Модульные сетевые ЭМП-фильтры

Разработчикам со стажем хорошо известно, что сертификат по электромагнитной совместимости (ЭМС) для конечных изделий нельзя гарантированно получить, используя в системе только совместимые компоненты. На то имеются разные причины. Например, испытания на совместимость AC/DC-преобразователей, применяемых в оборудовании, осуществляются с учетом импеданса линии переменного тока, выходной нагрузки, длины кабелей и способа их прокладки, а также места размещения. При тестировании конечного изделия с установленным в него AC/DC-преобразователем все эти параметры отличаются от условий испытаний, что ухудшает электромагнитную совместимость. Электромагнитные помехи (ЭМП), излучаемые другими компонентами и воздействующие на силовой кабель, повышают уровень кондуктивных помех.

Модульные фильтры, облегчающие совместимость

Как выбрать оптимальный внешний модульный фильтр, который позволяет избавиться от помех? Давайте сначала рассмотрим схему типового коммерческого фильтра и попытаемся установить вклад каждого ее компонента в шум (рис. 1).

Рис. 1. В типовом модульном ЭМП-фильтре используются конденсаторы CX для ослабления дифференциального шума, а также комбинация дросселя с конденсатором, позволяющая уменьшить синфазный шум

Конденсатор CX ослабляет синфазный шум, сигналы и всплески, которые возникают при быстрых изменениях тока в преобразователе. Конденсаторам присваиваются обозначения X1, X2 и X3 в зависимости от их устойчивости к изменениям напряжения в переходных процессах линий переменного тока. Индуктивность L представляет собой синфазный дроссель с двумя фазированными обмотками. На пути синфазного шума, возникшего при быстром изменении напряжения в преобразователе и поступающего из линии переменного тока и нейтрального провода в заземление, установлен дроссель с большим импедансом; при этом каждый конденсатор CY перенаправляет шумовой ток в землю. Ток, протекающий через две обмотки дросселя в нормальном режиме, обеспечивает гашение поля в сердечнике так, что при высоких значениях импеданса отсутствует риск магнитного насыщения. Из-за несовершенной обмотки дроссели обладают небольшой индуктивностью рассеяния, которую можно представить как отдельную последовательную индуктивность, уменьшающую дифференциальные помехи.

В отличие от конденсатора CX, емкость которого может быть любой в допустимых пределах, значения двух конденсаторов CY ограничены требованиями к току утечки на землю. Конденсаторы типов Y1, Y2, Y3 и Y4 выбираются в зависимости от номинального рабочего напряжения и напряжения в переходном процессе. Ток утечки через конденсаторы типа Y создают потенциальную проблему при использовании их в качестве защитного барьера между линией переменного тока, нейтральным проводом и заземлением. При нарушениях защитного заземляющего соединения металлической конструкции оборудования напряжение корпуса увеличивается до сетевого напряжения через конденсатор Y, что может вызвать удар электрическим током. Значения емкости конденсаторов Y ограничены таким образом, чтобы не допустить протекания этого тока через корпус, и выбираются в соответствии с действующими стандартами. Предельные значения токов утечки через емкости находятся в диапазоне от нескольких десятков мА для промышленного оборудования до значений меньше 10 мкА, если речь идет о медицинских приложениях.

Как правило, величина сопротивления R1 составляет 1 МОм. Этот резистор предназначен для протекания разрядного тока от CX в тех случаях, когда подача питания резко прекращается, а нагрузка не позволяет отвести этот разряд, что приводит к появлению опасного напряжения на выводах разъема. Стандарт IEC 62368–1 для оборудования ИТ-систем и стандарт, обеспечивающий безопасную эксплуатацию мультимедийного оборудования, требуют, чтобы конденсатор разряжался через сопротивление R1 до напряжения величиной менее 60 В спустя 2 с при CX > 300 нФ. Если CX < 300 нФ, напряжение может быть больше. У оборудования, доступ к которому имеет только обученный персонал, допустимые уровни напряжения выше.

Другие стандарты отличаются от упомянутых выше. Например, IEC 60601–1 для медицинского оборудования требует, чтобы разряд до величины менее 60 В происходил за 1 с, но не предусматривает каких-либо требований, если CX не превышает 100 нФ. Стандарт IEC 62368–1 требует, чтобы величина отклонения от номинального значения сопротивления, обеспечивающего устойчивость приложения к воздействию напряжения в переходном процессе, не превышала 10%, если этот резистор установлен перед предохранителем. Таким образом, к R1 предъявляются очень строгие требования. В некоторых приложениях мощность, рассеиваемая на резисторе R1 в нормальных условиях, может ограничивать его соответствие ограничениям на потери в режиме ожидания или в отсутствие нагрузки. Предохранитель на рис. 1 можно заключить в модульный фильтр. В первую очередь, речь идет о фильтре, который монтируется на панель, например фильтр распространенного типа IEC320‑C14 (рис. 2).

