Развязка по питанию: Развязка по питанию — Студопедия

Развязка по питанию — Студопедия

Дополнительные методы шумоподавления

В большинстве электронных систем источник питания постоянного тока и система распределения питания являются общими для многих схем. Поэтому очень важно спроектировать систему питания по постоянному току так, чтобы между подключенными к нему схемами не было канала для связи по шумам. Цель системы распределения питания состоит в том, чтобы обеспечить все нагрузки как можно более стабильным напряжением в условиях изменения потребляемых ими токов. Любое изменение тока в нагрузке, не должно создавать переменного напряжения на шинах питания.

Реальные источники питания обладают конечным внутренним сопротивлением. На рис.1 схематически показана типичная схема разводки питания. Источник постоянной э.д.с. (батарея, сетевой источник или преобразователь) соединен с переменной нагрузкой парой проводников.

Параллельно нагрузке может быть также подключен шунтирующий конденсатор развязки С. Внутреннее сопротивление

Наведенное напряжение шумов U_ш можно свести к минимуму, воспользовавшись методами, рассмотренными ранее. Влияние конденсатора развязки обсуждается в одном из следующих разделов.

Рассмотрим метод уменьшения влияния бросков тока и, как следствие, бросков изменения падения напряжения на сопротивлении R_гпри внезапных резких изменениях тока, потребляемого нагрузкой. В этом случае влияние конденсатора С. Оно будет рассмотрено позже.

Если принять, что изменение тока в нагрузке произошло мгновенно, то изменение тока в нагрузке произойдет через некоторое время, определяемое скоростью передачи возмущения. Эта скорость является функцией волнового сопротивления Z₀ линии передачи . Тогда изменение напряжения на нагрузке равно .

Предположение о мгновенном характере изменения тока выполняется для цифровых схем, но для аналоговых схем оно не всегда справедливо. Однако даже в случае аналоговых схем волновое сопротивление линии питания от источника постоянного тока можно использовать как критерий для сравнения шумовых характеристик различных систем разводки питания.

Следовательно, чтобы уменьшить шумы в цепи питания,

Индуктивность можно уменьшить, используя вместо проводника с круглым сечением проводник с прямоугольным поперечным сечением располагая два таких проводника возможно ближе друг к другу. И то, и другое увеличивает также емкость линии. Емкость увеличивается и при изоляции проводников материалом с высоким значением диэлектрической проницаемости.

На рис.2 приведены формулы для определения волнового сопротивления проводников с различной формой сечения при разном взаимном расположении. Эти формулы можно использовать даже тогда, когда указанные неравенства не выполняются. В этом случае получаются завышенные значения Z₀, поскольку в уравнениях не учитываются краевые эффекты.

Значения относительной диэлектрической проницаемости e различных материалов приводятся в таблице. Оптимальной была бы линия распределения питания, состоящая из возможно более широких плоских параллельных проводников, расположенных как можно ближе один над другим.

Чтобы продемонстрировать трудности, возникающие при попытке получить систему разводки питания с очень низким импедансом полезно разобрать несколько численных примеров. Сначала рассмотрим два провода равного круглого сечения, разнесенные на 1,5 диаметра и разделенные диэлектриком из тефлона. Волновое сопротивление равно .

Если бы диэлектриком был воздух, волновое сопротивление составило бы 115 Ом.

В качестве второго примера возьмем два плоских параллельных проводника толщиной 70 мкм и шириной 1,27 мм, расположенных рядом на печатной плате, изготовленных с применением эпоксидной смолы в качестве наполнителя защитных покрытий. Если при этом расстояние между ними равно 1,27 мм, волновое сопротивление составит .

При воздушном диэлектрике волновое сопротивление было бы равно 131 Ом. Фактически его величина будет находиться где-то между двумя этими значениями, поскольку на печатной схеме часть поля распространяется по воздуху, а часть – по эпоксидной смоле.

Оба приведенных примера являются обычными для практики, и ни одна из рассмотренных в них конфигурация не обеспечивает очень низкого значения волнового сопротивления линии передачи. Однако, если два плоских проводника шириной 6,35 мм расположить один над другим и разделить тонкой (толщиной 127 мкм) майларовой пленкой, волновое сопротивление будет равно , т. е. указанная конфигурация проводников обеспечивает линию разводки питания с очень малым волновым сопротивлением. Выпускаемые шины такого типа пригодны для использования с интегральными схемами, размещаемыми на печатных платах (рис.2).

Гальваническая развязка питания и двусторонняя передача данных на одном компоненте в SMD-корпусе — Компоненты и технологии

Новое в области гальванических развязок

Когда речь идет о создании гальванически развязанного источника питания мощностью 10 или 100 Вт, становится ясно, что тут требуются специальные знания в узкой области, источник питания следует рассматривать как отдельную задачу, и ее решение нужно поручить сведущему в этой области специалисту. Если же требуется гальванически развязать 1 Вт электрической мощности или создать гальваническую развязку одной линии данных, то такую задачу хочется решить сходу, потратив минимум рабочего времени и заняв компонентами малую площадь печатной платы. На самом же деле уменьшение мощности ничуть не сокращает сложность гальванической развязки. Гальваническая развязка мощностью 1 Вт легко может стать головной болью для разработчика, который раньше никогда не решал такие задачи. Компания Linear Technology предлагает разработчикам первое в своем роде готовое решение гальванической развязки для передачи питания и данных на одной микросхеме без внешних элементов, в корпусе для поверхностного монтажа.

Микросборки LTM288х — это семейство гальванически развязанных источников питания мощностью до 1 Вт, со встроенным гальванически развязанным каналом передачи данных. Микросборки имеют корпус для поверхностного монтажа размером 15×11,25×2,8 мм. Диапазон напряжений питания — 3,3–5 В, выходное напряжение — 5 В при токе до 200 мА. В микросборке LTM2881 реализован полнофункциональный интерфейс RS-485/RS-422, а в LTM2882 — сдвоенный интерфейс RS-232. Скорость передачи — до 20 Мбайт/с. В качестве изолирующего элемента используется трансформатор. Микросборки LTM2881 и LTM2882 доступны в корпусах LGA либо BGA и имеют модификации с диапазонами рабочих температур 0…+70, –40…+85 и –55…+105 °C.

Передача данных

Внешне микросборки LTM288x выглядят как обычные цифровые оптопары с интегрированным внутрь корпуса гальванически развязанным DC/DC-преобразователем. На самом же деле их устройство и принцип работы намного сложнее. Для передачи данных используются трансформаторы без сердечников, выполненные прямо на полупроводниковом кристалле. Физическая топология их обмоток и электрическая схема включения показаны на рис. 1.

Рис. 1. Эквивалентная электрическая схема

Приемники-усилители, снимающие сигнал со вторичных обмоток, имеют дифференциальные входы, что делает их нечувствительными к синфазным помехам, которые могут возникать из-за паразитической емкости между обмотками. Поскольку данные передаются через два трансформатора в противоположных направлениях, передача в одну сторону происходит независимо от передачи в другую. Но физически канал для передачи в одну сторону только один, а микросборки имеют большее количество сигналов, передаваемых через гальванический барьер. В микросборке LTM2881 помимо сигналов DI (вход передатчика) и RO (выход приемника) на изолированную сторону передаются DE (разрешение передачи) и TE (включение терминального резистора). В микросборке LTM2882 реализован сдвоенный интерфейс RS-232, то есть по два канала в каждую сторону.

Уровни напряжения на всех входах обрабатывает внутренняя логика микросборки. При изменении уровня информация об этом событии кодируется, передается через гальванический барьер, декодируется на другой стороне микросборки, проверяется на наличие ошибок, и, если ошибок нет, уровень напряжения на соответствующем выходе изменяется. В каждый момент времени в одну сторону может передаваться информация лишь об одном изменении уровня на одном входе, поэтому все входы поделены на низко- и высокоприоритетные. Если изменение уровня входного сигнала происходит одновременно на двух входах с одной стороны микросборки, то с другой стороны уровень сначала изменяется на высокоприоритетном выходе и лишь после этого на низкоприоритетном. Если уровень сигнала на высокоприоритетном входе изменяется раньше, чем закончилась обработка изменения уровня на низкоприоритетном входе, кодирование и передача по низкоприоритетному каналу приостанавливается.

Таким образом, передача сигналов по высокоприоритетному каналу происходит без задержки. Задержка передачи по низкоприоритетному каналу может достигать 40 нс. В микросборке LTM2882 высокоприоритетными являются входы T1IN и R1IN, в микросборке LTM2881 — входы AB и YZ.

