Foxiss Электромагнитные помехи (EMI) — это общий термин для любых помех, вызванных электромагнитным полем, которые негативно влияют на работу электрического или электронного оборудования. Электромагнитные помехи (EMI) могут распространяться через пространство (излучением) или передаваться от одного устройства к другому через сигнальные или силовые кабели (проводным путём).
Хотя можно (и должны) предпринимать шаги, чтобы разработки не были чувствительны к ЭМИ, создаваемым другими устройствами, основная задача должна состоять в том, чтобы разработки, сами не создавали недопустимых уровней ЭМИ, которые могли бы повлиять на другое оборудование.
Такие стандарты по ЭМИ, как EN55032, требуют, чтобы излучаемые помехи в диапазоне от 30 МГц до 1 ГГц не превышали определённых пороговых значений напряжённости поля при испытаниях со стандартной антенной на расстоянии 10 м.
Подавление излучаемых электромагнитных помех требует пристального внимания к экранированию корпусов, заземлению, минимизации площадей контуров проводников, оптимизации топологии печатных плат, использованию сплошных земляных полигонов и контролю скорости нарастания (крутизны) сигналов.
Кондуктивные (проводные) электромагнитные помехи (EMI)
В этой статье сосредоточимся на кондуктивных помехах, а именно на сигналах, которые передаются обратно в источник питания импульсными преобразователями. Стандарты в основном касаются частот в диапазоне от 150 кГц до 30 МГц и требуют, чтобы уровень сигналов в этом диапазоне не превышал установленных пороговых значений в различных частях полосы, обычно измеряемых с помощью анализатора спектра.
Чтобы дать представление о том, что требуется, кондуктивные помехи для устройства класса А должны быть ниже 79dBµV в диапазоне от 150 кГц до 500 кГц и ниже 73dBµV в диапазоне от 500 кГц до 30 МГц при измерении с детектором «квазипикового» значения. Единицы дБмкВ описывают амплитуду кондуктивных выбросов относительно опорного значения 1 мкВ. Таким образом, 79dBµV составляет около 9mV RMS, а 73dBµV— около 4.5mV RMS.
Требования для устройств класса В значительно ниже.
Электромагнитные помехи (EMI) обычно подавляются с помощью фильтров, устанавливаемых на линиях. Частота переключения многих современных преобразователей превышает 150 кГц, поэтому входной фильтр преобразователя играет решающую роль в соответствии спецификациям по кондуктивным помехам. На рисунке выше показан стандартный понижающий преобразователь с простым ёмкостным входным фильтром Cf и импедансом источника Zs.
Наша задача — проанализировать этот фильтр и убедиться, что амплитуда напряжения пульсаций на частоте переключения (и её гармоник) ниже требуемого порога.
До сих пор в серии статей использовали анализ средних значений для понимания периодического установившегося режима (PSS) работы преобразователя и частотный анализ для определения динамических характеристик преобразователя. Ни то, ни другое сейчас нам не поможет, поэтому мы вернёмся к доброму старому анализу во временной области для переменного тока.
Это метод, который, как следует из его названия, игнорирует постоянную составляющую сигнала и сосредоточивается на переменной составляющей. Например, модель PSS показывает нам, что входной ток (iₓ) преобразователя на рисунке в начале статьи имеет прямоугольную форму с коэффициентом заполнения D и амплитудой I_L, как показано на верхнем графике.
Если мы удалим постоянную составляющую входного тока, то получим альтернативную картину, показанную на нижнем графике. Здесь показан ток с коэффициентом заполнения 0,5, что даёт наибольшее среднеквадратичное значение переменного тока. Если коэффициент заполнения отклоняется от 0,5 в любую сторону, среднеквадратичный ток уменьшается, достигая нуля на крайних значениях, когда D = 0 или D = 1.
Это распространённое приближение, поскольку мы обычно хотим проектировать помехоподавляющие фильтры для наихудшего случая. К тому же гармоники формы переменного тока проще всего рассчитать, если это идеальный прямоугольный сигнал.
Нижняя схема на рисунке показывает модель по переменному току для понижающего преобразователя. Всё, что находится справа от входного фильтрующего конденсатора, заменяется источником переменного тока iₓ(ac), а источник постоянного напряжения полностью исключается. В данном случае источник тока будет представлять собой прямоугольный сигнал с переменным коэффициентом заполнения и размахом амплитуды I_L.
