Насколько импульсные источники питания хуже линейных?

Время от времени инженеры спорят о том, какой тип источника питания включить в состав лабораторной контрольно-измерительной системы или производственной автоматизированной системы тестирования. Что, в конце концов, следует выбрать: импульсный источник питания (ИИП) или линейный источник питания (ЛИП)? ИИП имеют следующие преимущества: высокую эффективность, небольшие размеры и низкое тепловыделение, а ЛИП, как правило, больше и тяжелее. Тем не менее ключевым фактором при выборе между ИИП и ЛИП является уровень электрических шумов. Распространено мнение, что ИИП шумят в большей мере, чем ЛИП.
Источники электропитания, применяемые в составе контрольно-измерительного оборудования, используются для питания и измерения параметров тестируемых изделий. Управление настольными источниками питания осуществляется, как правило, с помощью ручек или клавиатуры с их передней панели, а в автоматизированных системах для управления используются интерфейсы GPIB, LAN/LXI или USB. Импульсные источники питания для измерений появились в конце 1970-х гг. Однако высокий уровень электрических помех в первых моделях не позволял использовать такие приборы для тестирования устройств, чувствительных к шуму.
С годами конструкция ИИП совершенствовалась, но мнение о них не успевало изменяться с той же скоростью, что и реальное положение дел с ИИП. Предвзятое отношение, основанное на старом неудачном опыте, может так и остаться неизменным из-за ограниченного понимания природы электрических помех и механизма их воздействия на испытуемое устройство (ИУ).
Одной из причин негативного отношения к импульсным источникам питания является то, что они, как правило, используют преобразователь с рабочей частотой 50–100 кГц. Электрический шум генерируется на этой частоте преобразования и ее гармониках. В противоположность этому, линейные источники питания создают шумы на частоте сети (50/60 Гц) и ее гармониках, а такой низкочастотный шум легче подавить.
Рассмотрим три основных измеряемых значения шума: дифференциальный шум двойного размаха, среднеквадратичный дифференциальный шум и синфазный шум. Дифференциальным шумом называют шум, который возникает на положительном выводе относительно минусового вывода источника питания. Синфазный шум определяется как шум, который имеет одинаковое значение и на положительном, и на отрицательном полюсах по отношению к земле (см. рис. 1).

Рис. 1. Источники шума в типовой схеме источника питания

Для большинства источников питания, предлагающихся на рынке, указывается только среднеквадратичное значение дифференциального шума. Тем не менее существуют еще дифференциальный шум двойного размаха и синфазный шум, которые могут причинить ИУ не меньший вред. Для многих источников питания значение дифференциального шума двойного размаха может быть в 10 раз выше среднеквадратичного значения. Кроме того, влияние синфазного шума далеко не всегда очевидно и, учитывая, что его значение также редко приводится в технических характеристиках, он может оказаться виновником множества проблем при взаимодействии с ИУ.
Мысль о том, что источник питания может создавать высокочастотный шум, вызывает тревогу. Однако обычные проводники между выходом блока питания и ИУ создают распределенную индуктивностью и емкость, выступая в качестве фильтров ВЧ-шума. В результате в 80–90% случаев высокочастотный шум не имеет значения, поскольку он никогда не достигает ИУ из-за фильтрующего влияния соединительных проводов. Тем не менее в 10–20% случаев шум сказывается на результатах измерений.
Поскольку дифференциальный шум представляет собой разность уровней шума на положительном и отрицательном полюсах питания, он может негативно повлиять на испытуемое устройство. Поскольку уровень синфазного шума одинаков на обоих полюсах относительно земли, он оказывается «невидимым» для ИУ. Хотя, в отличие от дифференциального шума, напряжение синфазного шума не влияет на ИУ, следует отметить, что он может вызвать в ИУ излучаемые и перекрестные помехи.
Учитывая, что напряжение синфазного шума одинаково на обоих полюсах источника питания, ток синфазного шума, протекающий по обоим проводникам при подключении нагрузки, одинаков. На рисунке 2 показаны токи синфазного шума Icm1 и Icm2, которые протекают через эквивалентные сопротивления Z1 и Z2 каждого проводника. На сопротивлении наблюдается падение напряжения синфазного шума. Пока значения импедансов обоих проводников близки, оно за счет шума одинаково в каждом проводнике, и именно поэтому шум «невидим» для ИУ. Однако если импедансы проводников различны, падение напряжения в каждом проводнике разное. Эта разница приводит к разности потенциалов между положительным и отрицательным проводниками и поэтому рассматривается как напряжение дифференциального шума. Таким образом, ток синфазного шума преобразуется в напряжение дифференциального шума за счет разницы импедансов проводников. Этот неуказанный в технических характеристиках невидимый синфазный шум начинает приносить вред, но его не составляет труда обнаружить и измерить с помощью осциллографа.

