Filtracja Zakłóceń w Regulatorach Napięcia i Zasilaczach
- Szczegóły
Zasilacze są często traktowane jako oczywisty element systemów elektronicznych. Projektanci zasilaczy skupiają się na zapewnieniu odpowiedniego napięcia i prądu wyjściowego, a następnie na aspektach termicznych. Jednakże, ze względu na bezpieczeństwo, wymagania EMC, wyższe częstotliwości PWM i miniaturyzację, EMI zasilacza powinno być kluczowym elementem projektowym.
Źródła EMI w Zasilaczach
EMI z zasilacza objawia się głównie jako przewodzone zakłócenia elektromagnetyczne, które są kierowane do obciążenia, ale występuje również promieniowane EMI, szczególnie w regulatorach przełączających o wysokim prądzie. Myśląc o EMI w zasilaczach, musimy rozważyć topologię oraz to, czy chcemy adresować niechciane prądy czy niechciane emisje, planując układ płytki PCB.
Chwilami musimy rozróżnić między EMI, które występuje wewnątrz zasilacza, a EMI, które jest odbierane przez płytę podłączoną do zasilacza. Na przykład, różne tryby pracy (np. Siły napędowe prądów wspólnych (common-mode) są nieco nieintuicyjne. Prądy wspólne są efektem elektrycznym, co oznacza, że są napędzane przez zmiany w polu elektrycznym, więc prądy wspólne w zasilaczach są pośredniczone przez pojemności pasożytnicze w stosunku do obudowy, a nie przez indukcyjność pasożytniczą.
W poniższej tabeli przedstawiono powszechne źródła EMI oraz ich przyczyny w jednostkach zasilających i obwodach regulatorów na pokładzie.
| Źródło EMI | Przyczyna | Potencjalne rozwiązanie |
|---|---|---|
| Prądy wspólne | Pojemności pasożytnicze między elementami obwodu a obudową | Filtracja na wyjściu zasilacza, dławiki trybu wspólnego, filtry prądów wspólnych z topologią dolnoprzepustową |
| Dzwonienie | Rezonans niedotłumiony spowodowany pasożytniczymi elementami i pożądanymi komponentami tworzącymi obwód RLC | Użycie komponentów z mniejszymi pasożytniczymi, zmiana warunków tłumienia |
| Wypromieniowane EMI | Przełączanie tranzystorów MOSFET w regulatorze przełączającym, prądy wspólne | Filtracja dolnoprzepustowa, redukcja prądów wspólnych, ekranowanie |
Prądy Wspólne
Przykładowa ścieżka, którą podążają prądy wspólnego trybu przez pojemności pasożytnicze. Należy zauważyć, że ta ścieżka prądu może pojawić się w systemie nawet po odfiltrowaniu szumu wspólnego wejściowego z wejścia sieci AC. Powodem jest różnica potencjałów między punktem A na powyższym diagramie a obudową, co pozwala na przewodzenie prądu z powrotem do sieci za pośrednictwem pojemności pasożytniczej.
Przeczytaj także: Filtracja Zacieru - Poradnik
Rozwiązanie: Zależy to od sposobu, w jaki prądy wspólne wnikają do systemu. W przypadku prądów przewodzonych z sieci AC, będziesz chciał zastosować pewnego rodzaju filtrację na wyjściu zasilacza. Standardem jest dławik trybu wspólnego, lub możesz użyć filtra prądów wspólnych z topologią dolnoprzepustową. Filtr pi może być użyty do dodatkowej filtracji szumów różnicowych.
Dzwonienie
W powyższej tabeli zidentyfikowano kilka przyczyn powstawania dzwonienia, które mogą wystąpić, szczególnie w trybie pracy nieciągłej. Jednakże, pasożytnicze elementy mogą również spowodować zmianę warunków tłumienia w projekcie, prowadząc do niedotłumionej rezonansu z dzwonieniem. W rzeczywistych komponentach znajduje się wiele pasożytniczych elementów, które będą wpływać na dzwonienie.
