Почему батарея шумит: что делать для устранения шума

Анализ шума с точки зрения конструкции портативной системы поможет вам сделать правильный выбор в конструкции источника питания.

Компьютеры с радиочастотной связью и другие новые мобильные системы могут действовать как портативные генераторы нежелательных шумов и электромагнитных помех, тем самым препятствуя их собственному признанию рынком. Станьте свидетелем катастрофы в нью-йоркском аэропорту Ла-Гуардиа, когда электромагнитные помехи от ноутбука могли вызвать сбой в системе посадки авиалайнера. Или возьмем первые карманные компьютеры с DOS, которые так сильно вибрировали от слышимого шума переключающего регулятора, что компьютеры могли «сойти» прямо со стола.

Проблемы с шумом источника питания редко бывают такими серьезными, как в этих случаях. Вместо этого системные разработчики обычно решают проблемы на этапе НИОКР; конечные пользователи косвенно, если вообще видят проблемы, только как задержки в выпуске продукта.

Шум особенно интересен для портативных систем, потому что блок питания часто представляет собой нестандартную конструкцию, созданную той же командой, которая отвечает за логическую плату, аналоговую схему и другие подсистемы. Таким образом, для портативной системы вы не можете просто приобрести блок питания в виде черного ящика с гарантированными характеристиками максимального уровня выходного шума.

Генератор смещения затвора для GaAs MESFET представляет собой хороший пример требований к низкому уровню шума в источнике питания. В типичном передатчике на основе GaAs используется MESFET с режимом обеднения в конфигурации с общим истоком, поэтому на затвор требуется отрицательное напряжение смещения. Любой шум на этом напряжении смешивается с РЧ-сигналом и создает нежелательные продукты интермодуляции, которые, в свою очередь, создают нежелательные боковые полосы AM на РЧ-несущей. Полосы АМ невозможно отфильтровать, если они попадают в РЧ-канал, поэтому сначала необходимо указать чистое напряжение смещения постоянного тока.

Типы шума

Шум в портативных системах принимает несколько форм. Основные типы: входные, выходные, излучаемые и микрофонные. Входной шум обычно представляет собой отраженную пульсацию, в которой шум входного тока импульсного источника питания взаимодействует с импедансом источника необработанного напряжения питания. В сочетании с любыми радиопомехами, которые могут быть вызваны высокоскоростной логикой и связаны обратно через источник питания со входом, результирующие помехи могут загрязнять напряжение сети переменного тока и батареи.

Шум на выходе — это шум напряжения, который может нарушить работу чувствительных к шуму нагрузок, таких как звуковая электроника SoundBlaster компании Creative Labs (Милпитас, Калифорния). Излучаемый шум может быть электромагнитным или электростатическим и обычно возникает в магнитных компонентах, таких как трансформаторы и катушки индуктивности, в переключателях и выпрямителях или в узлах коммутации, которые имеют большие и быстрые колебания напряжения.

Микрофонный шум — это слышимый звук, обычно причиной которого являются низкочастотные сигналы переключения, которые возбуждают обмотки катушки и заставляют их механически вибрировать относительно друг друга. Обычно решить эту проблему можно повышением минимальной частоты или нанесением на обмотки лака.

Наихудшим генератором шума в портативной системе почти никогда не является сам блок питания. С точки зрения разработчика блока питания ноутбук, например, состоит из батареи, силовой электроники и множества относительно неважных нагрузок, таких как ЦП, ОЗУ и ввод-вывод.

Наведение анализатора электромагнитных помех на типичное портативное устройство обычно показывает системные часы как наихудший шумовой сигнал, а шум источника питания сравнительно намного ниже. Эта относительная важность также относится к кондуктивному шуму; Шум переключения, вызванный динамическими изменениями нагрузки в логической системе КМОП с синхронизацией, обычно создает гораздо больший шум напряжения на шинах питания, чем сам коммутатор. Работа тактовой частоты старт-стоп, при которой блок питания подвергается резким скачкам нагрузки 50 А/мс, создает особенно неприятный шум напряжения.

