Генерация помех в цепях питания постоянного тока

Постоянный ток и помехи в цепях постоянного тока

Постоянный ток не всегда постоянен. При разработке систем, рассчитанных на питание постоянным током, нужно учитывать наличие шума или воздействие иных помех на цепь питания. Попробуем обсудить методы создания низкочастотных помех (глитчей, провалов, скачков, всплесков), длительность которых может составлять 100 мкс и более, а диапазон частот — 10 кГц и менее. (Нужно учитывать, что низкочастотные шумы (например, фон переменного тока 50/60 Гц), которые мы не будем рассматривать в этой статье, тоже могут создавать серьезные проблемы генерации в диапазоне от кГц до МГц или даже до ГГц).

Причины помех могут быть самыми разными. Помехи от источника могут обуславливаться событиями, вызывающими изменение его параметров, например, изменение выходной мощности источника из-за изменения внешних условий (облако закрыло солнечную панель или автомобильный генератор изменил скорость вращения). Помехи могут возникать и из-за изменения нагрузки, например, в результате подключения к сети постоянного тока нового устройства или из-за включения/выключения подсистем, которые периодически отключаются для экономии энергии.

Проектируя систему с питанием постоянным током, инженер должен учитывать влияние помех в цепи питания на общую работу системы. Конечно, обычные помехи в цепи питания постоянного тока, например, подключение нового устройства, не станут причиной полного нарушения работы схемы и не приведут к зависанию, сбросу, потере данных или отказу других устройств, подключенных к тому же источнику постоянного тока. Таким образом, тестирование систем, рассчитанных на питание постоянным током, потребует имитации помех в цепи питания для проверки работоспособности системы. Основные требования к источнику питания для генерации помех в цепи питания постоянного тока приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные требования к источнику питания для генерации помех в цепи питания постоянного тока

Характеристики источника питания	Требования к генерации помех постоянного тока
Напряжение, ток и мощность	Достаточны ли значения напряжения, тока и мощности для номинального рабочего режима и генерации помех?
Время нарастания на выходе	Можно ли изменять выходное напряжение достаточно быстро для генерации помех?
Время спада на выходе	Имеется ли программатор снижения, который позволит быстро изменять напряжение для создания отрицательных перепадов?
Аналоговое программирование	Имеется ли порт аналогового программирования, который позволит создавать помехи с помощью генератора сигналов произвольной формы в качестве источника и источника питания в качестве усилителя?
Или
Быстрое программирование выхода	Достаточно ли быстродействие источника питания, чтобы можно было передать последовательность компьютерных команд и быстро перепрограммировать/изменить его выходное напряжение для создания помех нужной формы?
Или
Встроенный секвенсор выходного напряжения	Имеется ли в источнике питания режим программирования, который позволит загрузить сигнал помехи в источник питания и заставить его генерировать этот сигнал для создания помехи?

Примеры систем постоянного тока и возможных помех

Многие системы и устройства питаются от источников постоянного тока. Такая система будет работать нормально, если в линии питания поддерживается номинальное рабочее напряжение в пределах допустимого отклонения.

Обычно мы считаем, что бортовая сеть автомобиля представляет собой сеть постоянного тока напряжением 12 В. Однако напряжение бортовой сети автомобиля подвержено различным колебаниям и помехам. Изменение скорости двигателя может вызвать флуктуации напряжения. Изменение нагрузки, например, включение стеклоподъемника, может вызвать просадку напряжения 12 В. Сильные переходные процессы возникают в бортовой сети во время запуска двигателя. Автомобильная электроника, от блока управления двигателем до развлекательных систем и измерительных приборов, должна выдерживать эти переходные процессы — немногим понравится, если компьютер управления двигателем зависнет при нажатии на тормоз или газ.

Если светодиодные осветительные приборы работают от распределительной сети постоянного тока, помехи в системе питания могут влиять на их видимое излучение. Помехи и переходные процессы могут вызывать нежелательное и неприятное мерцание светодиодов.