Dzwonienie nie jest dokładnie formą EMI, ponieważ jest spowodowane przez reaktywne elementy w rzeczywistych obwodach. Jednakże, dzwonienie w różnych formach może przyczyniać się do innych form EMI, więc powinno być uwzględnione w dyskusji na temat EMI, szczególnie w zasilaczach. Pasożytnicze elementy i pożądane komponenty w układzie zasilacza tworzą równoważny obwód RLC, który może wykazywać niedotłumioną rezonans.
Rozwiązanie: Użyj komponentów z mniejszymi pasożytniczymi, co może oznaczać komponenty fizycznie większe lub mniejsze. Niestety, nie jest to takie proste, zarówno w praktyce, jak i w symulacji.
Wypromieniowane EMI
Wypromieniowane EMI ma dwa główne źródła. Po pierwsze, pojawia się w postaci serii w regulatorze przełączającym za każdym razem, gdy tranzystor MOSFET przełącza, co generuje również pewne przewodzone EMI obejmujące szerokie spektrum mocy. Po drugie, prądy wspólnego trybu są również źródłami wypromieniowanego EMI.
Przeczytaj także: Wybór regulatora wilgotności
Rozwiązanie: Musisz użyć filtracji dolnoprzepustowej, aby spróbować usunąć niektóre przewodzone (różnicowe) EMI z wyjścia zasilacza. Wypromieniowane EMI jest znacznie redukowane przez skupienie się na redukcji prądów wspólnego trybu, których promieniowanie może być ~100x silniejsze niż różnicowe wypromieniowane EMI.
Przykładowe widma EMI przewodzonego i promieniowanego z przetwornicy typu buck. Źródło: Bogónez-Franco, Paco, and Josep Balcells Sendra. "EMI comparison between Si and SiC technology in a boost converter." In International Symposium on Electromagnetic Compatibility-EMC EUROPE, pp. 1-4.
Należy zauważyć, że przedstawione powyżej spektrum EMI przewodzonego może również pojawić się w spektrum EMI promieniowanego. Można to również zaobserwować na przykładzie przełączających kryształów, które mogą silnie promieniować z powodu dużych indukcyjności pętli wzdłuż ścieżki linii sygnału zegarowego. To samo może wystąpić, gdy sygnał PWM o wysokiej częstotliwości nie jest prowadzony blisko dużej płaszczyzny odniesienia.
Techniki Redukcji EMI
W przypadku, gdy te środki nie przynoszą rezultatów, można zastosować na płytce środki ekranujące. Większość projektantów prawdopodobnie zna puszki ekranujące, które można montować do płytki i używać do celowania w określone obwody lub grupy komponentów. Następnie są rozwiązania obudowy, takie jak taśmy przewodzące, uszczelki przewodzące, materiały ekranujące siatkowe i tym podobne, które można montować do obudowy. Bądź świadomy, jak uziemiasz te rozwiązania; właściwe użycie wymagane do stworzenia klatki Faradaya w projekcie zależy od tego, jak zdefiniowałeś "ziemię" w swoim systemie.
Narzędzia do Analizy EMI
Symulacje SPICE są świetne do badania topologii i wydajności elektrycznej obwodów zasilających, szczególnie regulatorów przełączających, które mogą generować hałas przewodzony lub promieniowany. Jednak tego typu EMI nie można w pełni zdiagnozować za pomocą prostych symulacji SPICE, ponieważ mogą one w dużym stopniu zależeć od fizycznego układu. Narzędzie do rozwiązywania problemów z polami może pomóc zidentyfikować miejsca w układzie, w których występują silne emisje promieniowane, silne dzwonienie i prądy wspólnego trybu.
Przeczytaj także: Fakty i mity o jonizacji powietrza
Kiedy potrzebujesz zbadać EMI zasilacza i zmienić projekt, aby zredukować EMI, możesz użyć kompletnego zestawu narzędzi do projektowania PCB w Altium Designer®. Dla bardziej zaawansowanych obliczeń dotyczących przewodzonego lub promieniowanego EMI, użytkownicy Altium Designer mogą użyć rozszerzenia EDB Exporter do importowania projektów do rozwiązań polowych Ansys.
tags: #regulator #napięcia #filtracja #zakłócenia
