Какой источник питания постоянного тока имеет наименьший шум

Я работаю с системой МЭГ (чрезвычайно чувствительные магнитные датчики для измерения мозговой активности) и недавно обнаружил, что источник питания постоянного тока, который подается в нашу комнату с магнитным экраном (мощность, используемая для перемещения МЭГ/кресла/кровати — поэтому требуется), производит 60 Гц. линейный шум, обнаруженный датчиками. Я подробно изложу свое понимание источников этого шума, но мой вопрос в основном таков: какой источник питания или какие конкретные функции я должен искать, чтобы избежать этого шума?

  1. Шум от токов в проводах. Источник питания представляет собой типичный дешевый импульсный источник постоянного тока с плавающей запятой, 24 В, 0,5 А. Я провел несколько тестов, чтобы подтвердить, что, хотя разница между + и - выглядит «чистой» и постоянной, каждый провод имеет большие колебания напряжения относительно земли. И это «напряжение», по-видимому, является результатом источника тока, поэтому даже без нагрузки в проводах будут происходить колебания плотности заряда, достаточные для создания магнитного поля, обнаруживаемого нашей системой. (В диапазоне от кОм до МОм между + и G я получаю пиковый ток порядка 0,1 мА.)

  2. Шум от токов заземления. К сожалению, если я привяжу минус к земле, конечно, колебания относительно земли исчезнут, и это в основном избавит от обнаруженного шума, но «оскорбительный» ток не будет устранен, вместо этого он будет проходить через землю. Это также вызывает некоторый шум, вероятно, в первую очередь потому, что наша экранированная комната сама заземлена. Стоит отметить, что этот шум намного меньше.

Редактировать: Цена не является первостепенной задачей. Я понимаю, что хорошо спроектированный блок питания с низким уровнем шума, вероятно, будет намного дороже.

Возможно батарея. Что-то вроде автомобильного аккумулятора или аккумулятора инвалидной коляски, учитывая нагрузки, которые вы везете.
@ Брайан Спасибо, хорошая мысль. Это определенно заслуживает внимания. Но может быть несколько менее удобным, чем блок питания, который я могу просто «подключить и забыть». Интересуют другие варианты.
Настоящий большой фильтрующий змеевик за пределами комнаты. И держаться подальше от земли со всеми проводниками. Но я предпочитаю решение с аккумулятором.
Линейный или импульсный блок питания? Шум излучается или кондуктивен? Поскольку ваша система является чувствительным магнитометром, вполне может быть, что вы видите излучаемые поля B 60 Гц от трансформаторов в линейных источниках питания.
@ Джордж Переключаемый режим, как я уже сказал. И я тестировал с включенным питанием, но отключенным от (экранированного) удлинителя, идущего в комнату, и шум исчезает. Значит, это от токов в кабелях.
Можете ли вы измерить шум (например, другим проводом рядом с датчиками) и вычесть его из сигнала?
@zorgkang, сколько напряжения/тока? Я мог бы попробовать идею Маркуса добавить линейный регулятор после SMPS.
Я думаю, что магнитные датчики к мозгу - бесполезное занятие , если у проектировщика нет полного понимания ЭМС, учитывая, что диэлектрические токи и открытая петля настолько малы. Обнаженных проводов с сильным током в головном мозге нет. Только поля E могут быть измерены, а не H-поля, если только они не возбуждаются извне. Я бы порекомендовал для начала клетку Lindgren (торговая марка).
Мой друг разработал первые в мире мобильные МРТ-аппараты, использующие полностью пластиковую гидравлику. Он был экспертом по ВЧ и ЭМС. МРТ использовалось для взрыва всех растровых сканов всех ЭЛТ ПК в здании NRC, когда оно работало. (до того, как ЖК-дисплеи стали популярными)
Я не говорю, что обнаружение MAG невозможно, но вы должны знать все об электромагнитной совместимости, чтобы безопасно отслеживать поля H низкого уровня с нулевой частотой 60 Гц ... и мы не можем сделать полный технологический дамп на одной странице.
Чтобы измерить электромагнитный шум электромагнитного поля, прикрепите лист алюминиевой фольги к щупу 10-метрового телескопа и измерьте его. Обертка катушки должна быть размером с человеческое тело, которое действует как антенна для поля E .... Для поля H RF замкните зонд на себя.
Это коммерческое медицинское устройство на протяжении десятилетий. И это была моя работа в течение 8 лет, чтобы эксплуатировать его. Я пытаюсь уменьшить шум 60 Гц, но в остальном система работает нормально, и то, как она работает, полностью выходит за рамки этого поста. Люди только что отфильтровали 60 Гц, я пытаюсь это немного улучшить, вот и все.
@Andrew Да, есть другие подходы к снижению шума в MEG. То, что вы упомянули, является частью системы. Но удаление его у источника, когда это возможно, обычно является лучшим.