Передача питания

В отличие от передачи данных, передача питания в микросборках LTM288х происходит традиционным образом. Принципиальная схема изолированного DC/DC-преобразователя показана на рис. 2. H-образный мост генерирует прямоугольные импульсы, которые через развязывающий защитный конденсатор поступают на первичную обмотку. Выпрямитель на вторичной обмотке выполнен из двух диодов и двух конденсаторов. Такая схема выпрямителя, по сравнению с более привычной схемой на четырех диодах, позволяет вдвое сократить потери, связанные с прямым падением напряжения на диодах. Ток выпрямителя заряжает сглаживающий конденсатор, от которого питается линейный стабилизатор с низким прямым падением. На выходе стабилизатора стоит еще один конденсатор.

Рис. 2. Упрощенная принципиальная схема изолированного DC/DC-преобразователя

Микросборки LTM288х выпускаются в двух версиях для двух диапазонов питающих напряжений: 3–3,6 и 4,5–5,5 В. Ограничение по напряжению питания связано со встроенным DC/DC-преобразователем. Поскольку выходное напряжение у обеих версий одинаковое и равно 5 В, для работы при разных входных напряжениях требуются разные коэффициенты трансформации.

Первичная обмотка трансформатора имеет защиту от перегрузки по току, при штатной работе преобразователя эта защита не активна. Порог срабатывания защиты — 550 мА для 3-В версии и 400 мА для 5-В версии микросборки.

Трансформатор выполнен на ферритовом тороидальном сердечнике. Обмотки покрыты тефлоновой изоляцией толщиной 76 мкм. Для придания конструкции механической прочности трансформатор залит жестким диэлектриком. Преобразователь имеет КПД 65%. А зависимость выходной мощности от напряжения питания показана на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость выходной мощности от напряжения питания

Параметры гальванического барьера

Важнейший параметр гальванической развязки — это паразитическая емкость между изолированными сторонами. От величины этой емкости зависит, насколько хорошо гальваническая развязка препятствует прохождению синфазных помех. Когда напряжение между изолированными сторонами гальванической развязки меняется, ток заряда паразитической емкости протекает по электрическим цепям с обеих сторон гальванической развязки, вызывая падение напряжения на резисторах, которое и является помехой. Чем больше паразитическая емкость и скорость изменения напряжения, тем больше ток и напряжение помехи.

Для любой электрической схемы с гальванической развязкой можно определить максимально допустимую скорость изменения напряжения между изолированными частями, при которой уровень синфазной помехи не будет превышать допустимые пределы. Поскольку микросборки LTM288x содержат интегрированные схемы усиления и обработки прошедшего через гальванический барьер сигнала и представляют собой функционально законченные устройства, максимально допустимая скорость изменения напряжения является для них неизменным параметром и составляет 50 кВ/мкс.

Паразитическая емкость между гальванически развязанными сторонами микросборок LTM288x составляет 6 пФ. Из них 1,2 пФ приходятся на каждую из катушек передачи данных, а 3,6 пФ — на трансформатор DC/DC-преобразователя. Это очень хороший показатель для гальванической развязки: у обычных оптопар паразитическая емкость, как правило, составляет десятки пикофарад на один канал. Емкость порядка единиц пикофарад всегда существует между двумя параллельными дорожками на печатной плате, близко проложенными кабелями, проводниками внутри электронного устройства и его корпусом. Для большинства применений паразитическая емкость микросборок LTM288x пренебрежимо мала по сравнению с распределенными емкостями всех остальных частей электронного устройства.

Гальванический барьер микросборок LTM288x состоит из двух сигнальных трансформаторов, выполненных на полупроводниковом кристалле, и силового трансформатора, намотанного на ферритовое кольцо. Максимальное постоянное напряжение, которое может быть приложено к гальваническому барьеру продолжительное время, — 400 В, для времени не более 10 с допускается напряжение до 4000 В.

Основные параметры гальванического барьера, в цифрах и единицах, приведенных к наиболее распространенным стандартам, указаны в таблице 1. Список стандартов, с которыми можно без труда сопоставить указанные значения, находится в таблице 2. Общие представления о том, как именно происходят испытания и стандартизация гальванических развязок, можно получить на примере стандартов UL1577 и IEC60747-5-2.

Таблица 1. Параметрическая таблица гальванического барьера для LTM2881 и LTM2882

Таблица 2. Перечень стандартов по изоляции

Стандарт UL1577 регламентирует электрическую прочность электронного компонента для напряжений свыше 2500 В при различных внешних условиях. В соответствии с критериями этого стандарта микросборки LTM288x выдерживают постоянное напряжение 2500 В при температуре окружающей среды +100 °C. Для того чтобы производитель мог гарантировать отсутствие отказов в таких условиях работы, каждая микросборка проходит испытание при напряжении 4400 В обеих полярностей продолжительностью 1 с.

Похожий по методике тестирования, принятый в Европе стандарт IEC60747-5-2 предписывает измерять заряд микропробоев, происходящих в гальваническом барьере, когда к нему приложено постоянное напряжение, соизмеримое по величине с максимальным рабочим напряжением. Явление микропробоев связано с неоднородностями в веществе диэлектрика. Если представить слой диэлектрика в виде цепочки последовательно соединенных конденсаторов и множества таких цепочек, соединенных параллельно, то микропробоем будет называться пробой одного из таких микроконденсаторов. Микропробой не вызывает нарушения электрической целостности слоя диэлектрика. Периодически происходящие микропробои внешне выглядят как шум, появляющийся, когда к гальваническому барьеру приложено высокое напряжение. Характерный заряд микропробоев в гальванических развязках LTM288x — 5 пКл при напряжении 1050 В.

С точки зрения практического применения основное условие, от которого зависит максимально допустимое рабочее напряжение, это время наработки на отказ. Поскольку при не самых тяжелых условиях эксплуатации время наработки на отказ оказывается очень велико, оно не поддается прямому измерению. Время наработки на отказ измеряют в предельно допустимых режимах работы, затем полученные данные экстраполируют на штатные режимы работы. При этом используются различные математические инструменты, например распределение Вейбулла. Зависимость времени жизни микросборок LTM288х от постоянного рабочего напряжения показана на рис. 4. При напряжении 500 В время жизни микросборок LTM2881 и LTM2882 — более 100 лет.

Рис. 4. Зависимость времени жизни микросборок LTM288х от постоянного рабочего напряжения

Излучение электромагнитных помех

Электронные устройства, в составе которых есть гальваническая развязка, выглядят с точки зрения их электромагнитного взаимодействия с окружающим миром весьма интересно. Наличие гальванической развязки в устройстве, как правило, означает наличие двух разделенных цепей «земли» и расположение всех проводников таким образом, что гальванически не связанные части устройства оказываются максимально удалены друг от друга. Такое устройство можно рассматривать как дипольную антенну. Внешние электромагнитные излучения приводят к появлению на гальванической развязке, соединяющей две части такой «антенны», синфазного быстро меняющегося напряжения. Микросборки LTM288х сами по себе не создают синфазного напряжения между гальванически развязанными сторонами, но если в электронном устройстве это напряжение появляется из-за каких-то других паразитических емкостей, «антенна» будет излучать электромагнитные помехи.

Эту проблему можно рассмотреть с другой точки зрения. Если через паразитическую емкость гальванической развязки протекает ток, то еще один ток, равный по величине, должен протекать в противоположном направлении. Очевидно, что возвратный ток протекает через другие паразитические емкости, образующиеся между двумя гальванически разделенными шинами «земли», между проводами и проводниками на печатной плате, между печатной платой и корпусом устройства. Самый простой способ сделать ситуацию с протекающими через паразитические емкости токами предсказуемой и избавиться от этих токов в тех местах схемы, где они мешают ее работе, это поставить между гальванически развязанными «землями» устройства конденсатор с емкостью, намного превышающей сумму всех паразитических емкостей. Такой конденсатор, если его емкость и место расположения выбраны верно, сокращает напряжение, приложенное к гальваническим развязкам на сигнальных линиях, на несколько порядков.

Электромагнитные катушки, которые используются в микросборках LTM288х для передачи данных, излучают электромагнитные помехи. Линейные размеры катушек и токи в них малы, и мощность излучения не превышает максимально допустимую согласно стандарту CISPR 22 (аналог — ГОСТ Р 51318.22-99 «Радиопомехи индустриальные от оборудования информационных технологий»). Излучаемую микросборками LTM288х мощность можно вычислить, исходя из того, что катушки для передачи данных являются петлевыми антеннами, и для них справедлива формула:

где I_f — ток в катушке; r_n — радиус одного витка; N — количество витков, λ — длина волны. Насколько хорошо теоретическая зависимость излучаемой мощности от частоты совпадает с экспериментальной, измеренной на демонстрационной плате LTM288х, показано на рис. 5. Там же отмечены максимально допустимые уровни излучения согласно стандарту CISPR 22.

