Способы уменьшения электромагнитных помех

Опубликовано в номере:
PDF версия
Существует целый ряд способов снижения уровня электромагнитных помех. Как правило, в первую очередь внимание обращают на использование различных фильтров, начиная с ферритовой бусины и заканчивая сложными входными ЭМП-фильтрами, а также на топологию печатной платы. В статье рассматриваются не столь популярные, однако не менее эффективные методы. Причем, это не альтернативные, а дополнительные способы уменьшения помех.

Метод расширения спектра

Одним из относительно малораспространенных способов обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) является расширение спектра (Spread spectrum), или его распределение. Суть этой технологии отражает рис. 1: слева на нем изображена временная область, справа – частотная.

Технология расширения спектра (Spread spectrum)

Рис. 1. Технология расширения спектра (Spread spectrum)

Как видно на рисунке, за счет изменения рабочей частоты преобразователя в интервале 2∆fC энергия электромагнитных помех распределяется по участку спектра. Соответственно, пиковое значение энергии помех уменьшается. Впрочем, не все так просто, и этого уменьшения может оказаться недостаточно, чтобы уложиться в строгие требования стандартов ЭМС, к тому же многое зависит от чувствительности и полосы пропускания прибора, регистрирующего помехи.

Обычно частота ∆fC варьируется в пределах ±5…±10%, а частоту fm выбирают равной примерно 9 кГц. Если при этом величина электромагнитных помех все же не соответствует требуемым значениям, придется изменить модуляцию, например, прибегнуть к треугольной модуляции. На рис. 2а показана треугольная модуляция (линия красного цвета) и псевдослучайная треугольная модуляции (линия зеленого цвета). На рис. 2б показан уровень кондуктивных помех для обоих типов модуляции, цвет соответствующих кривых совпадает на рисунках 2а и 2б. Сравнивая результаты измерения, можно увидеть, что при псевдослучайной треугольной модуляции уровень кондуктивных помех примерно на 5 дБ ниже [1].

Треугольная модуляция (линия красного цвета) и псевдослучайная треугольная модуляция (линия зеленого цвета)

Рис. 2.
а) Треугольная модуляция (линия красного цвета) и псевдослучайная треугольная модуляция (линия зеленого цвета);
б) уровень кондуктивных помех для обоих типов модуляции

Еще более впечатляющие результаты удается получить при использовании двойной случайной модуляции расширения спектра (dual random spread spectrum). В этом случае происходит наложение двух типов модуляции с разной полосой. Пример подобной модуляции во временной области представлен на рис. 3. На рис. 4 дан результат измерения кондуктивных помех при использовании технологии расширения спектра без двойной модуляции DRSS (линии красного цвета) и с двойной модуляцией (линии зеленого цвета) [1]. Комментарии излишни, поскольку преимущество метода модуляции DRSS очевидно и изделие полностью отвечает жестким требованиям стандарта CISPR 25. В России есть аналог этого стандарта — ГОСТ Р 51318.25–2012 (СИСПР 25:2008).

Двойная случайная модуляция расширения спектра DRSS

Рис. 3. Двойная случайная модуляция расширения спектра DRSS

Кондуктивные помехи при использовании технологии расширения спектра без двойной модуляции DRSS (линии красного цвета) и с двойной модуляцией (линии зеленого цвета)

Рис. 4. Кондуктивные помехи при использовании технологии расширения спектра без двойной модуляции DRSS (линии красного цвета) и с двойной модуляцией (линии зеленого цвета)

 

Активная фильтрация кондуктивных электромагнитных помех

Суть метода понятна из рис. 5. Фильтр, встроенный в контроллер или преобразователь, инвертирует и усиливает сигнал и через конденсатор CINJ возвращает его на вход, где он вычитается из исходного сигнала. Таким образом, при той же величине ослабления помех входным пассивным ЭМП-фильтром величина помех существенно снижается. Следует обратить внимание, что в данном случае повышение коэффициента ослабления помех происходит не за счет увеличения габаритов входного ЭМП-фильтра, что представляется весьма важным преимуществом рассматриваемого метода.

Активная фильтрация электромагнитных помех

Рис. 5. Активная фильтрация электромагнитных помех

Результат применения активной фильтрации можно увидеть на рис. 6, где показаны кондуктивные помехи понижающего DC/DC-преобразователя с рабочей частотой 400 кГц. Заметим, что, используя активную фильтрацию и пассивный фильтр с дросселем величиной 1 мкГн и конденсатором 100 нФ, можно добиться такого же подавления помех, как и с помощью только пассивного фильтра с дросселем 3,3 мкГн и конденсатором 100 мкФ. Такое уменьшение номинальных значений компонентов пассивного фильтра позволяет существенно сократить его размеры.

Кондуктивные помехи понижающего DC/DC-преобразователя при разных типах фильтрации

Рис. 6. Кондуктивные помехи понижающего DC/DC-преобразователя при разных типах фильтрации

 

Уменьшение кондуктивных электромагнитных помех в изолированных преобразователях

Через паразитные емкости трансформатора в изолированных преобразователях образуются дополнительные пути протекания синфазных токов. Следовательно, усиливаются и синфазные кондуктивные помехи. Для их подавления обычно пользуются дополнительным синфазным дросселем, что увеличивает габариты фильтра, а это не всегда приемлемо. Альтернативой может послужить введение дополнительных обмоток в изолирующем трансформаторе. При этом его размеры, а значит, и размеры модуля питания не изменяются.

