Способы уменьшения электромагнитных 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.

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].

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).

Рис. 3. Двойная случайная модуляция расширения спектра DRSS

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.

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.

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.

Рис. 7. Расположение дополнительных обмоток в изолирующем трансформаторе

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.

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.

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