Güç modülünün en iyi EMI performansını elde etmek için harici filtre bileşenleri nasıl seçilir
Elektromanyetik girişim (EMI) her zaman güç kaynaklarının (AC-DC ve DC-DC dönüştürücüler) değiştirilmesinin potansiyel bir problemidir. Günümüzün güç kaynakları iyi elektromanyetik emisyon ve parazit önleme özelliklerine sahiptir. Ancak, belirli uygulama gereksinimlerini karşılamak için, standardın gereksinimlerinin karşılandığından emin olmak için doğru bir filtre devresi bulunmalıdır.
Bu makale, AC-DC ve DC-DC güç kaynaklarının en iyi EMI performansının elde edilmesine ve harici filtre bileşenlerinin nasıl seçileceğine ilişkin yönergeler sağlar.
Ekipmanın elektromanyetik uyumluluğu (EMC), AC-DC güç kaynaklarının iletim, radyasyon, elektrostatik deşarj (ESD) ve giriş hattı akım distorsiyonunu kapsar. Avrupa'da, EMC Direktifi 2014/30 / EU, terminal ekipmanının tek tip standartlara uymasını gerektirir. Bu yazıda, AC-DC ve DC-DC anahtarlamalı güç kaynaklarının iletim ve radyasyon ilkelerini tanıtacağız ve filtre seçiminin EMI performansı üzerindeki etkisini analiz edeceğiz.
Yüksek verimlilik, yüksek gürültüye neden olabilir
Mühendisler, güç kaynaklarının değiştirilmesinin yüksek verimliliği nedeniyle küçük boyut ve hafifliğin avantajlarına çok aşinadır, ancak birçok kişi elektriksel gürültüden de rahatsızdır. Bununla birlikte, gelişmiş tasarımlar, rezonant topolojiler gibi gürültüyü iyileştirmek için düşük gürültülü cihazları ve topolojileri kullanmayı seçecektir. Frekans titremesi gibi teknikler, ölçüm bant genişliğindeki elektromanyetik radyasyonu azaltmaya da yardımcı olur. Anahtarlamalı güç kaynağındaki gürültü, yarı iletkenlerin hızlı anahtarlanmasından gelir ve genellikle yüksek verimlilik istenir Anahtarlama dalga biçiminin yükselme ve düşme süresi nanosaniye cinsindendir.Yüksek dV / dt ve di / dt seviyeleri, anahtarlama güç kaynağı tarafından tamamen absorbe edilemez. Engelleme, giriş veya çıkış hattında iletilen voltaj veya akım yükselmesi gürültüsünü göstermek mümkündür. Fourier analizine göre, genel anahtarlama dalga formunun elektromanyetik radyasyon analizi Şekil 1'de gösterilmektedir. Tr, Tf yükselme / düşüş süresi azaldıkça, radyasyon bant genişliği de artar ve artış genliği Ton / Tp dalga formu görev döngüsünden etkilenir. Etki.
Şekil 1: Anahtarlama dalga biçiminin elektromanyetik radyasyonu
Gürültü tipi
İki tür iletilen gürültü vardır: diferansiyel mod (DM) ve ortak mod (CM) ve genellikle bir dereceye kadar bir arada bulunurlar. DM gürültüsü, güç hattı döngüleri arasında ölçülen voltajdır. CM gürültüsü, güç hattı ile sistem toprağı arasında ölçülür, genellikle empedansı tanımlayan voltajdır. Bunun nedeni, güç dönüştürücülerinin genellikle yüksek frekanslı CM gürültüsünün mevcut kaynakları olmasıdır. Bu iki tür gürültü Şekil 2'de gösterilmektedir.
