цифровая электроника
вычислительная техника
встраиваемые системы

 
» » Разработка и моделирование фильтров электромагнитных помех в LTspice


Разработка и моделирование фильтров электромагнитных помех в LTspice

Автор: Mike(admin) от 21-10-2020, 03:55

Как моделировать фильтры ЭМС в LTspice


LTspice представляет собой мощный инструмент для моделирования электронных схем. Он может выполнять простое моделирование с целью проверки функциональности новой схемы. Этот инструмент также выполняет комплексные анализы, такие как анализ наихудшего случая, оценка частотной характеристики или анализ шума за короткое время.


LTspice также полезен при моделировании шума и фильтров. Фильтры являются критическими элементами схемы для многих приложений. В частности, фильтры электромагнитных помех или электромагнитной совместимости (ЭМС) используются для уменьшения шума и помех. Чтобы получить точные результаты при моделировании, необходимо учитывать явления реальных схем. Паразитные составляющие играют ключевую роль в фильтрации, поскольку они могут вызвать противоположный эффект и усилить шум. В этой статье мы рассмотрим различные типы шума, присутствующие в цепи. Затем мы обсудим, как выполнить точное моделирование ЭМС-фильтра с помощью LTspice.


Прежде чем разрабатывать эффективный фильтр, нам нужно знать, какие виды шума могут присутствовать в цепи. Далее приводится простая схема, которая поможет объяснить два типа шума.


Разработка и моделирование фильтров электромагнитных помех в LTspice

Ток, генерируемый источником напряжения V1, будет циркулировать через R1. Затем он будет идти обратно к источнику. В идеальных условиях единственный ток и напряжение, присутствующие в цепи, будут генерироваться источником V1. Как показано ниже, шум, который следует в том же направлении, что и этот ток, называется дифференциальным шумом.


Разработка и моделирование фильтров электромагнитных помех в LTspice

Есть вторая ситуация, когда появляется синфазный шум. В этом случае направление шумового тока противоположно направлению обратного тока, текущего от нагрузки обратно к источнику.


Разработка и моделирование фильтров электромагнитных помех в LTspice

Чтобы фильтры были эффективными против помех, они должны учитывать оба типа шума. Выбранные компоненты и их расположение различаются в зависимости от типа подавляемого шума. Одним из наиболее интересных анализов, которые может выполнять LTspice, является частотный анализ, также известный как анализ переменного тока. Мы можем увидеть его возможности с помощью простого фильтра нижних частот.


Разработка и моделирование фильтров электромагнитных помех в LTspice

Для анализа переменного тока нам нужно определить один источник переменного тока. Для источника напряжения в LTspice можно настраивать различные параметры, но для наших целей достаточно амплитуды. Мы также настроим четыре параметра моделирования. После запуска моделирования мы можем построить график выходного уровня относительно входного, то есть передаточную функцию фильтра. Есть две линии: непрерывная соответствует амплитудной характеристике, а прерывистая – фазовой. Мы видим, что характеристика фильтра практически плоская, пока не приближается к частоте среза.


Разработка и моделирование фильтров электромагнитных помех в LTspice

Важно прояснить этот аспект LTspice. Программное обеспечение имитирует шум, присущий компонентам, с помощью моделирования типа шума. Этот тип моделирования подходит для проверки работоспособности такой схемы, как аналоговый фильтр. Для целей ЭМС нам необходимо моделировать синфазный и дифференциальный шум, чтобы мы могли быть уверены, что наши фильтры эффективны для фильтрации обоих типов шума. Следующая схема представляет собой фильтр ЭМС, состоящий из конденсаторов и синфазного дросселя для ослабления синфазного шума (C4, C1, L3). Он также включает в себя две катушки индуктивности и конденсаторы для ослабления дифференциального шума (L1, L2, C2, C3).