Ответы (5)

Я собираюсь использовать несколько иной подход к этому.

Во-первых, вы уверены, что звукосниматель магнитный? Если это так, то вам нужно сделать две вещи:

  1. Подключите одну сторону источника постоянного тока к экрану помещения прямо там, где кабели проходят в помещение (обе ветви кабеля питания должны проходить через одно и то же отверстие в экране помещения), это гарантирует, что циркулирующие токи заземления из-за крышки ЭМС в подача остается вне помещения.

  2. Вся внутренняя проводка внутри помещения для вещей должна быть туго скручена, это обеспечит существенное подавление поля. В худшем случае используйте группу из четырех проводов, скрученных вокруг общего центра тяжести (используется в цепях микрофонов и в этом приложении известна как «Starquad»), проводка выполняется параллельным соединением противоположных проводников, и это дает вам, возможно, еще 10 или 20 дБ подавления.

Если датчик находится в поле E, а не в H, то экранирование кабелей (и приклеивание экрана к экрану помещения — это легко исправить).

Чтобы ответить на заданный вопрос, линейный источник питания, построенный на трансформаторе с заземленным экраном между обмотками, будет почти таким же тихим, как батарея.

Вы можете обнаружить, что открытие коммутатора и снятие колпачка с изолирующего барьера, а затем заземление одной ножки выхода на экран помещения может быть полезным, источник питания больше не будет соответствовать ЭМС, но это может иметь значение для вас, а может и не иметь.

Удачи, этот материал может быть медведем, чтобы выследить.

Спасибо. Да, это магнитные датчики, так и должно быть. 1. в значительной степени то, что я пробовал в своем пункте 2. Как я уже упоминал, это работает, хотя я все еще вижу что-то немного большее, чем при отсутствии питания, поэтому я подозреваю, что причиной могут быть токи заземления в экранировании комнаты. Что касается витых пар, то они не подавляют синфазные сигналы, верно? Я рассмотрю "экранированный" линейный источник, который вы описываете. Хотя я очень ценю понимание внутренней работы, поэтому я здесь, я не готов на данный момент делать/модифицировать запас самостоятельно.
Синфазный режим не может быть магнитным, если нет другого способа, кроме вашей узкой петли для протекания тока (возможно, емкостная связь в одной из нагрузок с конструкцией помещения?), и в этом случае это уже не обычный режим. Подходящий низкочастотный синфазный дроссель может помочь, заставив токи в обеих ветвях быть равными, возможно, взять трансформатор 50 Гц с двумя вторичными обмотками и использовать две вторичные обмотки в качестве синфазного дросселя с отключенной первичной обмоткой. Раньше мы наматывали синфазные дроссели из ВЧ коаксиала на сердечники старых трансформаторов, довольно эффективно.
Я говорю, что синфазные токи в прямом кабеле питания постоянного тока в моей экранированной комнате генерируют магнитное поле, обнаруживаемое моими датчиками. Не уверен, что вы имеете в виду под "моей жесткой петлей". У меня сложилось впечатление, что дроссель не будет эффективен на частоте 60 Гц или должен быть слишком большим? Какой тип трансформатора вы имеете в виду? (Имейте в виду, что я надеюсь на минимальную переделку.)
Вы должны измерить кондуктивный шум , используя щуп осциллографа без наконечника и заземляющий зажим, используя наконечник/ствол, ЗАТЕМ излучаемый шум с заземляющим зажимом, закороченным на зажим щупа, и использовать его как антенну, чтобы определить, откуда исходят электромагнитные помехи, а затем уменьшить напряжение CM любым способом. Попробуйте увидеть эффекты шунтирования дифференциального LC на землю. Это отправная точка для испытаний на электромагнитные помехи. Скорее всего 60 Гц из-за несбалансированного импеданса СМ 0,000?% относительно земли и чрезмерного напряжения СМ. SMPS изолированы только на низкой частоте
@zorgkang, вы можете устранить все свои проблемы с помощью подходящего согласованного дросселя CM (CLC или «pi» diff choke) (в Diff amp с использованием провода STP.) {f matched означает проницаемость для низких или высоких частот}