Рис. 5. Графики экспериментальной и теоретической зависимости излучаемой мощности от частоты для LTM288х

Для сокращения уровня электромагнитных помех, излучаемых электронным устройством, в составе которого есть гальваническая развязка, есть ряд стандартных решений. Самое действенное из них — добавить в печатную плату слой сплошной металлизации, так чтобы он покрывал всю площадь платы, образуя емкости между всеми гальванически развязанными частями. В дополнение к этому можно установить керамические конденсаторы между гальванически не связанными «землями», учитывая при этом, что конденсаторы будут эффективны на частоте ниже 300 МГц, а на более высокой частоте станет слишком существенна их паразитическая индуктивность. Подойдут конденсаторы с диэлектриком Y2, например Murata серии GF, для соответствия стандартам безопасности включенные последовательно по две штуки.

Помимо этого, рекомендуется:

• Сократить физические размеры гальванически развязанных частей.
• Убедиться в том, что все возвратные токи и токи помех образуют петли как можно меньшего размера. При разводке печатной платы следует избегать протекания одного возвратного тока между двумя слоями: такой путь будет иметь повышенную индуктивность и сопротивление.
• Поставить как можно больше сглаживающих конденсаторов на все линии питания. Все скачки напряжения и тока на силовых линиях внутри устройства вызывают электромагнитное излучение.
• Поставить фильтры синфазных помех на все подсоединенные к плате провода и кабели: синфазные трансформаторы либо ферритовые колечки для линий питания, ферритовые колечки для линий данных. Ферритовые колечки существуют как в виде специальных бандажей, надеваемых на кабель, так и в виде элементов для монтажа на плату.
• Сократить напряжение питания. Чем меньше напряжение сигналов в цифровых линиях, тем меньше излучаемая ими помеха. Напряжение 3,3 В предпочтительнее, чем 5 В.

Чувствительность к электромагнитным помехам

Все электромагнитные антенны обратимы: если антенна плохо излучает, то она одновременно плохо принимает сигнал, и наоборот. Поскольку интегрированные в микросборки LTM288х катушки излучают помехи с очень небольшой мощностью, они должны быть и малочувствительны к внешним помехам. Обе микросборки LTM2881 и LTM2882 независимо друг от друга прошли сертификацию и соответствуют стандартам электромагнитной совместимости, перечисленным в таблице 3.

Таблица 3. Стандарты электромагнитной совместимости

Напряжение, возникающее в электромагнитной катушке при воздействии внешнего магнитного поля, определяется соотношением:

где β — индукция магнитного поля, Гс; N — количество витков катушки; r_n — радиус n-ого витка. Эта формула справедлива и для катушек, интегрированных в микросборки LTM288х.

Если напряжение, вызванное внешней помехой, оказывается соизмеримо с напряжением полезного сигнала в катушке, передача данных происходит с ошибками. На рис. 6 показана зависимость максимально допустимой индукции магнитного поля от частоты для микросборок LTM288х. В области ниже красной линии внешнее магнитное поле не будет мешать работе LTM288х. Там же, для примера, синими линиями показана индукция магнитного поля прямого провода с током на различных расстояниях. Магнитное поле провода с синусоидальным током 1000 А при частоте 1 МГц, находящегося на расстоянии 100 мм, не окажет влияния на работу микросборок LTM288х.

Рис. 6. Зависимость максимально допустимой индукции магнитного поля от частоты для микросборок LTM288х

Устойчивость к электростатическим разрядам

В системе стандартов IEC отдельно рассматривается несколько физических явлений и связанных с ними всплесков напряжения на электронном компоненте. Помимо электростатического разряда (Electro Static Discharge, ESD) электронные компоненты могут подвергаться скачкам напряжения, происходящим при разрыве проводника с током. Это явление носит название «быстрый переходный процесс» (Electrical Fast Transient, EFT), типичный пример условий его возникновения — разъединение электрического разъема.

Также в стандартах рассматривается воздействие на электронный компонент одиночной полуволны синусоидального напряжения. Последнее удобнее всего для использования в стандартах, так как условия проведения таких испытаний лучше всего поддаются описанию и воспроизводимы наиболее однозначно. Однако воздействие на электронный компонент синусоидальной полуволны не совсем соответствует тому, что происходит при его эксплуатации.

Принципиальная схема для испытаний микросборки LTM2881 на устойчивость к скачкам напряжения, происходящим при разрыве проводника с током, показана на рис. 7. Контакты LTM2881 подключены к жилам экранированного кабеля длиной 0,5 м, а экран кабеля соединен с генератором одиночных высоковольтных импульсов через конденсатор емкостью 100–1000 пФ. Экран кабеля через катушку индуктивности, моделирующую паразитическую индуктивность длинной линии, соединен с «землей» LTM2881 с той же стороны, что и жилы кабеля. «Земля» генератора соединена с «землей» LTM2881 с противоположной стороны. В этой схеме высокое напряжение прикладывается к гальваническому барьеру LTM2881, выводы LTM2881 с одной стороны барьера оказываются при одинаковом напряжении. В этом испытании LTM2881 выдерживает кратковременные скачки напряжения до 4 кВ.

Рис. 7. Принципиальная схема для испытаний микросборки LTM2881 на устойчивость к скачкам напряжения, происходящим при разрыве проводника с током

Испытания на устойчивость к электростатическим разрядам проводятся схожим образом: импульсы напряжения прикладываются между гальванически изолированными сторонами LTM2881. Импульсы имеют меньшую длительность, чем в испытаниях на устойчивость к скачкам напряжения, происходящим при разрыве проводника с током, и большую амплитуду. Микросборки LTM288х выдерживают электростатический разряд напряжением до 8 кВ.

Заключение

Гальванические развязки LTM288х — это первые приборы, сочетающие в себе высокие электрические параметры, надежность и простоту использования. Насколько просто сделать на микросборке LTM2881 гальванически развязанный приемопередатчик RS-485, показано на рис. 8. Помимо самой микросборки LTM2881, в схеме нет никаких дополнительных элементов. Аналогично микросборка LTM2882 (рис. 9) представляет собой функционально законченный двух-канальный приемопередатчик RS-232.

Рис. 8. LTM2881 гальванически развязанный приемопередатчик RS-485

Рис. 9. LTM2882 сдвоенный гальванически развязанный приемопередатчик RS-232

Микросборки LTM288х имеют хорошую помехозащищенность, не требуют дополнительных внешних диодов для защиты от электростатических разрядов, вызванных зарядом, скопившимся на теле человека. Паразитическая емкость 6 пФ при четырех каналах передачи данных и канале питания делает микросборки LTM288х приборами, не имеющими аналогов.

Микросборки LTM288х прошли сертификацию по основным международным стандартам и готовы к использованию в новых и перспективных разработках.

Следует отметить, что микросхемы семейства LTM288x снижают общую стоимость решения, оставаясь при этом недосягаемыми для конкурентов по совокупности характеристик и преимуществ.

Развязывающие конденсаторы: они нужны, но зачем?

15 июля 2019

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

Всем известно, что операционные усилители должны иметь развязывающие конденсаторы по цепям питания, расположенные рядом с выводами микросхемы. Но почему, например, какой-то усилитель вдруг оказывается более склонным к самовозбуждению без надлежащей развязки? Ответы на эти вопросы расширят ваш кругозор и облегчат понимание ситуации.

Коэффициент подавления шумов напряжения питания (Power supply rejection) характеризует способность операционного усилителя подавлять колебания и пульсации, возникающие на выводах питания. Например, на рисунке 65 показано, что коэффициент подавления шумов очень высок на низкой частоте, но с увеличением частоты уменьшается. Таким образом, на высоких частотах наблюдается более слабое подавление возникающих помех.

Рис. 65. Цепь питания V+ без надлежащего развязывающего конденсатора имеет высокий импеданс

Мы часто думаем о внешних шумах, идущих от источника питания и мешающих усилителю. Но операционные усилители могут сами быть источником проблем. Например, выходной ток нагрузки течет от вывода питания. Без надлежащего развязывающего конденсатора импеданс на входе питания может быть высоким. Это позволяет переменному току нагрузки (AC) генерировать переменное напряжение на этом выводе и создает паразитный контур цепи обратной связи. Индуктивность вывода питания может дополнительно увеличить результирующее переменное напряжение. На высокой частоте, когда коэффициент подавления помех по питанию имеет малое значение, эта паразитная обратная связь может вызвать осцилляции.

Без обеспечения стабильного питания узлы внутренней схемы могут взаимодействовать друг с другом, создавая нежелательные паразитные контуры обратной связи. Это происходит из-за того, что внутренние схемы ОУ спроектированы для работы с устойчивым малым значением импеданса на входах питания. Усилитель может вести себя совершенно непредсказуемо без стабильного и низкоомного питания.

При подаче синусоидального сигнала на вход усилителя с недостаточно качественной развязкой на цепях питания паразитная обратная связь приводит к искажению формы выходного сигнала. Сигнальные токи, протекающие через выводы питания, зачастую сильно искажены, поскольку они представляют только половину тока синусоидальной волны (рисунок 66). Цепи паразитной ОС вызовут дополнительное искажение выходного сигнала при различных значениях коэффициента подавления помех по положительному и отрицательному питаниям.