Кого винить в том, что нагрузка создает шум на питающих шинах? Разработчики логики могут легко обвинить разработчиков блоков питания, говоря: «Если бы этот несчастный блок питания имел более низкое выходное сопротивление, все мои логические шумы шунтировались бы на землю, и все были бы счастливы». Дело в том, что шум, вызванный нагрузкой, является проблемой проектирования системы. Чтобы все были довольны, включая отдел закупок, разработчики логики и блоков питания должны сотрудничать.

Работа часов «старт-стоп» иллюстрирует эту потребность в сотрудничестве. Обычный метод грубой силы для устранения всплесков Ldi/dt, которые вызывают переходные процессы большой нагрузки, является дорогостоящим: подключите к нагрузке обходные конденсаторы с низким импедансом, что сделает переходные процессы меньше и медленнее к тому времени, когда они достигнут источника питания. Этот метод работает, но другие подходы могут быть более экономичными и компактными.

Если, например, допустимое отклонение выхода постоянного тока более жесткое, скажем, ±2% вместо ±5%, то провал и выброс Ldi/dt не должны выводить V _OUT за пределы, допустимые для логики. Другими словами, более жесткий допуск на опорное напряжение может улучшить систему за счет уменьшения размера и стоимости конденсаторов фильтра.

Компромисс топологии

Топология импульсного источника питания, его конфигурация соединений между переключателями и элементами накопления энергии оказывают сильное влияние на выходной шум. Для портативных систем выбор топологии для источника питания с батарейным входом обычно является одним из пяти основных типов: понижающий (понижающий), повышающий (повышающий), повышающе-понижающий, обратноходовой или Ройер.

Простота и высокая эффективность — вот почему топологии buck и boost чрезвычайно распространены в портативных системах. Конфигурации понижения и повышения являются почти зеркальным отображением друг друга, что делает их полезными для иллюстрации проблем с шумом в преобразователях постоянного тока. Топологии Buck и Boost тесно связаны между собой. Если вы подключите источник напряжения к его выходу, а нагрузочный резистор — к его входу, понижающий стабилизатор с синхронным выпрямителем будет работать в обратном направлении как повышающий преобразователь и повышать напряжение.

Силовой индуктор в импульсном регуляторе иногда может действовать как фильтр для срезанных сигналов тока, которые возникают при переключении. В понижающих схемах дроссель фильтрует ток в конденсатор выходного фильтра. В повышающих схемах дроссель фильтрует ток, поступающий от конденсатора входного фильтра. Таким образом, понижающий регулятор имеет относительно тихий выход, а повышающий регулятор имеет относительно тихий вход (, рис. 1, ). Две топологии двойственны, потому что одна противоположна другой. Выбирая напряжение батареи (низкое или высокое) для данного приложения, вы можете выбрать топологию схемы, которая минимизирует шум в более чувствительном месте.

Рис. 1. Выбрав понижающий (a) или повышающий (b) регулятор, которые противоположны друг другу, вы можете выбрать место преобладающего шума. Понижающие регуляторы имеют шумный вход и тихий выход; Буст регуляторы имеют тихий вход и шумный выход.

Шум на выходе более важен, чем шум на входе, если система имеет чувствительную к шуму нагрузку. Для таких систем приложение buck-преобразователя пожинает плоды мягких форм тока катушки индуктивности. В отсутствие резких скачков тока эти сигналы не создают высокочастотных всплесков выходного шума. Некоторые другие топологии импульсных регуляторов создают эти всплески, потому что формы сигналов взаимодействуют с индуктивностью дорожки и эффективной последовательной индуктивностью (ESL) конденсатора. Любой «хэш»-шум (очень высокочастотные пики шума) на выходе понижающего преобразователя, вероятно, является просто фантомным шумом, который производит заземляющий провод зонда вашего осциллографа, улавливая электромагнитные помехи. Паразитная емкость в коммутационном узле вносит эффекты второго порядка, которые также могут приводить к хэшированию на выходе, но этот эффект обычно незаметен.