Если у вас действительно дешевый импульсный источник питания, то большая часть шума, который вы видите, вероятно, связана не с отсутствием четкого регулирования, а с тем, что линии переменного тока снова соединяются с вашими линиями питания после питания в режиме переключения; ваши наблюдения под «1». соответствовать этому. Этого действительно трудно избежать – только очень специализированная конструкция устройства и отличная защита измерений могут устранить это.

Тем не менее, есть несколько вещей, которые часто делают, чтобы преодолеть это:

  1. Убедитесь, что к вашим измерительным камерам не подключены линии электропередач. Особенно это касается потолочных светильников и т. д.
  2. Сделайте свою землю лучше. Если ваш уровень земли начинает колебаться, когда вы подключаете к нему заземление питания, у вас просто высокий импеданс по отношению к «земле».

Как правило, если вы хотите создать несколько эффективный, дешевый источник питания с низким уровнем шума, вам часто нужен импульсный источник питания, такой как дешевый, который вы используете, за которым следует относительно большой конденсатор, который гарантирует, что изменения нагрузки и небольшие колебания не имеют большого значения, за ними следует конденсатор с низким ESR (обычно керамический), за ним следует линейный регулятор, за которым снова следует буферный конденсатор. Таким образом, вы можете получить «не потребляющее энергию, быстро адаптирующееся к изменениям нагрузки» поведение SMPS и малошумящие свойства хорошего линейного регулятора (возможно, стоит поискать минимальный немного дальше обычных, древних, регуляторов 780X и LM317 – современных линейных регуляторов на рынке немного больше, и некоторые из них обладают лучшей помехоустойчивостью).

Насколько мне известно, современными малошумящими линейными регуляторами являются LT3042/LT3045. Обратите внимание, что необходимо уделить особое внимание компоновке печатной платы, разъемам и методам экранирования, чтобы получить максимальную производительность от стабилизатора, когда шум является таким критическим.
Ваш пункт 1 хорошо позаботился. Что касается земли, у нас есть «несколько выделенная» земля для нашей лаборатории, но не полностью «отдельная», как рекомендует производитель. Однако я предполагаю, что качество грунта было проверено, когда система была установлена ​​в 2010 году. Я не знаю, как я мог бы определить, изменится ли мой уровень грунта без другого эталона грунта. Что касается вашего последнего абзаца, насколько мне известно, все это звучит так, как будто это уменьшит колебания + относительно -, а не колебания «общего режима» относительно земли. Вы можете уточнить?

«Оскорбительный» ток, о котором вы упоминаете, представляет собой ток утечки внутри вашего импульсного источника питания. Этот паразитный ток возникает из-за емкостной связи между первичной и вторичной обмотками высокочастотного разделительного трансформатора и создает паразитные токи на частоте сети переменного тока. Может быть меньшая (преднамеренная) связь по постоянному току, чтобы избежать полной изоляции от земли. Эта утечка переменного тока будет иметь место и на PS без коммутатора, так как между ними все еще будет трансформатор. Избежать этой связи невозможно, ее можно только уменьшить, изготовив специальные изолирующие трансформаторы с заземленным экраном между обмотками в ущерб КПД. Забавно, я только что просмотрел спецификации так называемых медицинских источников питания, в них указана допустимая утечка 0,5 мА, что в пять раз больше, чем вы измерили.

Чтобы уменьшить влияние токов утечки, вам необходимо разработать хорошую схему заземления для всей установки, отделить обратные токи силовой электроники от заземления чувствительных приборов и вернуть ток утечки в землю до того, как он попадет в ваше экранированное помещение. Это всегда сложная проблема. Удачи.

