Все современные компьютерные блоки питания являются импульсными. Это связано с их большим КПД, малой массой и размерами при одинаковой мощности в сравнении с традиционными, линейными источниками питания.

Разница в размере трансформаторов одинаковой мощности, но работающих на низкой (50-60 Гц) и высокой частотах (десятки-сотни КГц):

В них производится преобразование высокого переменного напряжения (220-230 вольт с частотой 50-60 Гц) в низкое постоянное номиналом 3.3, 5 и 12 вольт.

При работе ИБП используется прерывистая работа силовых ключей с частотой в несколько десятков или сотен килогерц:

Осциллограма тока на силовом транзисторе современного ИБП с активной коррекцией фактора мощности:

При работе компонентов БП в импульсном режиме неизбежно возникают электромагнитные импульсы, мешающие работе радиоприемников и других устройств, использующих радиоволны. Мощные помехи возникают не только на частоте работы ШИМ-контроллера, но и на множестве других частот (гармоник):

Из-за этого в эфире неподалеку от импульсного блока питания происходит беснование появляется множество помех в широком диапазоне частот, неблагоприятно воздействующих на радиоприем (150kHz ~ 30MHz).

Учитывая одновременную работу множества дешевых импульсных источников питания (светодиодные лампы, зарядные устройства телефонов и т.д.) в ограниченном пространстве, в городе сейчас очень сложно использовать коротковолновую радиосвязь, а также принимать радиостанции в КВ, СВ, ДВ-диапазонах.

Дешевая зарядка, вообще не имеющая элементов, фильтрующих ВЧ-помехи:

В конвертере ИБП наибольшее количество помех создают силовые ключи в момент работы с высоковольтной частью схемы ИБП:

Для уменьшения излучающих/антенных свойств источника питания нужно:

• максимально уменьшать размеры участка платы с компонентами, работающими в связке с ключевыми транзисторами;
• экранировать наиболее излучающие чаасти схемы и весь блок питания;
• использовать активные и пассивные фильтры.

Место входного фильтра на блок-схеме типового импульсного источника питания:

Фильтрация ВЧ-помех во входном фильтре импульсного блока питания

Фильтрация помех осуществляется за счет гашения паразитного высокочастотного сигнала с помощью гасящих индуктивностей (дросселей) и конденсаторов (Input Filters справа внизу):

Хорошую эффективность дает фильтрация за счет одновременного включения катушки индуктивности и конденсатора в качестве отсекающего помеху (на частоте резонанса) колебательного контура:

Простейший пассивный фильтр, приведенный на схеме выше, способен понизить уровень помех на 12dB (в 15 раз по мощности) на резонансной частоте.

Двухсекционный фильтр ослабляет уровень ВЧ-помех на примерно 90 децибелл, делая их практически незаметными:

Типовая схема входного фильтра импульсного блока питания:

Конденсаторы, использующиеся в качестве фильтрующих, должны иметь как можно меньшие ESR и ESL, так как из-за них в схеме появляются паразитные токи:

Уменьшение падения напряжения на реактивных сопротивляениях ESR и ESL достигается за счет использования low ESR MLCC конденсаторов, а также нескольких емкостей разных размеров, например, 2×10µF 1206 и один 22n~100nF 0402 или 0603, размещающихся как можно ближе к микросхеме преобразователя.

Неверное расположение конденсатора, фильтрующего ВЧ помехи (слишком далеко от ШИМ-контроллера):

Серьезное уменьшение ВЧ помех от ИБП достигается за счет использования дополнительных L-C фильтров на входе с несколькими конденсаторами разных размеров (MLCC для Cout, 0603 или 0402 емкостью 22nF~100nF):

Уменьшить величину ВЧ помех поможет снижение антенного эффекта входа БП за счет уменьшения длины проводников и частоты работы ключей ШИМ.

Паразитные компоненты на плате БП:

Связь гармоник импульсного сигнала с его скважностью для ШИМ-сигнала частотой 800 кГц с шириной импульса 320 нс и временем нарастания и спада 10 нс:

На более низких частотах работы силовых ключей на снижение уровня ВЧ шума положительное влияние оказывает сглаживание фронтов ШИМ-сигнала. Форма фронта Trise переключающего импульса связана со скоростью переключения MOSFET-а верхнего плеча Q1. Ею можно управлять с помощью резистора Rboot, включенного в схему запуска последовательно с Cboot (bootstrap-цепь справа):

Номинал Rboot зависит от использующегося силового транзистора. В большинстве случаев величина сопротивления Rboot равна 5~10Ω (чем больше Rdson, тем больше допустимое сопротивление Rboot). Слишком большое сопротивление может привести к недостаточному заряду Cboot и нестабильности работы схемы IC current sense.

Кроме того, в качественных ИБП для фильтрации помех используют RC-снабберы

Место RC snubber-а в схеме ИБП:

Резистор-снаббер Rs на приведенной в качестве пример схеме компенсирует паразитный резонанс LC элементов БП. Величина резистора Rs выбирается согласно формуле:

где ξ — фактор демпфирования (снижения паразитного излучения);

Обычно величина ξ выбирается в диапазоне от 0.5 (небольшое демпфирование) to 1 (критическое демпфирование ).

Паразитные величины Lp и Cp обычно неизвестны, их можно оценить следующим образом:

1. Измерить начальную чатсоту fRING восходящего фронта импульса.

2. Добавлять небольшую емкость между землей и ключом до тех пор, пока частота переключения не снизится до 50% от начальной.

3. Уменьшение частоты переключения до 50% обозначает, что резонансная емкость в 4 раза больше начальной. Таким образом, начальная паразитная емкость Cp равна 1/3 от величины добавочной.

4. Паразитная индуктивность Lp измреяется по формуле:

Величина емкости Cs в RC снаббере должна быть достаточно большой для того, чтобы демпфирующий резистор мог выполнять устойчивое гашение резонанса во время работы ключей. Обычно величина Cs в 3~4 раза больше паразитной емкости цепи.

Кроме демпфирования на частоте резонанса, RC-снаббер немножко уменьшает крутизну фронтов ШИМ-импульсов. Однако, заряд-разряд конденсатора снаббера может способствовать возникновению дополнительных всплесков во время переключения, что может увеличить величину EMI-помех.

Использование RC-снаббера уменьшает КПД схемы, в сообенности на высоких частотах и при высокиом входном напряжении БП.

Вместо RC-снабберов могут использоваться RL демпферы, включенные последовательно с переключающей резонансной цепью:

Сопротивление демпфирующего резистора Rs должно быть очень низким (меньше 1Ω), индуктивность Ls должна оказывать малое сопротивление на частотах ниже резонанса (достаточно использовать L, равную нескольким nH).