Мы используем эту модель для проектирования подходящего входного фильтра чуть позже. Сначала нам следует подумать о том, как мы собираемся измерять кондуктивные помехи в этой схеме.
Напряжение vₛ(ac), которое увидел бы наш анализатор спектра, очевидно, сильно зависит от импеданса источника Zₛ. Можно предположить, что на постоянном токе он довольно низок, но кто знает, как он будет выглядеть в интересующем нас диапазоне от 150 кГц до 30 МГц.
LISN (Сеть стабилизации импеданса линии)
Для проведения значимых и воспроизводимых измерений электромагнитные помехи (EMI) мы должны задать стандартный импеданс источника на интересующей частоте. По этой причине при измерениях кондуктивных помех используется сеть стабилизации импеданса линии (LISN). LISN применяются как с источниками постоянного, так и с источниками переменного тока. На рисунке показана модель по переменному току, подключённая к источнику напряжения с импедансом Zₛ через LISN, находящуюся внутри пунктирного прямоугольника.
Напряжение источника, что преобразователь питается через LISN, которая имеет низкое сопротивление на постоянном токе или на частоте сети, но представляет нагрузку 50 Ом для входа преобразователя на интересующих частотах.
Значения индуктивности и ёмкости в LISN выбираются таким образом, чтобы Cₛ фактически являлась коротким замыканием, а L_lisn — фактически разомкнутой цепью на измерительных частотах. Таким образом, импеданс на входе преобразователя представляет собой входное сопротивление анализатора спектра, равное 50 Ом. C_lisn блокирует попадание на анализатор любой постоянной составляющей или переменного напряжения частоты сети, поскольку для проведения измерений преобразователь должен быть включён.
Значения компонентов LISN указаны в соответствующем стандарте по ЭМИ, но типичные значения могут быть следующими: Cₛ = 1 мкФ, L_lisn = 50 мкГн и C_lisn = 100 нФ. В большинстве LISN используются катушки индуктивности с воздушным сердечником для снижения паразитных ёмкостей, и последовательно с Cₛ может включаться резистор для демпфирования резонансов (подробнее об этом ниже).
Вероятно, также будет присутствовать высокоомный резистор (≥1 кОм) между измерительным выводом и общим проводом, чтобы измерительный вывод не находился в «плавающем» состоянии, когда анализатор спектра не подключён.
В производственных LISN могут также включать дополнительные фильтрующие каскады со стороны источника, чтобы ограничить влияние помех, поступающих от источника, на результаты измерений.
Схема LISN, показанная на рисунке выше, повторяется на положительной и отрицательной линиях в LISN постоянного тока, а также на каждой фазе и нейтральном проводе в LISN переменного тока, чтобы можно было проводить измерения синфазного и дифференциального режимов.
Синфазный и дифференциальный режимы
До сих пор мы анализировали преобразователи и их входные фильтры, мы предполагали, что весь ток, втекающий в один входной вывод, вытекает из другого, как показано на верхней схеме рисунке.
Это было разумно для всего, что мы делали до сих пор, но это допущение перестаёт работать, когда мы рассматриваем более высокие частоты.
Нижняя схема представляет собой альтернативный путь протекания высокочастотного тока, где существует паразитная ёмкость на землю, например, между выводом стока транзистора MOSFET в корпусе TO-220 и заземлённым радиатором. Этот ток поступает через положительный входной вывод, но возвращается к источнику через землю — при этом нет соответствующего тока, выходящего из отрицательного входного вывода.
Это лишь один из возможных альтернативных путей протекания тока; в реальном преобразователе их будет много, включая некоторые, связанные с отрицательным выводом. В действительности оба типа протекания тока будут происходить одновременно, поэтому токи, обозначенные как i₁ и i₂, будут представлять собой сумму этих двух составляющих. Ток, который втекает в один вывод и вытекает из другого, называется током дифференциального режима (i_dm), а ток, который втекает только в один вывод, — током синфазного режима (i_cm).
Ток дифференциального режима включает в себя нормальный рабочий ток преобразователя, включая все его гармоники, в то время как ток синфазного режима связан с паразитными путями утечки.