Расположение дополнительных обмоток, балансной обмотки, компенсирующей синфазную составляющую, и вспомогательной обмотки изолирующего трансформатора показано на рис. 7. Они могут быть выполнены проводом минимального сечения и не потребуют увеличения размера окна и сердечника. На рис. 8а представлена эквивалентная схема обратноходового преобразователя трансформатора с емкостями, сформированными дополнительными обмотками трансформатора. На этой схеме конденсатор CP-S образован паразитной емкостью между первичной и вторичной обмоткой трансформатора, а конденсатор CS-AUX — емкостью между вспомогательной и вторичной обмоткой.

Расположение дополнительных обмоток в изолирующем трансформаторе

Рис. 7. Расположение дополнительных обмоток в изолирующем трансформаторе

Эквивалентная схема обратноходового преобразователя трансформатора с дополнительными обмотками

Рис. 8.
а) Эквивалентная схема обратноходового преобразователя трансформатора с дополнительными обмотками;
б) кондуктивные электромагнитные помехи

Вспомогательная балансная обмотка экранирует внутреннюю половину первичной обмотки от вторичной обмотки, тем самым уменьшая практически до нуля паразитную емкость между ними. Поэтому и синфазное напряжение, и синфазный ток стремятся к нулю. Вспомогательная обмотка, размещенная рядом с внешней половиной первичной обмотки, порождает паразитную емкость CS-AUX, ток в которой направлен встречно синфазному току, протекающему через паразитную емкость CP-S между первичной и вторичной обмоткой.

В результате синфазные помехи значительно сокращаются, и преобразователь соответствует требованиям стандартов электромагнитной совместимости, имея запас и по квазипиковому, и по среднему уровням.

 

Радиопомехи

Выше речь шла в основном о кондуктивных электромагнитных помехах. В этом разделе будут рассмотрены некоторые способы снижения радиопомех. Разумеется, меры, принимаемые для уменьшения кондуктивных помех, приводят и к снижению радиопомех, но к сожалению, только этих мер часто оказывается недостаточно.

Если для уменьшения уровня кондуктивных помех действенны схемотехнические методы, то для сокращения радиопомех выбираются соответствующие конструкции. В любом преобразователе используются дроссели, предусмотренные в составе выходного сглаживающего LC-фильтра. А потому такой фильтр инженер, безусловно, поставит в схему. Хорошо, если он укажет начало обмотки дросселя, но, увы, часто это упускают из виду.

Едва ли отметит начало обмотки дросселя и специалист, разрабатывающий топологию платы, и, конечно, не обратят на это внимание на монтажном участке или в цеху. Тем не менее неправильное подключение дросселя приводит к тому, что не удается выполнить требования стандартов электромагнитной совместимости.

У любого дросселя есть паразитная индуктивность рассеяния, которая становится источником радиопомех. Для того чтобы их уменьшить, можно использовать экранированный дроссель, но при этом, к сожалению, уменьшается его ток насыщения, что не всегда допустимо.

Неправильное подключение дросселя в схеме способно увеличить радио­помехи. Поэтому на принципиальной электрической схеме необходимо указывать начало обмотки дросселя. Если имеется дроссель с многослойной намоткой, то начало его обмотки следует подключать к источнику помех, к узлу коммутации преобразователя. В таком случае внешний слой обмотки послужит экраном и ослабит пульсации.

Немного подробнее следует рассмотреть конструкцию дросселя на примере изделий компании Coilcraft. Внешний вид дросселя и его конструкция показаны на рис. 9. Конструкция дросселей других компаний не имеет принципиальных отличий, поэтому наши рассуждения будут справедливы и для них. У контактных выводов дросселя бывает разный размер. Вывод меньшей длины маркируется на корпусе тонкой полоской белого цвета. Именно этот вывод необходимо подключать к источнику помех с максимальной величиной dV/dt.

Дроссель компании Coilcraft

Рис. 9. Дроссель компании Coilcraft

По возможности следует выбрать дроссель с выводами, расположен­ными под обмоткой и не выступающими наружу. В этом случае обмотка и сердечник дросселя также будут частично экранировать радиопомехи от выводов. На рис. 10 показаны дроссели с выводами под обмоткой (рис. 10а) и с выводами, выступающими наружу (рис. 10б), а на рис. 10в приведены результаты измерения электрического поля для обоих типоисполнений дросселей [2]. Расстояние отсчитывалось от внешней стороны дросселя, на которой расположен вывод.

Дроссели с выводами, расположенными под обмоткой

Рис. 10.
а) Дроссели с выводами, расположенными под обмоткой;
б) дроссели с выводами, выступающими наружу;
в) результаты измерения электрического поля для обоих типоисполнений дросселей

Литература
  1.  Time-Saving and Cost-Effective Innovations for EMI Reduction in Power Supplies www.ti.com.
  2.  Does the Assembly Orientation of an SMPS Inductor Affect Emissions? www.analog.com/ссылка утрачена/

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *