Výber výkonového filtra EMC CUI Inc.

6. augusta 2019, Ron Stull - Čas čítania: 7 minút

Spínané napájacie zdroje majú spravidla rušenie, pokiaľ ide o elektromagnetické emisie (EMC). Rýchle prepínanie vysokonapäťových a prúdových uzlov vedie k relatívne veľkým hodnotám di/dt a dv/dt v obvode, čo znamená, že rušenie je emitované v širokom frekvenčnom rozsahu. Vo väčšine krajín regulačné orgány stanovujú limity množstva elektromagnetického rušenia, ktoré môže byť emitované. Výsledkom je, že sa vynaloží veľa času a úsilia na zmiernenie zdrojov rušenia a odfiltrovanie zvyšného rušenia. Tieto zdroje napájania pri samostatnom testovaní vyhovujú predpisom. Ak je však pridaný do systému, môže to viesť k nežiaducim elektromagnetickým emisiám, ktoré si kvôli schváleniu regulačnými orgánmi vyžadujú ďalšie filtrovanie. Ak sú štandardné filtre EMC správne vybrané, predstavujú ľahký spôsob, ako zlepšiť emisie a vyhovieť predpisom.

EMC a pozadie elektromagnetickej kompatibility

Pri riešení elektromagnetickej kompatibility (EMC) sa problém často modeluje pomocou troch zložiek: zdrojov, ciest a receptorov.

Zdrojmi sú zariadenia alebo uzly obvodov, ktoré vytvárajú rušenie. Okrem samotného napájania to môže zahŕňať ďalšie zariadenia, ako sú mikroprocesory, ovládače videa, RF generátory atď.

Porušenie spôsobené zdrojom má dve cesty, cez ktoré môže cestovať. Prvou je dráha žiarenia, čo je elektromagnetická energia, ktorá sa šíri do vesmíru a spája sa do iných systémov. Druhou je drôtová cesta, kde signál preteká vodičmi systému (napr. Stopy a úrovne plošných spojov, vedenia komponentov, vstupné vedenie atď.). Môže sa to vrátiť do elektrického vedenia a ovplyvniť to ďalšie zariadenia, ktoré napájajú z tohto vedenia.

Receptory sú zariadenia, ktoré zachytávajú rušenia emitované zdrojom a sú ovplyvnené interferenciou. Takmer každý analógový a digitálny obvod môže fungovať ako receptor.

Pri kontrole EMC kontroluje riadiaca jednotka elektromagnetické vyžarovanie vedené a vyžarované zvlášť. Každý z nich má svoje vlastné limity a frekvenčné rozsahy a svoju vlastnú metódu potlačenia. Vyžarované emisie pokrývajú vyšší frekvenčný rozsah (zvyčajne 30 MHz až 1 000 MHz). A keďže sa porucha pohybuje vesmírom, je spôsob, akým ju možno ovládať, obmedzený. Okrem použitia vhodných techník usporiadania a návrhu obvodu na zoslabenie rušenia u zdroja možno na potlačenie vyžarovaného rušenia použiť aj tienenie. Na druhej strane emitované emisie pokrývajú nižší frekvenčný rozsah (typicky 0,15 MHz až 30 MHz) a keďže prechádzajú vodičmi, je možné ich regulovať pomocou komponentov elektrického filtra. Pri pridávaní filtrov EMI si môže dizajnér zvoliť, či ich chce diskrétne alebo či sa rozhodne pre komerčne dostupný filter EMI.

EMC filtre a systémové požiadavky

Pre technikov, ktorí si vyberú komerčne dostupný filter EMC, môže byť pri výbere správneho filtra pre príslušný systém zmätok. Prvým krokom je zabezpečiť, aby filter EMC spĺňal základné elektrické požiadavky. Dôležité body na kontrolu sú:

menovité napätie, maximálne napätie, ktoré je možné na vstup priviesť. Ak dôjde k jeho prekročeniu, môžu sa poškodiť komponenty vo filtri.
Izolačné napätie, hodnota izolácie nameraná medzi každým vstupným vedením a zemou/kostrou (medzi vstupom a výstupom nie je izolácia).
Menovitý prúd, maximálny prúd, ktorý môže pretekať cez filter EMC v stanovenom rozsahu prevádzkovej teploty.
prevádzková teplota, maximálna teplota, pri ktorej je možné zariadenie prevádzkovať.
Unikajúci prúd, prúd pretekajúci zemou/kostrou. Okrem samotného napájania prispeje zvodový prúd aj EMC filter. Z bezpečnostných dôvodov má zvodový prúd stanovené limity a návrh úniku cez filter by mal zvážiť projektant.