Математически i_dm определяется как ½ (i₁ – i₂), а i_cm — как i₁ + i₂. Обратите внимание, что в этой модели оба тока i₁ и i₂ втекают в преобразователь. Эти определения дают ключ к пониманию названий, ток дифференциального режима связан с разностью токов, втекающих в преобразователь, в то время как токи синфазного режима связаны с суммарным током, втекающим в оба вывода.
Возможно, более интуитивно понятно рассматривать эти уравнения с другой стороны — с точки зрения токов, втекающих в положительный вывод и вытекающих из отрицательного, то есть i₁ и -i₂ соответственно.
В этом случае i₁ = i_dm + ½i_cm, а -i₂ = i_dm – ½i_cm. Другими словами, ток дифференциального режима втекает в один вывод и вытекает из другого, в то время как ток синфазного режима втекает в оба вывода в равной степени и вытекает куда-то ещё.
Входной фильтр дифференциального режима
Стандарты по ЭМИ устанавливают ограничения как на синфазные, так и на дифференциальные помехи, поэтому необходимо фильтровать и те, и другие. Эти две задачи фильтрации имеют различную природу, а также разные сложности и способы решения. Начнём с фильтра дифференциального режима.
Для этого мы вернёмся к модели анализа по переменному току, которую создали в самом начале статьи. Входной фильтр представлял собой простой конденсатор, и мы видели, что его эффективность зависит от импеданса источника. Для измерений ЭМИ мы можем использовать LISN для стандартизации импеданса источника, но в повседневной эксплуатации мы имеем дело с неизвестным импедансом.
Мы можем уменьшить эту зависимость, применив LC-фильтр, как показано на эквивалентной схеме по переменному току на рисунке ниже.
На рисунке изображен фильтр так, как он выглядит в преобразователе, с его входом справа и выходом слева. Можно удивиться, почему в таком случае катушка индуктивности находится на выходной стороне фильтра, а не на входной, как это обычно бывает для LC-фильтров. Это фильтр с питанием от источника тока, поэтому источник имеет гораздо более высокий импеданс, чем нагрузка (Zₛ).
В типичном фильтре с питанием от источника напряжения источник имеет более низкий импеданс, чем нагрузка. В обоих случаях фильтр работает наиболее эффективно, если катушка индуктивности находится на низкоомной стороне, поскольку её импеданс увеличивается с частотой.
Графики справа от схемы показывают передаточную функцию фильтра по току (отношение выходного тока ко входному току, которая выглядит как у любого типичного LC-фильтра нижних частот. На частотах значительно ниже fₓ импеданс определяется в основном индуктивностью, на частотах выше fₓ — ёмкостью.
При идеальных компонентах, по мере приближения к частоте среза, величина передаточной функции и импеданса теоретически стремятся к бесконечности. В реальных компонентах всегда присутствует некоторая степень естественного затухания, но LC-фильтры часто демонстрируют значительный выброс на резонансной частоте, как показано пунктиром на графиках.
LC-фильтры склонны к колебаниям из-за этого выброса, особенно если они возбуждаются прямоугольным сигналом, богатым гармониками. Эта проблема усугубляется в силовой электронике, поскольку импульсные преобразователи часто имеют отрицательное входное сопротивление. Это отрицательное сопротивление обеспечивает «отрицательное затухание» и увеличивает вероятность возникновения колебаний.
Чтобы понять, как импульсный преобразователь может проявлять отрицательное входное сопротивление, рассмотрим DC-DC-преобразователь с фиксированным выходным напряжением и нагрузкой. В этих условиях определённое количество мощности передаётся нагрузке и, соответственно, потребляется от входного источника.
Если входное напряжение немного повысится, контур управления изменит коэффициент заполнения, чтобы поддерживать постоянство выходного напряжения. Выходная мощность остаётся постоянной, следовательно, постоянной остаётся и входная мощность, что приводит к небольшому снижению входного тока.
Закон Ома гласит, что входное сопротивление равно изменению напряжения (в нашем примере положительному), делённому на изменение тока (отрицательному), следовательно, приращение входного сопротивления должно быть отрицательным. На этом закончим и так статья получилась достаточно большой.