Рис. 66. Форма сигнальных токов на выводах питания зачастую сильно искажена, потому что они представляют только половину синусоидального тока (справа)

Проблемы усугубляются при увеличении нагрузки. Реактивная нагрузка создает сдвинутые по фазе токи, которые могут дополнительно ухудшить ситуацию. Емкостная нагрузка сама по себе подвергает схему более высокому риску возникновения колебаний из-за дополнительного фазового сдвига в цепи обратной связи. Для таких случаев  могут потребоваться танталовые развязывающие конденсаторы большой емкости и особая осторожность при выполнении электрической разводки схемы.

Конечно, не все усилители с недостаточной развязкой по питанию подвержены осцилляциям. Иногда для установления колебаний не хватает положительной обратной связи или задержки, вносимой цепями ОС. Тем не менее, эффективность схемы может быть снижена. Частотная характеристика и импульсный отклик также подвержены влиянию чрезмерного перерегулирования и плохого времени установления. Эти особенности не очень хорошо моделируются в TINA-TI или других программах SPICE-моделирования. Источники напряжения в SPICE абсолютно стабильные и нечувствительны к токам нагрузки. Моделирование фактического импеданса источника питания и паразитных параметров печатной платы оказывается весьма сложным и неточным процессом. В лучших макромоделях моделируется величина коэффициента подавления помех по питанию, но фазовая связь этих цепей обратной связи вряд ли соответствует действительности. Моделирование может быть чрезвычайно полезным, но не всегда точно прогнозирует такое поведение.

Однако, не нужно сходить с ума, думая о развязке цепей питания. Достаточно внимательно относиться к особенно чувствительным ситуациям и признакам потенциальных проблем. Хорошая аналоговая схема выигрывает от приложения хорошей порции знаний.

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

1. 1. Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
   2. Что нужно знать о входах rail-to-rail
   3. Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
   4. Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
   5. SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
   6. Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
   7. Входной импеданс против входного тока смещения
   8. Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
   9. Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
   10. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
   11. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
   12. Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
   13. Приручаем нестабильный ОУ
   14. Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой
   15. SPICE-моделирование устойчивости ОУ
   16. Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?
   17. Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные
   18. Инвертирующий усилитель с G = -0,1: является ли он неустойчивым?
   19. Моделирование полосы усиления: базовая модель ОУ
   20. Ограничение скорости нарастания выходного сигнала ОУ
   21. Время установления: взгляд на форму сигнала
   22. Шум резисторов: обзор основных понятий
   23. Шумы операционного усилителя: неинвертирующая схема
   24. Шумы ОУ: как насчет резисторов обратной связи?
   25. 1/f-шум: фликкер-шум
   26. ОУ, стабилизированные прерыванием: действительно ли они шумные?

Переведено Вячеславом Гавриковым по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

РадиоКот :: Продвинутая гальваническая развязка

Продвинутая гальваническая развязка

  Всякий кот, если ему приходится брать в лапы импульсный блок питания с целью его отремонтировать, всегда рискует. То конденсатор возьмет да и испустит дух, то транзистору вздумается отлететь в мир иной ну и другие неприятности бывают. Давно известно, что включение импульсных блоков питания после ремонта через лампочку позволяет избежать брызг, искр, запахов и проч. Фр-ррр, как вспомню, — волосы дыбом на хвосте. А еще опытные коты настоятельно рекомендуют пользоваться при ремонте ИИП гальванической развязкой. Жуть эти импульсные блоки питания. Но мир таков, что их все больше и больше и часто приходится их ремонтировать. Вот как раз для таких котов и предназначено это устройство. Оно позволяет настраивать ИИП через гальваническую развязку, запускать ИИП через лампочку и без оной, кратковременно и на долго. Идею этого устройства я подсмотрел в Польше в сервисном центре маленького городка. Там подобное устройство (правда мощностью в 3 кВт) и без автоматики, точнее с автоматикой на реле, эксплуатируется уже много лет и мне довелось с ним работать. Понять насколько это замечательная идея. И я решил сделать нечто подобное. Я ограничился мощностью трансформатора в 100Вт ибо утюгов и фенов я не беру в лапы с целью ремонта, а для бытовых ИИП этого вполне хватит. Вот что у меня получилось:

Трансформатор гальванической развязки включен в сеть через автомат на 6А на тот случай если что-то пойдет совсем не так, его должно выбить. Пока подобное не случалось. В принципе автомат можно заменить обычным тумблером. В оригинальной конструкции была применена «пробка — автомат» от электросчетчика. Органы управления: слева на фото автомат включения, над ним зеленый светодиод «Готов», под ним переключатель ламп-баеретеров, о нем я расскажу позже. Далее модернизированная выходная розетка, о ней тоже скажу позже, под ней переключатель на 3 положения без фиксации для кратковременной подачи напряжения на выход. Справа от розетки — окно, прикрытое красным светофильтром, через него можно видеть нити накала ламп. Под окном — красная кнопка без фиксации — кнопка включения прибора в долговременный режим.

Работать с этим прибором так:
1. Включаем прибор автоматом, при этом кратковременно вспыхнет светодиод «Готов», что сигнализирует об исправности прибора. В принципе не мешало-бы дополнить прибор еще одним светодиодом, для индикации включенного состояния, но лень свойственная котам и сложность разборки конструкции пока не позволили это сделать. Я решил, что добавлю светодиод когда буду заменять перегоревшую лампу. Итак, светодиод моргнул, все хорошо.
2. Вывести переключатель под розеткой из среднего положения и подать питание на ИИП через лампочку (влево подаем 110В, вправо — 220В). Возможности подать напряжение исключаяя лампочку из цепи этим переключателем нет. Это сделано в целях безопасности. Подав напряжение наблюдаем через окно на то, как вспыхнула и почти погасла лампа-баретер. Если это так, то все в порядке. Можно переходить к «красной кнопке», если же лампа постоянно горит ярко — что-то в схеме ИИП не так, не стоит подавать напряжение. Подробнее методика ремонта ИИП с помощью лампочки много раз описывалась на просторах Интернета
3. Переходим к «Красной кнопке» одно кратковременное нажатие на нее приведет к включению режима 1 . Сработает реле К1 и своими замыкающими контактами подаст напряжение на выход через лампу, а размыкающими разорвет цепь 110В. Это сделано опять таки для безопасности. Ибо никакие ошибочные манипуляции с прибором не выведут его из строя. Без этого контакта можно представить ситуацию, когда и реле К1 сработает и зацепив переключатель хвостом можно закоротить пол вторичной обмотки трансформатора. Не брезгуйте этим контактом если будете повторять это устройство и оставите в нем режим 110В. В этом режиме работы (т.е. 220В через лампочку) группа синих светодиодов в верхней части розетки,на схеме обозначенная VD7-VD8, начнет мигать с частотой около 1 Гц. Повторное кратковременное нажатие на «красную кнопку» отключит этот режим.
4. Длительное (более 1 сек) нажатие на «красную кнопку» включит реле К2 и напряжение 220В со вторичной обмотки трансформатора будет подано в нагрузку в обход ламп-баретеров. Это режим 2. При этом табло из синих светодиодов будет светиться постоянно. Отключить этот режим можно так же длительно удерживая «красную кнопку». Или вытащив из розетки вилку ИИП, об этом расскажу позже.

Схема силовой части прибора

  В приборе установлены две лампы-баретеры. На 15Вт и на 60Вт. Первая — для ремонта маломощных ИИП, которые применяются в зарядках телефонов и т.п. Вторая — на 60 Вт для ремонта ИИП телевизоров, усилителей и других относительно-мощных ИИП. Переключатель ламп находится под выключателем питания. К сожалению он позволяет только добавить лампу в 60Вт в параллель к 15-ваттной. Это не совсем логично, но мне очень хотелось применить именно такой, вытяжной выключатель от старой АТС. Он мне так напоминает выключатель питания моего первого осциллографа С1-83, который как раз включался вытяжным выключателем. Ностальгия случается и с котами. Вы можете применить другой выключатель, а лучше переключатель.

Схема блока автоматики.
   Блок автоматики питается от дополнительной обмотки трансформатора. Величина переменного напряжения – 18В. За основу блока автоматики взято вот это устройство https://www.drive2.ru/c/292144/ изначально предназначенное для автомобиля. Уж очень мне понравилась идея управлять одной кнопкой. В польском прототипе использовались раздельные конопки и механический микровыключатель в розетке для автоматического сброса при отключении нагрузки. Я применил электронный, на фотореле (DD1/1, DD1/2 на принципиальной схеме). На элементах DD1/3 и DD1/4 собран генератор 1Гц для моргания светодиодной панелью в режиме 1.