Если от одного источника постоянного тока питается несколько устройств или подсистем, подключение или отключение одних устройств может порождать переходные процессы, влияющие на другие устройства. При первом подключении USB-устройства бросок тока может превышать номинальный рабочий ток и даже максимальный допустимый ток 5-В источника шины USB. Это особенно характерно для мощных устройств, таких как жесткие диски USB, которые потребляют большой пусковой ток в момент пуска двигателя. Пусковой ток просаживает напряжение 5 В шины USB, и если напряжение упадет достаточно сильно, может привести к сбросу всех других устройств на шине USB. Вполне понятно, что такое событие может привести к потере данных.

Аналогично и пусковые токи могут создавать проблемы даже в системах с фиксированной конфигурацией, в которой не происходит подключение или отключение устройств. Например, при первом включении программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) она может потреблять значительный стартовый ток. Эти броски стартового тока, превышающие ток обычного рабочего режима до 10 раз, могут легко посадить источник питания системы, вызвав мгновенное снижение напряжения, что может неблагоприятно повлиять на другие компоненты и подсистемы, работающие от этого же источника, и вызвать их сброс или отключение. И хотя влияние пускового тока можно свести к минимуму, применив более мощный источник питания, это не всегда приемлемо, поэтому многие подсистемы нужно тестировать на устойчивость к пусковым токам, вызывающим помехи в цепи питания.

Практические аспекты генерации помех в цепях постоянного тока при тестировании

Конструкция системы должна обеспечивать стойкость к определенным типам помех в цепи питания постоянного тока. Это особенно важно для систем, которые должны обеспечивать совместимость с устройствами plug-n-play. Для среднестатистического пользователя важно, чтобы он мог включить новое устройство, и оно заработало бы, не оказывая влияния на другие устройства. Единственный способ добиться этого заключается в создании стандартов или технических условий на стабильность и качество питания постоянного тока и в последующей разработке устройств в соответствии с этими стандартами. При проведении научно-исследовательских работ или для проектирования инженерам нужен источник постоянного тока с управляемыми, воспроизводимыми помехами, который позволил бы тестировать новые устройства и гарантировать их соответствие стандартам или техническим условиям.

Чтобы проверить стойкость устройства к помехам в цепи питания постоянного тока, нужен специальный тип источника питания. Этот источник должен не просто выдавать напряжение постоянного тока, но и генерировать на выходе переменную составляющую в виде изменяющегося во времени переходного процесса, который можно программировать, создавая помехи нужной формы.

Инженеры давно пытаются (более или менее успешно) создать тестовый источник питания, который имитировал бы переходные процессы в цепи постоянного тока. В некоторых конструкциях использовался генератор сигналов произвольной формы, однако такой генератор может обеспечить достаточный ток питания лишь маломощных исследуемых устройств. Некоторые инженеры пытались усовершенствовать генератор, добавляя к нему усилитель мощности. В качестве такого усилителя мог использоваться усилитель специальной конструкции или серийно выпускаемый усилитель, например, автомобильный аудиоусилитель, который обладает большой выходной мощностью и широкой полосой пропускания. Но эти «радиолюбительские» решения нельзя считать универсальными, поскольку трудно добиться стабильности характеристик таких конструкций в широком диапазоне нагрузок. В результате источник приходится настраивать индивидуально для каждой нагрузки.

Выбирая серийно выпускаемый источник питания постоянного тока, способный генерировать переходные процессы, нужно учитывать его динамические характеристики. Во-первых, мощный каскад источника питания должен иметь достаточную скорость для генерации быстрых изменений напряжения. Этот параметр часто называют временем нарастания источника питания или временем отклика на команду.

