить осциллограф от аккумулятор через обычный DC/AC. В этом случае вы полностью исключите влияние питающей сети. Развязывающий транс тоже можно использовать но это не полностью исключает проблему.

Блок питания работает через ЛАТР + изолирующий трансформатор. Последний правда ширпотреб, едва ли не залетает в насыщение, но ближайшими днями приедет торроид 1:1 мощностью 500W.
Тем не менее, идея с аккумулятором - это сильно) подумаю как бы попробовать, меня заинтересовал потенциальный результат

2. Замените диод 8TQ100 на ультобыстрый хотя-бы на тот же FR307 а лучше на MURD530.

Позвольте поинтересоваться, чем мотивируется это предложение? Ведь, 8TQ100 - шоттки диод, а они заведомо весьма шустрые. Да и PI Expert когда-то мне его рекомендовал. Здесь есть ещё ньюансы? В любом случае попробую FR307.

3. Поставьте не большей RC снаббер параллельно вашему снабберу, по первичной сторона.

Да, я писал, что планируется RC + Zener и просто один супрессор стоит временно. Но также я писал, что конфигурация снаббера никак не сказывается на этих иголках, практически никак (едва заметное отклонение амплитуды).

Vokchap

+ организация длинных измерительных контуров с заземлением в нескольких точках, которые дёргают возвратные токи (возможно осцилл в розетке через вилку "землится"). Дизайном платы Вы обеспечили ёмкостным токам смещения транса путь возврата через измерительные цепи, сравнимый с возвратом через проходной конденсатор (который у Вас 2.2нФ). Возможно слишком высокий импеданс участка, где стоит этот конденсатор, возможно чрезмерно большая межобмоточная ёмкость у трансформатора, возможно просто дизайн платы "кривой".

Допустим.. За исключением кривой разводки и высокой ёмкости у обмоток трансформатора (Посмотрите на форму тока по первичке, всплеска тока при открытии ключа практически нет, и это на POL30030; на моих трансформаторах (сейчас мотаю...) этот всплеск ещё меньше).
Но в таком случае не вяжется, почему на форвардах этой помехи, можно сказать, нет вовсе; на заводском флае она меньше в 2-3 раза...
И опять же, я собирал в сумме более 3 версий этого блока, каждый раз с некоторыми коррекциями схемы, трассировки и трансформатора. Проблема всегда эта присутствовала, немного изменялась амплитуда конечно, но всёже оставалась весьма существенной.

Добавлю. Если это наводка на сам щуп, то, очевидно, кто-то виноват в том, что на него она наводится) И этого кого-то нужно пристрелить. Осталось найти...
Также, во время отладки программного обеспечения, я использовал лог. анализатор с импедансом 100кОм - он точно так же регулярно ловил очень узкие импульсы, которые совпадали с иголками. Так что влиянием их очевидно нельзя принебречь. Ещё как-то можно понять щуп с импедансом 10 МОм, но 100кОм это уже не так много.

Herz

А что это за бусины по 7мкГн? Никогда таких не встречал.

В документации на них был указан только импеданс при частоте 25 и 100 МГц.
Индуктивность мерял RLC метром (Е7-22), при частоте тест-сигнала в 1кГц.
Мелкая трехвитковая бусинка, причём походу сигнальная... так что я дважды промахнулся)
Вот здесь: http://kosmodrom.com.ua/table.php?name=fer...ssel&page=0
бусинка FR3.

Microwatt

Если включить ОС после выходного фильтра почти со 100% уверенностью можно ждать автоколебаний с частотою этого фильтра.
Там дроссель всего несколько мкГн, но емкость-то большая. Вы вводите в ОС звено запаздывания. т.е. делаете генератор.

Хм, а во всех дизайнах приведеных PI делитель подключается после дросселя. К тому же, когда я настраивал ОС, колебаний небыло.
В любом случае - учту, попробую до дросселя, посмотрю что выйдет. Настройка ОС следующая за намоткой трансформатора; но это уже не в первый раз

Еще, мелкое замечание. Выходной фильтр обычно делается так, чтобы сразу после диода стояло две трети емкости, после выходного дросселя - одна треть. Это компромисс меж подавлением пульсаций и устойчивостью петли ОС. Не стоит делать фильтр из разнокалиберных электролитических конденсаторов. Да, так иногда делают с керамическими, если необходимо подавить всплески в очень широком спектре, но это в стабилизаторах на частоты в сотни кГц, где фильтр только из керамики.
Возможно, разводка вторичной стороны неоптимальна. Обычно можно обойтись без дополнительного звена с бусиной и даже керамики параллельно электролитам, или только непосредственно у выхода ее поставить.

Да, у меня ведь так и сделано - 2 штуки 680 перед дроссеем, 1 штука 680 - после. Бусинку добавил, можно сказать, методом тыка - результата ноль. Её я уберу.

Возможно, разводка вторичной стороны неоптимальна.

Вполне возмможно, но тогда немного непонятна статистика - проблема присутствовала на всех блоках, немного в разной степени. А разводка менялась от раза к разу. Разводка выполнена максимально короткой, "жирными" полигонами.

И еще. Если это уличный светильник, то можно было бы ожидать стабилизатор тока, а не напряжения. Что питаем, светодиоды?

Токовый стабилизатор будет. Но только после того, как я поправлю помеху. При стабилизации по напряжению просто проще тестировать/отлаживать.

тау

RCD снаббер в первичку. DCR клэмпер в первичку. ( Zener фтопку .) RC снаббер во вторичку.

Пишу в третьий раз, будет RCD + Zener. Супрессор только для защиты, если вдруг снаббер "промажет", чтобы сгладить всплеск.
И в очередной раз повторюсь, на выходном сигнале практически не сказывается.

Синфазный дроссель помехи с малой проходной емкостью (индуктивностью 1-2mH) - в сеть.

Стоит 12мГн. Пробовал 15, никакой разницы. Подозреваю она будет только на анализаторе спектра, когда будем пытаться попасть в IEC стандарт по шуму.

До выпрямителя - SQP резистор 5-10 Вт на 4,7 Ома , для снижения броска тока при втыкании и для защиты диодов.

Стоит и будет стоять NTC 10 Ом. Правда в предыдущих версиях небыло ни его, ни синфазого дросселя нормального - стоят на 4.7мГн.

Осциллограф с платой - на общий металлический лист, осциллограф заземлить на лист коротким жирным проводом при измерении вашей помехи.

Хм, попробую из интереса наверное, но не очень скоро, металлический лист найти нужно ещё. В любом случае, снова - на других блоках эта проблема не столь остро выражена, следовательно любые уловки подобного рода - смажут результат и скроют его с глаз... А мне то не для галочки помехи поправить нужно







Ох хренасе я написал сколько...
Спасибо всем за ответы, пойду считать/мотать. Только проснулся...
Попробую последователь некоторым рекомендациям, отпишусь что получится.

Сообщение отредактировал uq.vintch - May 26 2011, 09:41