   Модернизированная розетка. В начале я хотел применить механический микропереключатель и купил для этой цели стенную розетку со шторкой и крышкой турецкой фирмы ViKo. Однако, эксперименты показали, что крышка совсем не нужна и только мешает работе, я ее аккуратно срезал дремелем и разместил на ее месте табло из семи ярких синих светодиодов. Диоды спаял последовательно на полосочке макетной платы и поместил в прозрачную термоусадку. Сверху прикрыл табло синим светофильтром из оргстекла. Шторка, прикрывающая контакты от детей, подпружинена достаточно мощной пружиной, преодолеть силу которой не просто. Я бы сдвигал прибор с места на столе, что не хорошо. Поэтому я решил сделать фотореле. На месте удаленной шторки в розетке я вклеил друг на против друга фотопару из инфракрасного светодиода АЛ107 и фотодиода ФД256. Если посмотреть в правую дырочку розетки через цифровой фотоаппарат телефона то свечение светодиода видно. Если фотодиод засвечен светом светодиода или естественным светом – транзистор VT1 открыт и микроконтроллер находится в состоянии Reset. Если в розетку вставить вилку, транзистор VT1 закроется, а VT2 откроется и загорится зеленый светодиод «Готов». При включении питания светодиод кратковременно вспыхивает из-за зарядки конденсатора С1. Работу микроконтроллера, программу для него, а так же детальнейшее описание его работы можно найти перейдя по ссылке, которую я указал выше. В качестве W1 использована «пищалка» от компьютера. Без генератора. Можно применить малогабаритную динамическоую головку. С пьезоизлучателем схема не работает. Звуковое сопровождение полезно и оживляет даже такое простое устройство.

Весь блок автоматики размещен на одной макетной плате. Печатная плата не разрабатывалась. Хотя по фотографии можно перенести проволочную «вязь» в рисунок для печатной платы. Это уже на Ваше усмотрение.

Примененные детали.
Трансформатор: готовый 220В на 36В. Был перемотан. Вторичная обмотка удалена, вместо нее намотал 944 витка проводом диаметром 0,55мм. Виток к витку, с межслойной изоляцией. Кроме этого намотана обмотка для питания блока автоматики. Она состоит из 75 витков такого-же провода. Трансформатор пропитан бакелитовым лаком горячей сушки.
Реле. Применены безродные реле от промышленных реле времени серии ВЛ-64. Реле на 24В постоянного тока. Хотя они нормально срабатывают и от 18В. Так же я остановился на этих реле потому что они имеют открытую электромагнитную систему, что позволяет оперативно проверять состояние контактов. Но реле крепились на плату. Поэтому я изготовил из стеклотекстолита две переходные платы для крепления реле. В принципе у Вас может быть другая конструкция как блока реле, так и прибора в целом.

Переключатель без фиксации (на фото черно-коричневый с винтовыми клеммами): от какой-то авиационной техники рассчитан на 10А
Вытяжной переключатель – от старой АТС. Применять не рекомендую. Крепить сложно, да и изоляция не рассчитана на 220В.
Остальные компоненты не должны вызывать вопросов: патроны для ламп стандартные, автомат на 6А тоже. Монтаж силовой части выполнен гибким проводом сечением 1,5мм2.

   Устройство смонтировано в подходящем корпусе. Снизу прикрутил резиновые ножки, что бы прибор не скользил по столу. Сверху не мешало – бы предусмотреть ручку. Прибор-то довольно тяжелый. Уже заказал ручку из Китая. Где то едет. Так, что прибор еще можно модернизировать. Работать с прибором просто и приятно. Больше никаих лампочек на столе, от которых прогорает сам стол или бумага на нем. Все аккуратно. Приборчик приятно «мурлыкает» при работе с «красной кнопкой». Кроме этого я нашел возможность оперативно проверять лампочки накаливания, не разбирая прибора. Для этого нужно «красной кнопкой» включить режим 2 и вывести переключатель кратковременного включения в положение 110В. При этом на лампочку (или группу ламп) будет подано 110В и в ее исправности легко убедиться посмотрев через окно (прикрытое красным светофильтром) на нить накала.

   Все вопросы как обычно, в личку, или на форум, если моя конструкция нуждается в обсуждении.
ЗЫ. Я благодарен пользователю с ником «Самокат ветерана» из сайта www//http:drive2.ru за то, что он сконструировал устройство которое мне идеально подошло. Не пришлось придумывать свой вариант.

Все вопросы в Форум.

Модули гальванической развязки ФЕ1874.1-АД

Цена: по запросу.
Доставка: в любой регион.

Межповерочный интервал прибора — 4 года.
Гарантия — 18 мес. (24 мес. — для атомного исполнения).
Приборы идут с первичной поверкой.

Приборы находят применение в составе АСУТП, на объектах теплоэнергетики, в оборудовании технической диагностики и делают возможным комплексно автоматизировать энергетический комплекс, отрасли машиностроения, нефтехимии и т.д.

• для энергоснабжения внешних преобразователей используется встроенный блок (U питания=24 В).
• если в работе применяется сдвоенный модуль, то образуется два гальванически развязанных канала, диапазон входного сигнала составляет 4 — 20 мА, выходной сигнал также — 4-20 мА.
• подключение двухпроводное — поставка электроэнергии к внешним преобразователям идет по токовой петле.
• по желанию заказчика модули могут быть упакованы во влагозащитную упаковку.

• предел основной приведенной погрешности — ±0,2%;
• гальваническая развязка между входными, выходными цепями и цепями питания;
• время установки выходного сигнала — не более 0,5с;
• амплитуда пульсаций выходного тока — не более ±0,1%;
• время установки рабочего режима — не более 15 минут;
• падение напряжения на входе при измерении тока — не более 1 В;
• входное сопротивление при измерении напряжения — не менее 10 МОм;
• электрическая прочность изоляции — 1500 В.

• преобразователя — от 10 до 36 В постоянного тока;
• внешних преобразователей — 24 В, мощность датчиков — до 2 Вт;
• питание модулей также возможно от сети переменного тока напряжением 220В, 50Гц при использовании блока питания П1870-АД.

Схемы подключения модулей:

• рабочий диапазон температур — от -10⁰С до +50⁰С;
• относительная влажность — до 98% при +25⁰С;
• сейсмостойкость — 8 баллов;
• степень защиты корпуса — IP 20;
• масса прибора — не более 0,2 кг;
• габаритные размеры — 26 х 77 х 111 мм;

Руководство по эксплуатации
Открыть | Скачать [726,97 Kb, pdf]

Декларация о соответствии
Открыть | Скачать [171,45 Kb, pdf]

Схема источника питания с гальванической развязкой » S-Led.Ru

Сложнее организовать питание от двух гальванически развязанных источников, если источником питания должен служить источник постоянного тока, например, бортовая сеть автомобиля или катера.

На рисунке представлена схема импульсного обратноходового источника, на выходе которого имеется два гальванически развязанных напряжения 15V, с максимально допустимым током по 1А. Если необходимо обычное двуполярное питание эти выходы можно соединить последовательно, — плюс одного с минусом другого, а точка соединения будет общим нулевым проводом.

Схема ставшая уже стандартной, — источник постоянного тока, импульсный генератор, импульсный трансформатор, выпрямители во вторичных цепях.

Напряжение 12V от автомобильного аккумулятора поступает на микросхему А1 типа LT1070 (обратноходовый DC-DC преобразователь). Цепь C1-C2-L1-C3-C4 заграждает путь помехам, которые могут проникать из систем автомобиля или катера.

Микросхема А1 формирует импульсы частотой около 40 kHz. На выходе микросхемы есть ключ, выведенный на вывод 4. Он нагружен первичной обмоткой импульсного трансформатора Т1. Цепь C6-R3-VD1 ограничивает отрицательные выбросы в обмотке.

Во вторичных обмотках наводится ЭДС. Обмотка 4 является контрольной. Переменное напряжение на ней выпрямляется диодом VD2 и через подстроечный резистор R2 поступает на контрольный вход микросхемы А1 (вывод 2). Система стабилизации выходного напряжения LN1070 работает таким образом, что контроллер микросхемы изменяет скважность импульсов на выводе 4 таким образом, чтобы напряжение на выводе 2 было равно 1,24V.

То есть, чтобы получить стабилизацию напряжения нужно снять напряжение с вторичной цепи и через делитель на резисторах подать его на вывод 2. Соотношение плеч делителя должно быть таким чтобы при нормальном напряжении на выходе, на выводе 2 было 1,24V. В данной схеме снимать напряжения для системы стабилизации с выхода нежелательно, так как изначально поставлена цель создания источника с гальванически развязанными выходными напряжениями как друг от друга, так и от первичных цепей. Поэтому здесь есть третий вторичный источник, состоящий из обмотки 4 и выпрямителя VD2-C7. Он служит только для получения контрольного напряжения. Так как обмотка 4 в составе трансформатора, то напряжение на ней в такой же зависимости от скважности импульсов, как и напряжения на других обмотках.