Фантомный шум не существует в точке измерения, пока вы не прикрепите щуп прицела; но этот шум вызывает беспокойство, потому что электромагнитные помехи могут проникнуть в чувствительные схемы так же легко, как и в заземляющий провод пробника. Вы можете снизить восприимчивость к электромагнитным помехам, уменьшив время нарастания и спада сигнала переключения и уменьшив индуктивность путей, по которым проходит значительное количество коммутируемого тока. Однако, чтобы полностью устранить фантомный шум, вы должны экранировать чувствительную схему сталью или мю-металлом, но не медью.

Работа понижающего преобразователя в режиме глубокой непрерывной проводимости, в котором ток катушки индуктивности не возвращается к нулю в течение каждого цикла переключения, еще больше снижает выходной шум за счет уменьшения амплитуды пульсаций тока. Вы получаете непрерывную проводимость, увеличивая значение индуктивности. Таким образом, недостатки включают в себя большую катушку индуктивности, более низкий КПД из-за потерь I2R в большем количестве обмоток и более медленную реакцию на переходные процессы под нагрузкой из-за более низкой скорости нарастания тока большей катушки индуктивности.

Формы импульсов тока с прерыванием создают шум

Выходной конденсатор повышающего преобразователя подвергается резким скачкам тока, равным всему пиковому току дросселя, а не только пульсирующей составляющей, поскольку выпрямительный диод прерывает ток дросселя. Эти высокоамплитудные быстрые токовые переходы могут генерировать некоторый шум, когда они взаимодействуют с ESL и эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) выходного конденсатора. В дополнение к большим скачкам напряжения, которые вызывает ESR, ESL вызывает крошечные высокочастотные всплески хеш-функции на переднем и заднем фронтах сигнала переключения.

Вы можете легко подавить эти высокочастотные всплески, которые часто достигают сотен милливольт по амплитуде, с помощью простого RC-фильтра в линии питания, такого как резистор 0,1 (Ом) последовательно и керамический конденсатор 0,1 мкФ на землю. Часто паразитной индуктивности проводов, соединяющих блок питания и нагрузку, достаточно, чтобы подавить эти всплески хешрейта.

Шум входного тока, не подавленный конденсатором входного фильтра (из-за чрезмерного ESR и ESL, связанного с входным конденсатором), возвращается к батарее и адаптеру переменного тока. Этот же шум может затем загрязнять другие нагрузки, подключенные к батарее. Если шум приводит к тому, что провод батареи или кабель адаптера переменного тока действует как антенна, возникающие в результате электромагнитные помехи могут нарушать правила FCC.

Конденсатор входного фильтра в стабилизаторе с понижающей топологией подвержен большим скачкам тока; в повышающей цепи ток этого конденсатора плавно изменяется. По сравнению с треугольными волнами в случае форсирования входные токи прямоугольной формы с рубленым входом понижающего регулятора имеют высокие начальные амплитуды и включают высокочастотные компоненты, которые могут вызывать радиочастотные помехи. Анализ Фурье показывает, что прямоугольные гармоники спадают со скоростью 20 дБ за декаду по сравнению с 40 дБ за декаду для треугольных волн. К сожалению, две другие топологии, обычно используемые для портативных систем, повышающе-понижающая и обратноходовая, имеют на входе и на выходе сигналы с обрезанными пульсациями.

Паразитные индуктивность и сопротивление конденсатора выходного фильтра являются основной причиной шумов напряжения на выходе импульсного регулятора. Вторичной причиной выходного шума является конечное значение этого конденсатора. Импульсы тока, создаваемые либо регулятором, либо цифровым шумом переключения в нагрузке, взаимодействуют с ESR и ESL конденсатора, вызывая скачки и скачки напряжения ( рис. 2 ).