Príklad vnútorného filtračného obvodu

Vlastnosti EMC filtra

Keď nájdete filter EMC, ktorý spĺňa prevádzkové podmienky systému, mali by ste skontrolovať skutočné charakteristiky filtra. Údajový list zvyčajne obsahuje schémy pre stratu vloženia, jednu pre spoločný režim a druhú pre diferenciálny režim. Tieto diagramy ukazujú užívateľovi, o koľko je zoslabená frekvencia signálu medzi vstupom a výstupom.

Strata vloženia je pomer signálu na vstupe filtra k signálu na výstupe. Zvyčajne sa meria v decibeloch kvôli veľkému pokrytému frekvenčnému rozsahu, ako je znázornené v nasledujúcej rovnici.

Strata vloženia (dB) = 20 log 10 (nefiltrovaný signál/filtrovaný signál)

To je možné prepísať pomocou pravidla kvocientu na rozlíšenie filtrovaného signálu.

Filtrovaný signál (dB) = nefiltrovaný signál (dB) - strata vloženia (dB)

Schémy straty vloženia

V niektorých prípadoch sa nezobrazí žiadny graf a namiesto toho je v údajovom liste uvedená hodnota útlmu šumu. To je zvyčajne spárované s rozsahom frekvencií, nad ktorými je útlm použiteľný. Napríklad údajový list môže naznačovať útlm 30 dB medzi 150 kHz a 1 GHz.

Posledným bodom, ktorý je potrebné vziať do úvahy pri kontrole údajov filtra, je skutočnosť, že impedancia zdroja a zaťaženia menia správanie filtra. Vložná strata uvedená v údajovom liste bola stanovená s impedanciou (zvyčajne 50 Ω), ktorá sa môže výrazne líšiť od impedancie systému, na ktorý sa aplikuje. Aj keď filter môže na papieri vyzerať skvele, je dôležité vyskúšať filter na obvode a overiť jeho výkon pri skutočných podmienkach zdroja a zaťaženia koncového systému.

Výber filtra EMC

Pri výbere filtra EMC je ideálne, ak napájací zdroj, ktorý sa má filtrovať, bol vopred podrobený testom EMC, aby sa získal základ pre vysielané emisie. Výsledky testu ukazujú projektantovi, pri akých frekvenciách a pri akej hodnote zariadenie zlyhalo. Tieto informácie sa dajú porovnať s diagrammi vloženia a straty filtra EMC. To umožňuje určiť, či je pri poruchových frekvenciách dostatočný útlm, aby vyhovel testu EMC. Napríklad, ak test emisie v spoločnom režime pri 500 kHz zlyhal z dôvodu 64 dB, nasledujúca krivka vloženia a straty vloženia v spoločnom režime filtra EMC pri 500 kHz ukazuje úroveň útlmu približne -75 dB. Ak sa použije tento filter EMC, mali by ste absolvovať test EMC pri 500 kHz s toleranciou 11 dB.

Príklad schémy EMC pred a po nanesení filtra (hore) a strate vloženia EMC filtra (dole)

Kvôli nekonzistentnému tlmeniu naprieč frekvenčným spektrom sa musí zabezpečiť, aby všetky zlyhané alebo medzné frekvencie boli správne tlmené. Ak údajový list obsahuje skôr jednu hodnotu straty ako graf vloženej straty, je dôležité zabezpečiť, aby táto jednotlivá hodnota bola väčšia ako maximálna miera chyby.

Záver

Spínané zdroje napájania sú hlavným zdrojom elektromagnetických emisií (EMC), takže ich regulácia je zásadná, aby sa zabránilo rušeniu s inými elektronickými zariadeniami. Väčšina, ak nie všetky, spínané zdroje majú vstupný filter. Avšak vzhľadom na širokú škálu aplikácií to nemusí vždy stačiť na absolvovanie záverečnej skúšky EMC po aplikácii na kompletnom systéme. Štandardné filtre EMC sú rýchlym a ľahkým spôsobom, ako znížiť elektromagnetické emisie, keď je vnútorný filter nedostatočný. Môžu tiež ušetriť čas, pretože nie je potrebné vyvíjať samostatné riešenie od nuly. CUI ponúka niekoľko výkonových filtrov AC-DC EMC a výkonových filtrov DC-DC EMC s konfiguráciami pre montáž na dosku, šasi a DIN lištu optimalizovanými pre potreby elektromagnetickej kompatibility systému.