Трансформатор Т1 намотан на ферритовом кольце диаметром 28 мм. Первичная обмотка содержит 40 витков провода ПЭВ 0.47. Она наматывается первой Затем, на неё, в том же направлении нужно намотать вторичные обмотки 2 и 3. Берут такой же провод и сложив его вдвое наматывают 50 витков. Обмотка 4 — в том же направлении что и остальные, — 10 витков ПЭВ 0,12. Налаживание сводится к установке выходного напряжения подстройкой R2.

Гальваническая развязка при тестировании в Reference Audio Analyzer



При тестировании усилителей и ЦАП-ов с питанием от сети используется гальваническая развязка с полным исключением земляных петель. Ноутбук работает от собственной батареи, а E-MU1616m подключается через дополнительный развязывающий трансформатор 220/220 или к отдельному бесперибойному источнику питания, который в свою очередь полностью отключен от внешней сети.

Благодаря отдельному питанию измерительного комплекса отсутствуют земляные петли и полностью исключен фактор маскировки искажений за счет шума от земляных петель.

Последние протестированные продукты

Комментарии

Личный кабинет

Новости и обзоры

Отчеты измерений

On-line сервисы

Тестирование On-Line

RAA

Выставки в демонстрационном зале

Что такое развязывающие конденсаторы за 5 минут | ОРЕЛ

Для начинающих разработчиков электроники довольно стандартно забывать, насколько нестабильными могут быть входные напряжения, несмотря на то, насколько прочным может выглядеть этот блок питания. А когда вы работаете с микроконтроллерами или микропроцессорами в цифровой схеме, малейшие колебания напряжения могут привести к нежелательным результатам. Итак, что вы можете сделать, чтобы ваши ИС работали с плавным и чистым напряжением? Используйте развязывающие конденсаторы! Вот что они собой представляют и как использовать их в сегодняшнем Electronic Byte.

Что такое развязывающие конденсаторы

Разделительный конденсатор, также называемый байпасным конденсатором, действует как своего рода резервуар энергии. Вы найдете этих парней, которые обычно помещают как можно ближе к интегральной схеме (ИС) на макете печатной платы. После полной зарядки их задача — просто противодействовать любому неожиданному изменению входного напряжения источника питания. Когда разделительный конденсатор установлен, он выполняет одно из двух:

1. Если входное напряжение падает, то развязывающий конденсатор сможет обеспечить достаточную мощность для ИС, чтобы поддерживать стабильное напряжение.
2. Если напряжение увеличивается, то развязывающий конденсатор сможет поглощать избыточную энергию, пытающуюся пройти через ИС, что снова поддерживает стабильное напряжение.

Все это необходимо, потому что на типичной печатной плате присутствует тонна электрических шумов, а постоянные 5 В, которые, как мы думаем, протекают повсюду, на самом деле прыгают от одного компонента к другому.

Некоторые компоненты, такие как интегральные схемы, полагаются на то, чтобы их входное напряжение было как можно более стабильным, поэтому, когда вы поместите развязывающий конденсатор рядом с ИС, вы сможете защитить эти чувствительные микросхемы, отфильтровав любой избыточный шум и создав приятный внешний вид. устойчивый источник энергии.Что произойдет, если вы не используете разделительные конденсаторы рядом с микросхемой? Что ж, вы, скорее всего, столкнетесь с процессором, который начнет пропускать инструкции и вести себя ненормально.

Посмотрите на ИС на любой печатной плате, и вы обязательно найдете несколько конденсаторов поблизости. (Источник изображения)

Как использовать разделительные конденсаторы

Посмотрите схему ниже; он демонстрирует типичное применение того, как вы можете использовать развязывающие конденсаторы при размещении рядом с ИС. Как видите, у вас есть конденсатор 10 мкФ, расположенный дальше всего от ИС, который помогает сглаживать любые низкочастотные изменения входного напряжения.

Типичное применение разделительных конденсаторов рядом с ИС. (Источник изображения)

И затем у вас есть конденсатор 0,1 мкФ, расположенный ближе всего к ИС. Это поможет сгладить любой высокочастотный шум в вашей цепи. Когда вы объедините эти два конденсатора вместе, вы обеспечите плавное, непрерывное напряжение на ИС, с которой она будет работать. При работе с разделительными конденсаторами собственной конструкции помните следующие три вещи:

• Размещение. Вам всегда нужно подключать развязывающие конденсаторы между источником питания, будь то 5 В или 3,3 В, и землей.
• Расстояние . Вы всегда должны размещать развязывающие конденсаторы как можно ближе к микросхеме. Чем дальше они будут, тем менее эффективны.
• Рейтинги. В качестве общей рекомендации мы всегда рекомендуем добавлять один керамический конденсатор емкостью 100 нФ и электролитический конденсатор емкостью 0,1–10 мкФ большего размера для каждой интегральной схемы на вашей плате.

Сохранение жизни вашей интегральной схемы

Вот и все, что вам может понадобиться знать о разделительных конденсаторах, всего за 5 минут в сегодняшнем электронном байте. Интегральные схемы — это очень чувствительная группа, и без бесперебойного источника питания вы, вероятно, столкнетесь с пропущенными инструкциями и другим странным поведением. Разместив набор развязывающих конденсаторов рядом с одной из ваших микросхем, вы убедитесь, что они всегда будут получать плавное входное напряжение, независимо от того, какие электрические помехи присутствуют на вашей печатной плате.

Готовы начать свой следующий проект по разработке электроники с разделительных конденсаторов? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня!

Заземление и развязка: изучите основы сейчас и избавьтесь от горя позже! Часть 2: развязка

Понимание необходимости развязки на основе технических требований по отказу от источника питания

В прошлой статье мы подчеркнули важность поддержания заземления с низким импедансом, чтобы обеспечить путь для цифровых и аналоговых обратных токов.В этой статье обсуждается не менее важная и связанная с этим тема развязки источника питания для поддержания низкого импеданса в точках, где мощность поступает на интегральную схему (ИС).

Аналоговые интегральные схемы, такие как усилители и преобразователи, имеют как минимум два или более контактов питания. В случае устройств с однополярным питанием один из выводов обычно соединяется с землей. Устройства со смешанными сигналами, такие как АЦП и ЦАП, могут иметь аналоговое и цифровое напряжение питания, а также напряжение ввода-вывода.Цифровые ИС, такие как ПЛИС, также могут иметь несколько напряжений источника питания, таких как напряжение ядра, напряжение памяти и напряжение ввода-вывода.

Независимо от количества выводов питания, в технических паспортах IC указаны допустимые диапазоны для каждого источника питания как для рекомендованных рабочих диапазонов, так и для абсолютных максимальных значений, и эти пределы должны соблюдаться как для правильной работы, так и для предотвращения повреждений.

Однако небольшие колебания напряжения источника питания из-за шума или пульсации источника питания — даже если они остаются в пределах рекомендованных рабочий диапазон — может привести к снижению производительности устройств.

В случае усилителя, например, небольшие изменения источника питания вызывают небольшие изменения входного и выходного напряжения, как показано на рисунке 1.

Чувствительность усилителя к изменению напряжения источника питания часто количественно определяется коэффициентом отклонения источника питания (PSRR) и определяется отношением изменения напряжения источника питания к изменению выходного напряжения.Пожалуйста, обратитесь к Tutorial MT-043 для более подробного обсуждения.

На рисунке 1 показано, как PSR типичного высокопроизводительного усилителя (OP1177) ухудшается с частотой примерно 6 дБ / октаву (20 дБ / декаду). Кривые показаны как для положительного, так и для отрицательного напряжения. Несмотря на 120 дБ при постоянном токе, PSRR быстро падает на более высоких частотах, где все больше и больше нежелательной энергии в линии электропередачи будет напрямую связываться с выходом.

Если усилитель управляет нагрузкой и в шинах питания присутствует нежелательный импеданс, то ток нагрузки модулирует шины питания, тем самым создавая повышенный шум и искажения в сигнале переменного тока.

Производительность преобразователей данных и других ИС со смешанными сигналами также ухудшается из-за шума в источниках питания, хотя фактическое значение PSRR может не быть указано в таблице данных. Шум источника питания также может влиять на цифровые схемы различными способами, включая уменьшение запаса помехоустойчивости логического уровня и введение ошибок синхронизации из-за джиттера часов.

Правильная локализованная развязка является обязательной на печатной плате

Типичная 4-слойная печатная плата обычно проектируется со слоем заземления, слоем мощности, а также верхним и нижним сигнальными слоями.Контакты заземления ИС для поверхностного монтажа подключаются к плоскости заземления напрямую через переходные отверстия на контактах, тем самым сводя к минимуму нежелательный импеданс в заземляющем соединении.