Рис. 2. Синфазный ток при протекании через сопротивления Z1 и Z2 превращается в напряжение дифференциального шума

Типичный импульсный источник питания будет иметь высокое значение синфазного шума, если при проектировании этого устройства не принять соответствующие меры. Поскольку обычно уровень синфазного шума не указывается в технических характеристиках, при выборе ИИП разработчик не понимает, что перед ним — хорошо продуманный импульсный источник питания с низким уровнем синфазного шума или обычный ИИП, в котором не предусмотрено подавление синфазного шума.
В таблице 1 проводится сравнение токов синфазного шума в зависимости от качества конструкции.

Если вы проводите высокочувствительные измерения, то выбор источника питания с низким уровнем шума имеет большое значение. Ток синфазного шума может представлять собой скрытую опасность. Как узнать, достаточно ли хорош выбранный источник питания, особенно если не указано значение тока синфазного шума? Является ли источник питания достаточно качественным? Или все модели, в основном, одинаковы?
Почему не все источники питания обладают низким значением синфазного шума? Проектирование таких устройств является очень сложной задачей, а большинство разработчиков источников питания не имеет специальных знаний и многолетнего опыта реализации схемотехнических решений ИИП, обеспечивающих низкий уровень синфазного шума. Кроме того, снижение уровня синфазного шума требует применения дорогостоящих компонентов, приводящих к возрастанию цены ИП.
Только те производители, которые специально занимаются вопросами снижения шумов ИИП, могут поставлять источники питания для контрольно-измерительных систем, обладающие низким уровнем синфазных помех, сравнимым с шумами ЛИП. Например, компания Agilent Technologies имеет более чем 25-летний опыт конструирования ИИП. Компания разработала уже седьмое поколение архитектуры импульсных источников питания с током синфазного шума, равным 3 мА. Во-первых, шум уменьшается за счет снижения искажений импульсов в цепях преобразователя. Кроме того, Agilent использует запатентованную многоуровневую фильтрацию синфазного шума, приводящую к уменьшению гармоник на выходе источника питания. Помимо того, что ИП обладают низким уровнем синфазного шума, в них также снижен дифференциальный шум за счет фильтров собственной разработки. Заглядывая вперед, Agilent внедряет новые технологии в разработки следующего поколения с целью снизить ток синфазного шума до микроампер.
Инженеры ценят такие преимущества импульсных источников питания, как малые размеры, низкую стоимость, повышенную эффективность и экологичность, низкое тепловыделение и широкую номенклатуру источников питания для контрольно-измерительных систем. Тем не менее при выборе ИИП следует учитывать шум, особенно синфазный шум. В большинстве приложений, даже тех, в которых уже давно не применялись ИИП, инженеры вполне успешно используют предлагаемые компанией Agilent современные импульсные источники питания, отличающиеся низким шумом.
Конечно, существуют и некоторые другие приложения, такие как тестирование ГУН, схем ФАПЧ и высокочувствительных приемников, где ИУ чрезвычайно восприимчивы к шуму. Для таких приложений требуется источник питания с низким уровнем фликер-шума (который, как правило, указывается в нВ/√Гц), поскольку этот низкочастотный шум может стать источником джиттера. При проведении таких испытаний линейные источники питания незаменимы, т.к. они имеют очень низкий фликер-шум.