0,5 мА также является стандартом де-факто. для потребительских блоков питания (CE/CSA/UL)

Если вам нужен самый низкий уровень шума и вы не слишком беспокоитесь о стоимости, размере и потерях, тогда линейный источник питания является лучшим. Они по-прежнему делают их по цене для лабораторного использования. Если вы хотите сделать его самостоятельно, меньше ошибиться, чем с переключателем. Если вы все еще хотите сделать переключатель, посмотрите на топологию мягкого переключения или какую-нибудь резонансную схему. Я провел несколько Apples с Apple, провел тесты EMC и обнаружил, что моя резонансная схема мягкого переключателя не была лучше около 150 кГц, но была намного лучше лучше в диапазоне МГц. График кондуктивной ЭМС быстро и внезапно падал с частотой, как у Дуврских скал, в то время как ортодоксальный ШИМ с жестким переключением был похож на холмистую местность. Это означает, что некоторая схема снижения потерь при переключении поможет вам для излучаемой ЭМС. Помните что этот конечно не такой тихий как линейный,а также обратите внимание, что многие китайские блоки питания имеют поддельные наклейки соответствия требованиям ЭМС. Просто протестируйте один и убедитесь!

Для вашего SMPS приобретите несколько ступеней сетевых фильтров постоянного тока, чтобы охватить различные диапазоны ZL (f) с низким ESR для номинальных токов. > Выберите индуктивный вход с Cy на входе внутри комнаты с экраном с центром соединения Cy в качестве нового общего заземления комнаты с экраном. Они должны совпадать <1% для лучшей производительности типа COG<

Основы дросселей EMI и CM ссылка ссылка введите описание изображения здесь

источник питания с наименьшим уровнем шума, который я могу найти, - это литиевая батарея 3 В CR2 3,00 В и шумовой шум в ультрафиолетовом диапазоне.

Однако излучаемый шум от плохой активной защиты или экранирования, скорее всего, является вашей проблемой, а не кондуктивным шумом от источника постоянного тока.

Снижение электромагнитных помех представляет собой комбинацию LC (дросселя) LPF и CMRR с использованием экранированных симметричных проводников с поглощением паразитных помех за счет экранирования пар проводов, вызывающих нарушение, и чувствительных приемных пар, а затем создания синфазного режима с высоким импедансом с балуном и шунтирования с низким импедансом на землю. для щитов.

При таком подходе можно добиться затухания 120 дБ или даже 200 дБ.

поверьте мне, дроссель CM - это BALUN, он уравновешивает или повышает импеданс CM, чтобы неуравновешенный стал уравновешенным.

Поймите, они предназначены для разных целей, излучают выход и вход (выбросы) и проводят выход или вход.

Посмотрите на любой кабель VGA и сетевой фильтр, два примера дросселя или балуна CM, но они выглядят совершенно по-разному.

Тороидальные сердечники с зажимом c используются во (всех) видеодвигателях VGA и шаговых двигателях для уменьшения излучаемых помех.

Торроиды с двойной обмоткой SMT или THT в фильтрах линий электропередач для уменьшения кондуктивных излучений и переходных процессов (примеры выхода и входа)

Вы должны определить, что и где применять, и вы можете назвать это дросселем BALUN или CM. Обычно тороидальный сердечник только вокруг проводников называется балуном, а спаренный феррит, включающий обмотки, называется дросселем CM или трансформатором с двойной катушкой, но все они имеют аналогичные эквивалентные схемы, когда они идеально сбалансированы.