Шина источника питания обычно расположена на уровне плоскости питания и направляется к различным выводам питания ИС. Простая модель ИС, показывающая соединения питания и заземления, показана на Рисунке 2.

Токи, генерируемые внутри ИС, показаны как ток I _T .Ток, протекающий через импеданс следа Z, вызывает изменение напряжения источника питания V _S . В зависимости от PSR IC это может привести к различным типам снижения производительности, как обсуждалось ранее.

Чувствительность к шуму питания и пульсации можно свести к минимуму, подключив соответствующий тип локализованного развязывающего конденсатора непосредственно между выводом питания и заземляющей пластиной, причем соединение должно быть как можно более коротким. Разделительный конденсатор действует как накопитель заряда для переходного тока и шунтирует его непосредственно на землю, тем самым поддерживая постоянное напряжение источника питания на ИС.Хотя путь обратного тока проходит через заземляющую пластину, обратный ток обычно не вызывает значительного напряжения ошибки из-за низкого импеданса заземляющей пластины.

На рис. 3 показано, как высокочастотный развязывающий конденсатор должен располагаться как можно ближе к микросхеме. В противном случае индуктивность соединительной дорожки отрицательно скажется на эффективности развязки.

Рисунок 3. Правильное и неправильное размещение высокочастотного развязывающего конденсатора.

На левой диаграмме на Рисунке 3 соединение как с выводом питания, так и с землей как можно короче, поэтому это была бы наиболее эффективная конфигурация. Однако на правой диаграмме на рисунке 3 дополнительная индуктивность и сопротивление на дорожке печатной платы вызовут снижение эффективности схемы развязки и могут вызвать проблемы с помехами из-за увеличения замкнутого контура.

Выбор правильного типа развязывающих конденсаторов

Для развязки низкочастотного шума обычно требуются электролитические конденсаторы (обычно от 1 мкФ до 100 мкФ), которые действуют как резервуары заряда для низкочастотных переходных токов.Высокочастотный шум источника питания лучше всего снижается с помощью керамических конденсаторов для поверхностного монтажа с низкой индуктивностью, подключенных непосредственно к контактам источника питания ИС (обычно от 0,01 мкФ до 0,1 мкФ). Все развязывающие конденсаторы должны подключаться непосредственно к заземляющей пластине с низким сопротивлением, чтобы быть эффективными. Для этого соединения с минимизировать дополнительную последовательную индуктивность.

В большинстве технических паспортов IC показаны рекомендуемые схемы развязки источника питания в разделе приложений, и эти рекомендации всегда следует выполнять, чтобы гарантировать правильную работу устройства.

Ферритовые шарики (непроводящая керамика, изготовленная из оксидов никеля, цинка, марганца или других соединений) также могут использоваться для развязки в фильтрах источника питания. На низких частотах (<100 кГц) ферриты являются индуктивными, поэтому их можно использовать в LC-фильтрах низкочастотной развязки. На частотах выше 100 кГц ферриты становятся резистивными (низкая добротность). Импеданс феррита зависит от материала, диапазона рабочих частот, постоянного тока смещения, количества витков, размера, формы и температуры.

Ферритовые бусины не всегда необходимы, но они добавляют дополнительную изоляцию от высокочастотного шума и развязку, что часто бывает желательно.Возможные предостережения здесь заключаются в том, чтобы убедиться, что шарики никогда не насыщаются, особенно когда операционные усилители управляют высокими выходными токами. Когда феррит насыщается, он становится нелинейным и теряет свои фильтрующие свойства.

Обратите внимание, что некоторые ферриты даже до полного насыщения могут быть нелинейными. Следовательно, если силовой каскад должен работать с низким выходным искажением, феррит следует проверить на прототипе, если он работает вблизи этой области насыщения. Типичные импедансы ферритовых бусин показаны на рисунке 4.

Неидеальное поведение конденсаторов из-за паразитного сопротивления и индуктивности требует тщательного обдумывания при выборе правильного типа для приложений развязки. Обсуждение развязки продолжается в следующем столбце, где мы исследуем различные типы развязывающих конденсаторов и их применение.

Итак, мы завершаем колонку традиционной викториной по схемам. Решение можно найти на форуме StudentZone на EngineerZone. ^®

Рекомендации

Указание по применению AN-1142, Методы компоновки печатной платы высокоскоростного АЦП. Analog Devices, январь 2012 г.

Учебник MT-100, Методы макетирования и прототипирования. Analog Devices Inc., 2009.

Учебное пособие MT-101, Методы развязки. Analog Devices, Inc., 2009.

Учебное пособие MT-031, Заземление преобразователей данных и решение тайны «AGND» и «DGND».Analog Devices, Inc., 2009.

Что такое развязывающий конденсатор и как узнать, нужен ли он?

Обычно люди дают одно объяснение, когда их спрашивают, какова функция развязки конденсаторов, но на самом деле они выполняют несколько задач.

Вот список вещей, которые мне известны:

Уменьшают отскок от земли

Отскок от земли — это явление, при котором изменяющаяся разность напряжений на земле отрицательно влияет (в основном) на аналоговые и (иногда) цифровые сигналы.Для аналоговых сигналов, таких как, например, аудио, это может проявляться в виде высокого шума. Для цифровых сигналов это может означать переходы отсутствующих / задержанных / ложных сигналов.

Изменяющаяся разность напряжений вызывается созданием и коллапсом магнитных полей, вызванных изменением протекания тока.

Чем длиннее путь, по которому протекает ток, тем выше связанная с ним индуктивность и тем сильнее становится отскок земли. Множественные пути прохождения тока также усугубляют проблему, а также скорость, с которой изменяется ток.

Очевидно, что ток протекает между источником питания и подключенной ИС, но несколько менее очевидно также между «взаимодействующими» ИС. Текущий поток, связанный с двумя ИС, выглядит следующим образом; блок питания -> IC 1 -> IC 2 -> Земля -> блок питания.

Разделительный конденсатор эффективно уменьшает длину пути тока, работая как источник питания, тем самым уменьшая индуктивность и, следовательно, колебания земли.

Предыдущий пример становится; Цоколь -> IC 1 -> IC 2 -> Земля -> Цоколь

Поддерживают стабильный уровень напряжения

Колебания уровня напряжения могут быть вызваны двумя причинами:

• Индуктивность дорожки / провода снижает максимальную скорость изменения тока через эту дорожку / провод; внезапное увеличение «спроса» на ток приведет к падению напряжения; внезапное снижение «спроса» на ток приведет к скачку напряжения.
• Источникам питания (особенно импульсного) требуется время, чтобы среагировать, и они будут немного отставать от текущего спроса.

Разделительный конденсатор сглаживает потребление тока и уменьшает любые падения или скачки напряжения.

Они МОГУТ снизить EMI (трансмиссия)

Когда мы говорим об электромагнитных помехах, мы имеем в виду либо передачу непреднамеренных электромагнитных помех, либо получение преднамеренных или непреднамеренных электромагнитных сигналов, которые мешают работе вашего устройства.Обычно это относится к самой трансмиссии.

Размещение (развязка) конденсаторов между плоскостями питания и земли изменяет коэффициент передачи в диапазоне частот. По-видимому, использование только одного значения для ваших конденсаторов для всей печатной платы, а также конденсаторов с потерями / высоким сопротивлением — это путь, если вам нужно уменьшить EMI, однако это идет вразрез с общей практикой (которая защищает порядок увеличения емкости по мере приближения к источнику питания).Большинство людей на самом деле не заботятся об электромагнитных помехах, если они создают схемы для своего хобби (хотя радиолюбители обычно это делают), но это становится неизбежным, когда вы разрабатываете схему для массового производства.

А (развязывающий) конденсатор МОЖЕТ уменьшить непреднамеренное электромагнитное излучение, создаваемое вашей схемой.

Чтобы ответить на оставшиеся вопросы ..

Как узнать, нужен ли он мне, и если да, то какого размера и где он нужен? идти?

Обычно вы устанавливаете развязывающий конденсатор, когда это возможно, выбирая наименьший физический размер с наибольшим значением как можно ближе к выводу источника питания ИС.

Будет ли 4-битный сдвиговый регистр параллельного доступа SN74195N использоваться с Ардуино нужен? (Чтобы использовать мой текущий проект в качестве примера) Почему или почему нет?

Это, вероятно, сработает нормально, но зачем беспокоиться о «вероятно», если вы можете увеличить шансы, разместив компонент, который стоит несколько центов, а в некоторых случаях даже один цент?

— Конденсаторы развязки: какого размера и сколько?

Конденсаторы из X7R (и тем более Y5V) имеют огромную зависимость емкость / напряжение.Вы можете убедиться в этом сами в отличном браузере онлайн-характеристик продуктов Murata (Simsurfing) по адресу ttp: //ds.murata.co.jp/software/simsurfing/en-us/

Зависимость напряжения керамического конденсатора поразительна. Конденсатор X7R может иметь не более 30% номинальной емкости при номинальном напряжении. Например, конденсатор Murata на 10 мкФ GRM21BR61C106KE15 (корпус 0805, X5R), рассчитанный на 16 В, даст вам емкость всего 2,3 мкФ при напряжении 12 В постоянного тока при температуре 25 ° C. Y5V в этом плане намного хуже.