Разработка и моделирование фильтров электромагнитных помех в LTspice

Чтобы имитировать защитное заземление (PE) или соединение с шасси, мы используем потенциал, который связан через очень небольшую емкость с обычным заземлением или отрицательным потенциалом.


Разработка и моделирование фильтров электромагнитных помех в LTspice

Чтобы смоделировать дифференциальный шум, мы можем наложить источник напряжения на генератор сигналов.


Разработка и моделирование фильтров электромагнитных помех в LTspice

В случае синфазного шума его можно смоделировать, добавив источник напряжения к обратному пути.


Разработка и моделирование фильтров электромагнитных помех в LTspice

Фильтр подходит, когда оба типа шума достаточно ослаблены, поэтому старайтесь не сосредотачиваться полностью на одном типе шума и игнорировать другой. К сожалению, настоящие фильтры ведут себя не так хорошо, как идеальные. Если мы хотим моделирования, близкого к реальным результатам, мы должны учитывать паразитные элементы фильтров, а также плату, на которой они будут установлены. Паразитные компоненты создают резонансы, которые могут изменять частоту среза фильтра ЭМС. Следовательно, если мы не будем рассматривать паразитные составляющие, мы можем заметить, что добавление фильтра ухудшает ситуацию. Знать точное значение каждого паразитного элемента может быть сложно. Эту информацию иногда можно получить из таблиц, но при необходимости можно использовать оценочные значения. На следующей схеме показан тот же фильтр ЭМС, представленный ранее, с некоторыми добавленными паразитными составляющими.


Разработка и моделирование фильтров электромагнитных помех в LTspice

Далее показано сравнение частотной характеристики идеального фильтра (красный) и реального фильтра (зеленый).


Разработка и моделирование фильтров электромагнитных помех в LTspice

Частотная характеристика идеального фильтра плавно падает с увеличением частоты, но реальный фильтр не демонстрирует такого же поведения. Начиная примерно с 40 кГц, он производит меньшее затухание, чем идеальный фильтр. Следовательно, мы можем видеть, что эффективность значительно меняется, когда мы приближаемся к реальной среде.


Примечание: при загрузке моделей LTspice следует дважды проверить, что входит в состав моделей. Иногда они уже включают все паразитные элементы, что экономит много рабочего времени.


Саморезонансы фильтров могут усиливать шум на несколько дБ, вызывая нежелательный эффект. Есть способы избежать этого или, по крайней мере, максимально снизить негативное воздействие. Один из них довольно простой и состоит из добавления одного сопротивления последовательно с конденсатором, как показано на схеме далее.


Разработка и моделирование фильтров электромагнитных помех в LTspice

Значение сопротивления не должно быть огромным. Нам нужно только быть осторожными с его номинальной мощностью. Обычно нежелательным аспектом конденсаторов является эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Однако в этом случае мы можем выбрать конденсатор с высоким ESR и тем самым избежать использования дополнительного резистора. На следующем рисунке показана передаточная функция фильтра без демпфирующего сопротивления (зеленый) и еще одна, соответствующая фильтру с демпфирующим сопротивлением (синий).


Разработка и моделирование фильтров электромагнитных помех в LTspice

Разница между ними существенная – амплитуда вокруг резонансной частоты снижается на 9 дБ. Обратной стороной этого метода является то, что наклон фильтра менее выражен, поэтому все частотные характеристики должны быть проанализированы, чтобы гарантировать, что все результаты приемлемы.


LTspice – это мощный инструмент, который экономит время и деньги во многих приложениях. Например, фильтры ЭМС должны разрабатываться специально для каждого приложения, поэтому их предварительное моделирование экономит много времени. LTspice выполняет частотный анализ, который позволяет инженерам создавать графики Боде, основной инструмент для изучения фильтров. LTspice также может включать реальные параметры, такие как паразитные, для получения максимально реалистичного моделирования.




© digitrode.ru


Теги: фильтр, LTspice




Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Комментарии:

Оставить комментарий