Рис. 2. Пульсации тока на частоте переключения импульсного стабилизатора вызывают скачки шума, вызванные ESR. Быстро нарастающие текущие фронты вызывают всплески хэша, вызванные ESL (а). На фото (b) ясно видно влияние ESR и емкости, но высокочастотные всплески, вызванные ESL, не видны. Этот преобразователь 175 кГц, 5 В в 12 В работает в прерывистом режиме, поэтому ступени ESR существуют только на передних фронтах треугольной формы волны тока.

Шум, вызванный ESR, подчиняется закону Ома: размах шума равен ESR, умноженному на амплитуду импульса тока. Шум, вызванный ЭСЛ, имеет амплитуду, пропорциональную произведению ЭСЛ и скорости изменения фронтов импульса тока. Например, если вы подаете импульс 1 А с временем нарастания 20 нс в танталовый конденсатор, ESL которого обычно составляет 4 нГн, результатом будет резкий скачок Ldi/dt 4 нГнх(1А/20 нсек) = 200 мВ.

Шум переключения также имеет емкостную составляющую, вызывающую эффект блюминга: быстро нарастающий ток дросселя сбрасывается на выход, а затем затухает RC-цепочкой во второй половине цикла переключения, когда выходной конденсатор разряжается на нагрузку. Количество заряда, сбрасываемого при каждом цикле, и пропускная способность фильтра определяют величину емкостного вздутия и затухания. Эта емкостная пульсация обычно менее очевидна, чем эффект ESR и ESL, потому что типичные электролитические и танталовые конденсаторы питания имеют относительно большую емкость для данного уровня ESR и ESL.

Другими словами, сопротивление и индуктивность, а не емкость, преобладают над импедансом конденсатора по переменному току на частоте переключения. Однако по мере того, как разработчики начинают использовать частоты переключения 500 кГц и выше и, как следствие, переходят на конденсаторы с керамическим фильтром, это правило меняется. По сравнению с алюминиевыми электролитическими и танталовыми конденсаторами керамические конденсаторы имеют меньшую емкость для данной стоимости и размера. Кроме того, уменьшение емкости при том же количестве заряда приводит к большим изменениям напряжения.

В качестве идеального средства подавления шумов многие разработчики держат в своем наборе инструментов чудовищный конденсатор, такой как Sanyo OS-CON 2200 мкФ, органический полупроводник, твердотельный алюминий (с ESR около 5 м (Ом)) или многослойный керамический конденсатор емкостью 100 мкФ. для высокочастотного режима. Эти специализированные конденсаторы отлично справляются с шумоподавлением благодаря своим сверхнизким значениям ESR и ESL, а не большой емкости. Для сравнения, 220 мкФ, 10 В танталовый конденсатор AVX TPS для поверхностного монтажа имеет ESR около 60 м (Ом) и ESL 4 нГн, а монолитный керамический конденсатор емкостью 1 мкФ имеет ESR около 10 м (Ом) и ESL 100 пГн.

Помимо несовершенства конденсатора фильтра, основной причиной выходного шума в импульсном стабилизаторе является топология схемы и рабочая точка. Суммарный эффект индуктивности, соотношение входного и выходного напряжений и частота переключения определяют амплитуду и форму импульсов тока, подаваемых на выход.

Контур управления импульсным регулятором обычно оказывает лишь второстепенное влияние на выходной шум регулятора. ШИМ-управление в режиме тока, например, имеет шумовую характеристику, очень похожую на характеристику ШИМ с коэффициентом заполнения (в режиме напряжения). У этого правила есть несколько вопиющих исключений. В простых гистерезисных петлях обратной связи выходное напряжение колеблется между двумя пороговыми напряжениями компаратора, а в регуляторах с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) с пропуском импульсов частота переключения зависит от тока нагрузки.