Şekil 2: Mevcut olabilecek gürültü türleri
Bir osiloskop veya analizör, DM gürültüsünü kolayca ölçebilir, ancak CM gürültüsünün bir hat empedans stabilizasyon ağı (LISN) gibi standart bir terminal ağı kullanması gerekir. Bu, yukarı akış güç kaynağından herhangi bir etkiyi izole etmek için gerekli tanımlanmış sonlandırma empedansını ve filtrelemeyi içerir. LISN, CISPR standardı tarafından tanımlanır ve BT ekipmanı genellikle AC-DC dönüştürücülerin gürültüsünü özel olarak ölçen ancak aynı zamanda DC-DC dönüştürücüler için de kullanılan CISPR 22 tarafından düzenlenir. LISN çıkışı, DM ve CM gürültüsünün ağırlıklı bir kombinasyonudur, bu nedenle CM gürültüsü olmasa bile, DM gürültüsünün büyüklüğünün yarısı tespit edilebilir. Bu, CISPR 22 ve EN 55022 standartlarını karşılamak için DM ve CM gürültüsünün zayıflatılması gerektiği anlamına gelir.
DC-DC dönüştürücü giriş filtresi
DC-DC dönüştürücü sistemi gürültülü olmalı, belirli bir standart sınır olmamakla birlikte, bir bütün olarak EMC yönetmeliklerine uygun olmalıdır. Yerleşik DC-DC üreticileri, ürünlerinde en az bir paralel giriş kapasitörü içerir, bu nedenle gürültü genellikle kabul edilebilir bir aralıktadır. Uygulamada daha düşük bir standart girişim seviyesi gerekiyorsa, üretici genellikle Şekil 3, L ve C1'de gösterildiği gibi DM gürültüsünü azaltmak için harici bir L-C filtresi eklemeyi önerir.
Şekil 3: DC-DC dönüştürücünün filtreleme bileşenleri
Bazı insanlar, bunun gürültüyü en aza indirebileceğini düşünerek daha büyük L ve C değerleri kullanmak isteyebilir, ancak bu ters etki yapabilir, çünkü büyük bir endüktans daha büyük bir DC direncine yol açarak daha büyük bir voltaj düşüşüne ve bakıra neden olabilir. Büyük endüktansın manyetik doygunluğu da daha belirgin bir sorundur. Daha büyük L ve C değerleri, daha düşük bir frekansta kendi kendine rezonansa girer ve bu da DC-DC girişinde çınlama ve aşırı gerilim olasılığına yol açar ve hatta gürültü spektrumunu daha da kötüleştirebilir. Şekil 4, filtresiz dönüştürücü gürültüsü örneğini ve yalnızca L ve C1'in takıldığı ve ardından C2'nin eklendiği, ancak daha yüksek bir tepe değerinin elde edildiği bir örneği göstermektedir.
Şekil 4: Ek filtre kapasitörleri eklemek EMI'yi kötüleştirir
Meydana gelebilecek diğer bir sorun, dengesiz bir dönüştürücü kontrol döngüsüdür. Rezonans noktasındaki filtrenin çıkış empedansı DC-DC dönüştürücünün giriş empedansına yakın olduğunda negatif bir artış meydana gelir, yani giriş gerilimi yükseldiğinde giriş akımı düşer. Middlebrook bu etkiyi inceledi ve giriş filtresinin çıkış empedansının dönüştürücünün giriş empedansından çok daha küçük olması gerektiği sonucuna vardı. Bu, Şekil 3'teki R ve C5 sönümleme devreleri ile elde edilebilir. C5'in kapasitans değeri C2'nin 5 katından çok daha büyüktür ve R = SQRT (L / C2). Elektrolitik kapasitörlerin tüketim tasarrufu faktörü de benzer bir etki sağlayabilir, ancak kapasitans ve direnç kayıpları iyi kontrol edilemez.
DC-DC dönüştürücüler genellikle CM gürültüsü problemine sahip değildir, çünkü giriş ve çıkış topraklanabilir. Giriş yüzer bir tasarımsa, CM gürültüsünü azaltmak için C3 ve C4 kapasitörleri eklenebilir. Bununla birlikte, dönüştürücünün yüksek voltajlı AC girişinin güvenlik gereksinimlerini karşılaması gerekiyorsa, izin verilen kapasitans değeri sınırlandırılacaktır. C3 ve C4 değerleri, akabilecek maksimum AC kaçak akımı belirler ve geçici gerilim ve nominal Y güvenlik kapasitörlerine uygun olmalıdır. Aşırı durumlarda veya aşırı hassas uygulamalarda seri olarak iki kondansatör kullanmak gerekebilir.Örneğin, hasta ile doğrudan temas halinde olan tıbbi cihazlarda, kondansatörlerden birinin özel durumunun kısa devre olmasını önlemek için seri olarak iki kondansatör kullanılır.