Рис. 2. Распространенные ЭМП-фильтры IEC320-C14 с предохранителем, предназначенные для крепления на панели

В коммерческих приложениях обычно применяется один предохранитель. Обеспечивая соответствие стандартам, он облегчает требования к установленным за ним компонентам, например к резистору R1. Некоторые приложения, например медицинские устройства и ИТ-оборудование класса II, требуют использования предохранителей в линиях переменного тока и нейтральных проводах во избежание случайного соединения, когда предохранитель окажется не в фазовой, а в нейтральной линии. Однако эти устройства, защищающие проводники от нескольких высоких токовых нагрузок, не гарантируют быстрого срабатывания в аварийных случаях, что создает пожароопасные условия. Недостаток защиты с помощью двух предохранителей в том, что при протекании экстратока между линией питания и нейтральным проводником может сработать только предохранитель нейтрали. При этом возникает впечатление, что оборудование обесточено. Но это не так — все внутренние соединения остаются под напряжением.

Выбор фильтра

Механическая конструкция фильтра – отправная точка в процессе выбора. Согласно требованиям IEC, входные фильтры выпускаются под винтовое крепление или с защелками, а их конструкция предусматривает использование переключателя, одного, двух или ни одного предохранителя в зависимости от нужд приложений. Номинальный ток фильтра C14 этого типа составляет 10 А, а фильтра C20 – 16 А; при этом номинальный ток фильтров для крепления на монтажные панели превышает 20 А. Монтируемые на панели фильтры с экранированием всех шести сторон крепятся на проводящую заземленную металлическую конструкцию, обеспечивая очень эффективное ослабление ЭМП.

Для медицинского оборудования выпускаются фильтры всех типов; при этом конденсаторы Y не используются, чтобы уменьшить максимальный ток утечки до 5 мкА. Это значит, что затухание в синфазном режиме сократилось и может потребоваться компенсация, например с помощью каскада включенных фильтров.

Номинальный ток фильтра можно легко рассчитать, зная мощность нагрузки, наименьшее входное напряжение и коэффициент мощности (КМ) нагрузки. Например, при мощности нагрузки 200 Вт и КМ равном 0,9 при 90 В AC потребляемый ток составляет 200 Вт/(0,9·90 В) = 2,47 А. В этом случае можно выбрать фильтр с номинальным током 3 А.

Рис. 3. Характеристика ЭМП источника питания AC/DC с собственным фильтром находится в хорошем соответствии с нормативными требованиями

Для того чтобы установить уровень ослабления электромагнитных помех внешним фильтром, измеряется эффективность системы в его отсутствие, после чего рассчитываются параметры фильтра в соответствии с требованиями. Кривые затухания, представленные в технических описаниях фильтров, дают представление об их характеристиках, но следует учитывать, что они были получены при определенных условиях — как правило, при использовании источника помех с 50-Ом выходным сопротивлением и 50-Ом нагрузки. И хотя источник переменного тока можно стандартизовать с помощью эквивалента сети (LISN), на практике нагрузка, скорее всего, будет существенно отличаться от той, которая предусматривалась условиями испытаний.

Рис. 4. Характеристики ЭМП модульного фильтра XP FCSS06SFR в дифференциальном и синфазном режимах

Применение модуля фильтра, установленного последовательно внутреннему фильтру в источнике питания AC/DC, может привести к появлению резонансов и соответствующему усилению ЭМП на критически важных частотах. На рис. 3 в качестве иллюстрации рассматривается кривая ЭМП типового AC/DC-преобразователя PBR500PS12B от XP Power, который работает при напряжении 230 В АС и рассчитан на мощность 180 Вт. График в полной мере соответствует требованиям стандарта EN 55032 класса Б к предельному уровню излучения для квазипикового детектирования. Затем в линию переменного тока был установлен фильтр FCSS06SFR от XP Power, и снята характеристика затухания (рис. 4). Пунктирная линия соответствует результатам измерения в дифференциальном режиме, а сплошная — в синфазном. Комбинированный результат показан на рис. 5.

Рис. 5. Из характеристик ЭМП источника питания AC/DC и внешнего фильтра (см. рис. 3-4) видно, что суммарное затухание на частотах выше 10 МГц меньше ожидавшегося и необходимо провести дополнительные измерения

Видно, что на частотах вблизи 1 МГц фильтр позволяет уменьшить помехи на ожидаемую величину, но в диапазоне выше 10 МГц результаты скромнее и не отвечают ожиданиям. Это значит, что модульный фильтр не «видит» на этих частотах, что линия согласована с нагрузкой на 50 Ом. Следовательно, необходимы повторные измерения, чтобы подтвердить соответствие на ЭМС.