Нестабильный контур управления также может вызвать увеличение выходного шума. Например, токовый ШИМ-регулятор с неправильной компенсацией наклона имеет ступенчатую форму кривой тока катушки индуктивности, пиковые токи которой превышают нормальные уровни, определяемые условиями эксплуатации. Затем эти пиковые токи протекают через ESR выходного конденсатора, вызывая высокие уровни пульсаций напряжения.

Наблюдение формы выходного шума импульсного стабилизатора на осциллографе может многое рассказать о работе регулятора. Эффект ESR обычно доминирует над выходным шумом, поэтому пульсации напряжения отражают форму волны тока дросселя. С практикой вы сможете определить рабочие параметры, такие как коэффициент заполнения, насыщение катушки индуктивности, прерывистый режим работы и нестабильность внутреннего контура в токовом режиме, не подключая токовый пробник или не вставляя токоизмерительный резистор последовательно с катушкой индуктивности или трансформатором.

Схемы управления ЧИМ с пропуском импульсов и ШИМ

Хотя PFM-управление стало преобладать в оборудовании с батарейным питанием, поскольку его эффективность при малой нагрузке превышает эффективность PWM, реальная работа PFM менее известна (, рис. 3, , a и b). PFM стоит изучить, потому что эта схема демонстрирует некоторые важные проблемы, касающиеся стабильности и эффектов в частотной области.

ШИМ с фиксированной частотой (рис. 3, в и г) обеспечивает наиболее стабильную и предсказуемую шумовую характеристику любой архитектуры управления. Вы можете выбрать частоту переключения и ее гармоники таким образом, чтобы аудиодиапазон или выбранный радиочастотный диапазон оставался свободным от коммутационного шума. Для требовательных приложений вы можете устранить ошибку и дрейф частоты генератора, синхронизировав ШИМ-контроллер с внешним тактовым генератором. Не все архитектуры ШИМ имеют фиксированную частоту; гистерезисная архитектура и архитектура с постоянным выключением относятся к типам с переменной частотой.

Рис. 3. Преобразователи PFM с пропуском импульсов, такие как тактовый (a) и гистерезисный (b) типы, хотя и несколько более шумные, чем ШИМ-преобразователи, имеют чрезвычайно высокий КПД при малой нагрузке, что делает их популярными для систем с батарейным питанием. Преобразователи PFM уменьшают коммутационные потери, сбрасывая импульсы при небольшой нагрузке. Преобразователи PWM, такие как преобразователь режима напряжения с регулируемым коэффициентом заполнения в (c) и преобразователь режима тока в (d), обычно переключаются с постоянной частотой.

В моде ЧИМ с переменной частотой, потому что он продлевает срок службы батареи в режимах приостановки и ожидания. При небольших нагрузках система PFM минимизирует потери при переключении за счет переключения на очень низкой частоте. Эти низкие частоты заставляют шум переключения опускаться в звуковую полосу. Этот низкочастотный шум нежелательн, поскольку для низкочастотных фильтров требуются большие и дорогие LC-компоненты.

Более того, некоторым разработчикам не нравятся преобразователи ЧИМ, потому что контуры обратной связи этих преобразователей по своей природе нестабильны. Этот момент поднимает некоторые интересные соображения, такие как взаимосвязь между стабильностью и шумом. Вы должны задаться вопросом, являются ли нестабильные преобразователи более шумными по своей природе, чем стабильные. Вы также должны определить стабильность. Некоторыми критериями стабильности являются 50-градусный запас на графике усиления/фазы, чистые и регулярные сигналы переключения, по которым может легко запускаться осциллограф, и V _OUT , который не выходит за рамки или превышает допустимый допуск на выходе, когда вы подвергаете напряжение питания сильным переходным процессам в сети и нагрузке. Регулятор ЧИМ или гистерезисный ШИМ может соответствовать всем этим общим критериям и при этом быть нестабильным, однако нестабильность не обязательно является проблемой, за исключением наиболее требовательных приложений.