Чтобы получить емкость, близкую к 10 мкФ, необходимо использовать GRM32DR71E106K с номиналом 25 В (корпус 1210, X7R), что дает 7,5 мкФ при тех же условиях.

Кроме зависимостей постоянного напряжения (и температуры), настоящий «керамический конденсатор микросхемы» имеет сильную частотную зависимость, действуя как шунты развязки мощности. На сайте Murata представлены графики частотных зависимостей Z |, R и X для их конденсаторов, просмотр которых дает вам представление о фактических характеристиках той части, которую мы называем «конденсатором», на разных частотах.

Настоящий керамический конденсатор можно смоделировать с помощью идеального конденсатора (C), соединенного последовательно с внутренним сопротивлением (Resr) и индуктивностью (Lesl). Существует также изоляция R параллельно с C, но если вы не превысите номинальное напряжение конденсатора, это неважно для приложений с развязкой мощности.

^{смоделировать эту схему — Схема, созданная с помощью CircuitLab}

Таким образом, керамические конденсаторы микросхемы будут действовать как конденсаторы только до определенной частоты (саморезонансной для последовательного LC-контура, которым на самом деле является настоящий конденсатор), выше которой они начинают действовать как индукторы.Эта частота Fres равна sqrt (1 / LC) и определяется как составом керамики, так и геометрией конденсатора — как правило, меньшие корпуса имеют более высокий Fres.Кроме того, конденсаторы имеют чисто резистивный компонент (Resr), который в основном возникает из-за потерь в керамике. и определяет минимальный импеданс, который может обеспечить конденсатор. Обычно оно находится в диапазоне милли-Ом.

На практике для хорошей развязки я использую 3 типа конденсаторов.

Более высокая емкость около 10 мкФ в корпусе 1210 или 1208 на интегральную схему, которая покрывает от 10 кГц до 10 МГц с шунтом менее 10-15 мил-Ом для шума линии питания.

Затем на каждый вывод питания IC я поставил два конденсатора — один 100 нФ в корпусе 0806, покрывающий от 1 до 40 МГц с шунтом 20 миллиОм, и один 1 нФ в корпусе 0603, покрывающий 80-400 МГц с шунтом 30 миллиом. Это более или менее охватывает диапазон от 10 кГц до 400 МГц для фильтрации шума линии электропередачи.

Для чувствительных цепей питания (таких как цифровая ФАПЧ и особенно аналоговая) я использую ферритовые бусины (опять же, у Murata есть браузер характеристик для них) с номиналом от 100 до 300 Ом на частоте 100 МГц. Также неплохо разделить заземление между чувствительными и обычными цепями питания.Таким образом, общая схема схемы питания ИС выглядит следующим образом: 10 мкФ C6 на корпус IC и 1 нФ / 100 нФ C4 / C5 на каждый вывод питания:

^{смоделировать эту схему}

Говоря о маршрутизации и размещении — питание и земля сначала направляются на конденсаторы, только на конденсаторах мы подключаемся к плоскостям питания и заземления через переходные отверстия. Конденсаторы емкостью 1 нФ размещены ближе к выводам микросхемы. Конденсаторы должны быть размещены как можно ближе к выводам питания, не более 1 мм длины дорожки от контактной площадки конденсатора до контактной площадки ИС.

Переходные отверстия и даже короткие дорожки на печатной плате создают значительную индуктивность для частот и емкости, с которыми мы имеем дело. Например, переходное отверстие диаметром 0,5 мм в печатной плате толщиной 1,5 мм имеет индуктивность 1,1 нГн от верхнего до нижнего слоя. Для конденсатора 1 нФ это приводит к тому, что Fres составляет всего 15 МГц. Таким образом, подключение конденсатора через сквозное отверстие делает невозможным использование конденсатора с низким Resr емкостью 1 нФ на частотах выше 15 МГц. Фактически реактивное сопротивление 1,1 нГн на частоте 100 МГц составляет 0,7 Ом.

След длиной 1 мм, шириной 0,2 мм, 0.На высоте 35 мм над силовой панелью будет сопоставимая индуктивность 0,4 нГн, что снова делает конденсаторы менее эффективными, поэтому попытка ограничить длину дорожки конденсатора до долей миллиметра и сделать их как можно более широкими имеет большой смысл.

батарей — Нужны ли развязывающие конденсаторы при питании от батарей?

В общем, вы всегда должны их использовать. Это просто то, что вам не повредит, но может вызвать серьезные проблемы, которые нужно игнорировать.

Вы, вероятно, не видели каких-либо серьезных проблем с вашими батареями, потому что они расположены относительно близко к вашим чипам и потому что у них есть внутреннее сопротивление, чтобы подавлять высокочастотные сигналы.

Это все еще может вызвать проблемы с питанием высокочастотных сигналов. Если микроконтроллер работает на частоте 20 МГц, вы получаете 20e6 импульсов тока в секунду. Это может показаться не такой уж большой проблемой, но когда сразу изменяется достаточное количество входов, вы можете вызвать дребезг заземления или многие аналогичные проблемы, которые возникают из-за путей с высокой индуктивностью на землю.

В статье в Википедии есть некоторая предыстория, если она помогает.

Немногое о терминологии развязывающих конденсаторов

Задача развязывающего конденсатора — «развязать» мощность, потребляемую вашим устройством, от остальной цепи.Если развязывающий конденсатор выполняет свою работу, вы будете измерять только потребляемую мощность постоянного тока. Они удаляют волну переменного тока.

Есть разные термины для разделительных конденсаторов.

Конденсаторы большой емкости действуют как большие источники питания, которые могут обеспечивать питание в течение периодов времени, они необходимы для работы. Без насадки фильтра у вас должен быть зависящий от времени ток, поскольку ваш чип потребляет питание в своем цикле.

Байпасные конденсаторы часто бывают более низкого номинала и предназначены для ограничения высоких частот.По мере уменьшения частоты сопротивление конденсаторов уменьшается. Конденсатор меньшего номинала имеет более высокий импеданс. Эти небольшие конденсаторы являются основой для прекращения высокочастотных волн.

Декадные конденсаторы — это еще один термин для обозначения байпасных конденсаторов, но название подразумевает большее. Если у вас объемный колпачок фильтра .1 мкФ, то ваши декадные ограничения будут составлять 0,01 мкФ, 0,001 и даже 0,001 мкФ в зависимости от того, что вы делаете. Обычно я вижу только 1 декаду, но раньше мне приходилось использовать 2 или 3.

и конденсатор байпаса — Работа и применение

Конденсаторы — один из наиболее часто используемых пассивных компонентов.От простых схем усилителя до сложных схем фильтров, вы можете найти их использование во многих аналоговых и силовых электронных схемах. Хотя мы уже узнали основы конденсатора и то, как он работает, существует множество применений для конденсаторов. Обходные конденсаторы и развязывающий конденсатор — это два таких прикладных термина, которые широко используются при обозначении конденсатора в цепи. В этой статье мы узнаем об этих двух типах конденсаторов, как они работают в конструкции и , как выбрать конденсатор , который будет использоваться в качестве байпасного конденсатора или развязывающего конденсатора.

Термины «Байпасные конденсаторы» и «Разделительный конденсатор» взаимозаменяемы, но у них есть свои различия. При питании любого устройства основная цель — обеспечить очень низкий импеданс (относительно земли) для входной мощности. Для достижения этого условия в схемы вводится шунтирование. Чтобы понять разницу между двумя типами конденсаторов, давайте углубимся в них.

Конденсатор развязки

Конденсаторы развязки используются для развязки или развязки двух разных схем или локальной схемы от внешней схемы, другими словами, развязывающий конденсатор используется для развязки сигналов переменного тока от сигналов постоянного тока или наоборот.

Реальный факт заключается в том, что развязывающий конденсатор используется для обеих целей, и мы можем определить развязывающие конденсаторы как конденсатор, который используется для устранения искажений мощности и шума и защиты системы / ИС, обеспечивая чистый источник постоянного тока.

Процесс развязки действительно важен, когда речь идет о логических схемах. Например, рассмотрим логический вентиль, который может работать при напряжении питания 5 В, если напряжение превышает 2,5 В, он будет считаться сигналом высокого уровня, а если напряжение упадет ниже 2.5 В будет читаться как низкий сигнал. Таким образом, если в питающем напряжении присутствует шум, он вызывает высокие и низкие уровни в логической схеме, поэтому конденсаторы связи постоянного тока широко используются в логических схемах

С = 1 / 2πfXC 

С = 1/2 (3.14) (50) (44)