Кроме того, источник питания должен обладать возможностью программирования, чтобы можно было создавать быстрые изменения выходного напряжения. Один из методов заключается в использовании источника питания, программируемого аналоговым способом. В этом случае генератор сигналов произвольной формы создает помехи нужной формы, а выход генератора подается на вход источника питания, который выступает в роли усилителя мощности. Другой метод заключается в применении источника питания, достаточно быстрого, чтобы реагировать на последовательность отдельных компьютерных команд и в соответствии с ними изменять выходное напряжение для генерации помех нужной формы. Третий метод заключается в выборе источника питания постоянного тока, обладающего встроенной возможностью программирования, в память которого можно загружать формы сигналов переходных процессов и воспроизводить их для создания помех.

Важным фактором, который нужно учитывать, является емкость цепи питания устройства, которая создает нагрузку на источник питания. Ток, необходимый для питания устройства, описывается уравнением I = C dv/dt. В результате с ростом скорости измерения напряжения растет и потребляемый ток. И если устройство имеет большую входную емкость, то при быстром измерении напряжения на входе тестируемого устройства может возникать очень большой ток. Поэтому надо учитывать ток, протекающий во время переходного процесса, а не только постоянный ток, потребляемый в нормальном рабочем режиме, и соответствующим образом выбирать мощность источника питания.

И, наконец, последним фактором является скорость, с которой источник питания способен снижать напряжение. Эта характеристика называется временем спада. Многие имеющиеся на рынке источники питания постоянного тока не могут снижать напряжение с той же скоростью, с которой они его повышают. Другими словами, время спада значительно превышает время нарастания. В типичном случае время нарастания составляет 20 мс, а время спада — 200 мс. Если тестируемое устройство имеет большую входную емкость, то, однажды зарядившись, конденсатор сохраняет заряд и удерживает постоянное напряжение. Если вы хотите снизить напряжение на тестируемом устройстве, конденсатор следует разрядить. Некоторые источники питания оборудованы специальной цепью, называемой программатором снижения или активной нагрузкой, которая подключает небольшую электронную нагрузку для создания тока, разряжающего конденсатор. В таких источниках питания время спада соответствует или не сильно отличается от времени нарастания, позволяя создавать быстрые переходные перепады обеих полярностей.

Выбор источника питания для создания помех в цепи питания постоянного тока

Поняв все практические моменты создания помех, давайте обратимся к имеющимся на рынке источникам питания. Многие предлагаемые источники питания могут обеспечить большой ток, необходимый во время переходных процессов, но большинство из них имеют большое время нарастания/спада, что делает их непригодными для генерации помех.

Некоторые изготовители выпускают быстрые источники питания с малым временем нарастания и с программатором снижения или даже источники питания, работающие в двух квадрантах, позволяющие реализовать быстрый спад напряжения. Такие источники лучше приспособлены для генерации помех, но им все еще нужен способ программирования, достаточно быстрый для создания переходных процессов. И снова потребуется аналоговое программирование, быстрое программирование выхода с компьютера или встроенный программатор выходного напряжения.

Некоторые инженеры предпочитают 4-квадрантные источники питания или биполярные источники питания с усилителями. Как правило, такие источники имеют малую мощность (<50 Вт) и очень высокую точность (иногда их называют SMU) или большую мощность (1000 Вт), но значительную массу и размеры. В любом случае, 4-квадрантный источник питания обходится значительно дороже обычного источника питания постоянного тока при той же выходной мощности. И хотя такой источник гораздо быст-рее обычного источника питания постоянного тока, при выборе 4-квадратнтного источника питания все нужно обращать внимание на его скорость. Более того, в связи с ограниченным выбором, поиск 4-квадрантного источника питания все же с достаточной скоростью и необходимыми напряжением и током может оказаться непростой задачей.

На рисунке 1 изображен анализатор питания постоянного тока компании Agilent Technologies — Agilent N6705A, который настроен на генерацию помех в цепи постоянного тока. Встроенный источник питания может генерировать переходные процессы мощностью до 600 Вт, со временем нарастания/спада менее 1 мкс и полосой 5 кГц. Встроенный генератор сигналов произвольной формы упрощает программирование помех. Встроенные измерительные функции позволяют инженерам визуализировать переходные процессы тока и напряжения.

Рис. 1. Анализатор питания постоянного тока Agilent N6705A