Строго говоря, вы должны считать нестабильным источник питания, который стабилен везде, кроме частотной области. Такое жесткое определение стабильности полезно для аудио- и радиочастотных разработчиков, которым приходится мириться с кондуктивными и излучаемыми побочными продуктами работы источников питания. Эти побочные продукты включают гармоники шума на частотах, кратных основной частоте переключения. Например, разработчики RF-модемов недовольны, если при изменении нагрузки переменная частота переключения источника PFM устанавливается таким образом, что субгармоники попадают в полосу ПЧ 455 кГц.

Преобразователи PFM и другие нестабильные преобразователи, как правило, более шумные как по амплитуде, так и по частоте, чем стабильные. Причины такого повышенного шума зависят от конструкции преобразователя и проблемы. Преобразователи PFM, например, выдают фиксированную величину тока на выходе в начале каждого цикла переключения. Поэтому даже при малых нагрузках на выходной конденсатор попадают импульсы тока большой амплитуды. Добавив еще один фильтрующий конденсатор, вы можете легко подавить результирующую амплитуду шума, которая обычно на 25–100 % выше, чем у ШИМ-преобразователя. Преобразователи PWM, с другой стороны, не позволяют пиковому току дросселя приближаться к порогу ограничения тока, если только не присутствует перегрузка или другая неисправность. Вместо этого непрерывно изменяющийся рабочий цикл ШИМ-преобразователя приводит к тому, что пиковый ток колеблется около некоторого промежуточного уровня, пропорционального току нагрузки.

PFM уступает PWM в частотной области. Однако часто можно выбрать значения компонентов, которые заставят преобразователь ЧИМ работать выше звукового диапазона в условиях минимальной нагрузки ( Рисунок 4 ). Например, уменьшение максимального времени включения ЧИМ-регулятора путем регулировки времязадающего конденсатора однократного импульса может повысить минимальную частоту переключения. Единственным недостатком этого подхода является небольшое снижение эффективности из-за более высоких коммутационных потерь.

Рис. 4. При большой нагрузке преобразователь постоянного тока MAX782 с батарейным питанием работает как ШИМ с фиксированной частотой, концентрируя свой шум на основной частоте переключения 300 кГц и связанных с ней гармониках (а). При более легких нагрузках схема автоматически переключается в режим ЧИМ. Затем разумный выбор компонентов поддерживает уровень шума переключения выше 20 кГц для всех нагрузок более 50 мА (b).

Зависимость выходного шума от частоты

Дополнительный шум, который производит PFM-регулятор с пропуском импульсов, обычно не имеет значения, за исключением требовательных приложений, таких как плотно упакованный сотовый телефон или 18-битный адаптер стереозвука. Ноутбуки и другие преимущественно цифровые системы вполне терпимы к пульсациям питания. Кроме того, пиковые токи при уровнях мощности, типичных для портативных систем, не вызывают беспокойства, поэтому возникающий шум редко вызывает головную боль.

С точки зрения сертификации FCC/VDE произвольно изменяемый частотный спектр ЧИМ-регулятора предпочтительнее фиксированной частоты переключения ШИМ-регулятора. FCC ищет шум выше определенного уровня в определенных диапазонах частот. Преобразователь ШИМ с фиксированной частотой генерирует шумовые пики на частоте переключения и ее гармониках, но рандомизированный шум преобразователя ШИМ обычно распространяется на более широкий диапазон частот.

Современные импульсные стабилизаторы с батарейным питанием могут работать как ШИМ-преобразователи с фиксированной частотой или как ЧИМ-преобразователи с пропуском импульсов, в зависимости от тока нагрузки. Одним из таких примеров является IC1 в Рисунок 5 , который продвигает эту концепцию еще на один шаг вперед. Эта микросхема обеспечивает вход управления шумоподавлением SKIP, который блокирует обычное автоматическое переключение между режимами PFM и PWM. Вместо этого SKIP принудительно использует фиксированную частоту независимо от нагрузки.