Bazı uygulamalarda, DC-DC dönüştürücü girişi, voltaj geçici bastırma devreleri gerektirebilir. Örneğin, otomotiv ve demiryolu endüstrileri bir geçici bastırma gerilimi standardı oluşturmuştur, ancak diğer uygulama alanlarında açıkça tanımlanmamıştır. En son Avrupa standardı EN IEC 61204-3: 2018 DC çıkışlı düşük voltajlı güç kaynağı cihazı Bölüm 3: Elektromanyetik uyumluluk yaygın olarak kabul edilmemiştir, ancak bu standart DC-DC dönüştürücülerin farklı uygulama kategorilerindeki aşırı gerilimini tanımlar.
AC-DC dönüştürücü giriş filtresi
Aslında, AC-DC dönüştürücülerin durumu nispeten basittir. Yüksek güçlü ürünler genellikle doğrudan AC gücüne bağlanır. Bu nedenle, dönüştürücü EMC standartlarına uymalı ve endüstriyel, BT, medikal ve test ekipmanı gibi uygulamalar için uygun olan yerleşik bir filtreye sahip olmalıdır. Bununla birlikte, PCB kabloları aracılığıyla AC gücüne bağlanan yerleşik düşük güçlü AC-DC dönüştürücüler için de büyük bir pazar vardır. RECOM RAC20-K serisi gibi en yüksek EMC emisyon standartlarına (Sınıf B) uymak için konvertörün içinde genellikle bir filtre gereklidir.
Bazı ürünler daha düşük Sınıf A standartlarını karşılar. Bu, maliyet tasarrufu sağlayabilir ve özellikle dönüştürücü AC ile çalıştırıldığında ve akım sistemin başka bir yerinde filtrelendiğinde yeterli filtreleme performansına sahip olabilir. Üretici, bu bileşenlerin Sınıf B standardını karşılamasını sağlamak için, genellikle AC hattında X kapasitörleri ve AC hattı ile topraklama arasında Y 'kapasitörlerini kullanarak ek filtre bileşenleri önerecektir.
RECOM RAC03-GA serisi tipik bir örnektir. Bu cihazları etkili kılmak için, dönüştürücüye mümkün olduğunca yakın olmalı ve toprağa en düşük empedans bağlantısını kullanmalıdır. Lütfen izin verilen kapasitans değerinin sınırlı olduğunu unutmayın. Örneğin, X kapasitör, AC güç kaynağının bağlantısı kesildikten sonra bir saniye içinde güvenli bir voltaja boşaltılmalıdır ve uygun bir paralel deşarj direnci gerekli olabilir. Daha önce belirtildiği gibi, sistem topraklaması kesilirse, DC-DC dönüştürücünün Y kapasitörünün tehlikeli kaçak akımların akmasını önlemesi gerekir. En hassas tıbbi uygulamalar, maksimum kaçak akımın 10A kadar düşük olmasına izin vererek kapasitansı yaklaşık 100 pF ile sınırlar. Diğer uygulamalar, BT alanında 3.5mA gibi daha yüksek kaçak akıma izin verir, böylece daha yüksek Y kapasitans değerleri kullanılabilir.
Sistemin EMC performansı bir cihazın performansı ile basitçe tahmin edilemez.Örneğin, standart uyumlu yerleşik bir AC-DC dönüştürücü tüm sistemin standardı geçebileceğini garanti edemez. Bununla birlikte, RECOM'un yerleşik olmayan (çevrimdışı) ve yerleşik güç ürünleri zenginliği vardır ve müşterilerin ekipmanlarının EMC testlerini yapmalarına yardımcı olmak için kendi EMC test laboratuvarını kullanabilir.