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Я могу уточнить, что система хорошо спроектирована с заземленным экранированием («трубками-молниями») для всех кабелей, идущих в экранированное помещение, включая этот кабель питания постоянного тока (экранирование начинается сразу после блока питания). Шум отсутствует при отключении питания. Я не уверен, что значит «сбалансировать» источник постоянного тока.
После дополнительных исследований, я думаю, я понимаю, что вы подразумеваете под «синфазным режимом с высоким импедансом с балуном». Вот этот автотрансформатор, или синфазный дроссель вроде бы то что нужно. Я должен попытаться найти источник с этим интегрированным. Также много ссылок говорят о высоких частотах - кГц, МГц. Может ли такая штука хорошо отфильтровывать 60 Гц?
не 60 Гц, если только массивный L, дроссель CM = Balun. Есть ли у вас активный привод правой ноги или аналогичный для создания файла . лучше земля общего режима? У вас есть фильтр LC на SMPS?
Это неудачный ре. 60 Гц. Из того, что я читал, дроссель CM не = балун: у первого два провода скручены в противоположных направлениях вокруг сердечника, вот и все. Балун подразумевает нечто большее (сбалансированное/несбалансированное), например тип автотрансформатора, описанный в Wiki. Я не понимаю ваш первый вопрос. Мой SMPS даже не подключается к земле (двухконтактная вилка), поэтому определенно нет фильтрации по отношению к земле.
к сожалению, есть емкостная связь с модулированным РЧ 60 Гц на входе, поэтому мы получаем хороший CMMR на 60 Гц от активной защиты и производительности INA, а затем BALUN для 100 кГц и выше для переходных процессов путем тщательного отбора.
Им действительно трудно следить. Много аббревиатур и названий, которых я не знаю... И я не уверен, но вы все еще говорите, что я не могу использовать дроссель/балун для уменьшения моего синфазного шума 60 Гц, верно? Может быть, пример того, что я мог бы использовать, поможет понять вашу точку зрения.
Извините, я понял ваше разъяснение дросселя/балуна, спасибо. Все еще не уверен, может ли это быть решением для моих синфазных токов постоянного тока 60 Гц.
Если вам нужна моя помощь, просто пригласите меня прийти. я живу в Торонто
Кажется, ваше последнее редактирование, касающееся линейных фильтров постоянного тока, также предназначено для шума кГц-МГц?
Фильтр CM работает в широкой полосе частот с использованием Cy из-за коэффициента емкости связи и малой серии C импульсного трансформатора. Дифференциальный режим LC работает на соотношении Z(L)/Z(C) для RF. Могу я прийти посмотреть?
Извините, но без посещения. Я работаю в больнице, и я просто хотел узнать достаточно, чтобы понять, что я должен купить, а не нанимать EE, чтобы что-то спроектировать ... Текущая поставка - CUI Model EPA-121DA-24, не думаю, что я могу даже открыть его . Вы говорите широкополосный, но не 60 Гц, верно? RF не проблема, я измерил токи 60 Гц от источника питания, учитывая, что это не чистая синусоида. Я перестану спрашивать, но вы никогда четко не говорите, работает ли такое фильтрующее устройство на этих частотах. Другие, кажется, говорят, что он должен быть огромным.
на безвозмездной основе на пенсии
Извините, в вашем вопросе много неизвестных, поэтому я не могу быть конкретным. Но коэффициент C представляет собой уменьшение емкостного трансформатора, которое является широкополосным. Обычно в экранированном помещении все сигналы проходят через шунтированную проходную линию Cap в зависимости от импеданса цепи и необходимости подавления помех. Поскольку SMPS является плавающим, Zdc имеет высокое значение, но имеет емкость утечки со спектром синфазного сигнала в зависимости от типа SMPS. (обратная связь, прямая связь и т. д.) ВЧ CMRR осуществляется через дроссель CM L, который обычно не действует до переключения гармоник.
Пожалуйста, укажите неизвестные, чтобы я мог улучшить вопрос. Кабель питания постоянного тока проходит через сквозное соединение, да, это просто отверстие в стене ... ничего «специфического для схемы». Единственная проблематичная часть «спектра синфазного сигнала» - это пик 60 Гц. Если есть что-то еще, то это ниже системного шума или далеко за пределами интересующего спектра активности мозга (или системы МЭГ).
о полной схеме системы не может быть и речи, но блок-схема была бы хороша. Измерения, которые я предложил, необходимы, так как теперь для подавления 60 Гц необходимы вводные колпачки для защиты внутреннего заземления помещения. Дроссель предназначен для модулированной несущей частоты 60 Гц на частоте переключения, и могут присутствовать гармоники SMPS, которые также будут шунтироваться. Я надеюсь, вы понимаете мою упрощенную модель делителя C