Снижение синфазного шума шины питания для аудиоустройств (CUI Inc blog)

Мы уже привыкли, что в наших колонках или наушниках практически отсутствуют паразитные фоновые шумы. Сетевой «гул» и «шипение» от случайных источников шума,  от высоких частот, генерируемых переключающими цепями и пр. неприемлемы, но  иногда вторгаются в  аудиотракт и их сложно устранить. Цифровой звук не решил проблему, поскольку оцифровывается аналоговый источник (с микрофона или инструмента) со всеми нежелательными составляющими на входе.

 

В современном аудиооборудовании синфазный шум должен быть как можно ниже.

Аудиоинженеры добиваются снижения помех с помощью экранирования, балансного подключения, тщательного заземления и фильтрации шин питания DC источников питания. Часто основным источником помех является улавливание синфазного шума (СШ). Источники СШ добавляют помехи в аудиолинию и возвращаются через локальное заземление, которое само может быть смещено от истинной земли. Усилители аудио частично подавляют синфазный сигнал, эта характеристика так и называется: коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMMR или КОСС). Значение 60 дБ считается типовым — нежелательное напряжение снижается в 1000 раз. Это может показаться замечательным результатом, но динамический диапазон у домашних аудиосистем может составлять около 100 дБ, поэтому всплески СШ вместе с максимальным дифференциальным сигналом 1В будут производить потрескивание на уровне 40 дБ или в 100 раз громче, чем хотелось бы.

 

Основной вклад в образование синфазных шумов вносят источники питания для аудиоусилителей. Для  лучшего КПД и снижения размеров, обычно применяются импульсные источники питания. Но по самой своей конструкции они являются генератором шумов, в основном из-за высокочастотного коммутатора. Линейные стабилизаторы в конце цепи никак не ослабят шум который генерирует коммутатор.

 

Рисунок 1: Прохождение дифференциального и синфазного шумов в электрической цепи. Синфазный шум определяется как шум, который имеет одинаковое значение и на положительном, и на отрицательном полюсах по отношению к земле

 

Источники синфазного шума

Почему импульсный источник питания генерирует синфазный шум? Эффект вызывается быстрыми изменениями напряжения в коммутационных узлах (транзисторном ключе), перекачкой тока через паразитные емкости в локальную входную и выходную землю или возврат мощности, что вызывает скачок напряжения в соединении из-за его собственного импеданса. Типичные маршруты протекания СШ рассмотрим по схеме AC/DC преобразователя на рисунке 2, где сток коммутирующего транзистора Q1 переключается с высокой частотой  от 0 до нескольких сотен вольт. Через паразитную емкость C1 импульсы тока попадают на корпус преобразователя и радиатор Q1, который часто заземляется. Паразитная межобмоточная емкость C2 также допускает скачки тока во вторичную цепь, находя возврат через некоторую внешнюю паразитную емкость или заземление. Эти скачки напрямую влияют на выходное напряжение СШ. Даже на частоте питания (50-60Гц) могут индуцироваться токи СШ через емкость C2 из-за действия первичного мостового выпрямителя  — если измерить положительный и отрицательный полюса шины питания относительно заземления шасси, то можно увидеть полусинусоидальное напряжение, которое через C2, становится потенциальным источником шума.

 

 

Ясно, что крайне важно избегать протекание токов через указанные паразитные емкости. Для этого можно добавить заземленный экран в трансформатор ИИП. Однако это ведет к усложнению выполнения требований по электробезопасности, увеличению занимаемого места, особенно для тороидальных трансформаторов. Синфазные дроссели можно установить в цепи питания, но они ухудшают регулирование и могут вызвать другие проблемы, блокируя ток и генерируя напряжение. Сведение к минимуму межобмоточной емкости трансформатора путем увеличения расстояния между обмотками является эффективным, но увеличивает индуктивность рассеяния, снижает КПД и увеличивает нагрузку на компоненты.

 

Локальные DC/DC преобразователи в качестве решения.

Для AC/DC преобразователей, применяемых в качестве централизованного источника питания емкость утечки может достигать сотен пФ. Альтернативным решением является использование отдельных изолированных DC/DC преобразователей с малыми паразитными емкостями. Современные узлы аналогового звукового каскада имеют высокую чувствительность и требуют минимальной мощности. Один из предлагаемых вариантов — серия VQA с выходом +/- 9В и номинальной выходной мощностью 1Вт. Паразитная емкость составляет всего 6,6 пФ, что обеспечивает очень низкий уровень синфазного тока. Изначально серия VQA предназначалась для питания драйверов затворов IGBT, где низкая емкость обеспечивает устойчивость к высокой скорости нарастания напряжения (dV/dt). В качестве альтернативы потенциально могут быть использованы регулируемые и нерегулируемые изолированные DC/DC преобразователи из каталога CUI (например, серия PDP1-M).

 

Как правило. уровень синфазного шума не указывается в технических характеристиках,. Поэтому при выборе импульсного источника питания сложно понять — перед нами хорошо продуманный ИИП с низким уровнем синфазного шума или простой источник, в котором не предусмотрено подавление. Косвенным признаком оценки может служит параметр «isolation capacitance», чем меньше паразитная емкость, тем меньше синфазные помехи.

 

Компания ФОРМПОСТ (Formpost LLC) — официальный дистрибьютор CUI Inc.
https://www.cui.com/
http://www.formpost.pro/