Вибір фільтра живлення EMC CUI Inc.

6 серпня 2019 р. Рон Стулл - Час читання: 7 хвилин

Імпульсні джерела живлення, як правило, мають перешкоди щодо електромагнітних випромінювань (ЕМС). Швидке перемикання високовольтних і струмових вузлів призводить до відносно великих значень di/dt і dv/dt всередині схеми, що означає, що перешкоди випромінюються в широкому діапазоні частот. У більшості країн регулятори встановлюють обмеження щодо кількості електромагнітних перешкод, які можуть випромінюватися. Як результат, витрачається багато часу та зусиль, щоб послабити джерела перешкод та відфільтрувати залишки перешкод. Ці блоки живлення відповідають вимогам, якщо їх перевіряти окремо. Однак, додавши до системи, це може призвести до ненавмисних електромагнітних випромінювань, які потребують додаткової фільтрації для затвердження регуляторами. При правильному виборі стандартних фільтрів ЕМС є простим способом покращення викидів та дотримання норм.

ЕМС та передумови електромагнітної сумісності

Маючи справу з електромагнітною сумісністю (ЕМС), проблема часто моделюється з трьох компонентів: джерел, шляхів та рецепторів.

Джерелами є пристрої або вузли ланцюга, які створюють збурення. Окрім самого джерела живлення, сюди можуть входити інші пристрої, такі як мікропроцесори, відеодрайвери, радіочастотні генератори тощо.

Порушення, створене джерелом, має два шляхи, якими воно може пройти. Перший - це шлях випромінювання, який є електромагнітною енергією, яка поширюється в космос і сполучається в інші системи. Другий - дротовий шлях, де сигнал проходить через провідники системи (наприклад, сліди та рівні друкованих плат, лінії компонентів, вхідна проводка тощо). Це може повернутися до ліній електропередач і вплинути на інші пристрої, які отримують живлення від цієї лінії.

Рецептори - це пристрої, які вловлюють збурення, випромінювані джерелом, і на які впливають перешкоди. Майже кожна аналогова та цифрова схема може виступати в ролі рецептора.

Під час перевірки на ЕМС контролер перевіряє проводиться та випромінюваний електромагнітний випромінювання окремо. Кожен має свої межі та діапазони частот та свій метод придушення. Випромінювані випромінювання охоплюють більш високий діапазон частот (зазвичай від 30 МГц до 1000 МГц). І в міру того, як хвилювання рухається у просторі, спосіб управління нею обмежений. На додаток до використання відповідних технологій компонування та проектування схеми для зменшення збурень у джерела, екранування може використовуватися для стримування випроміненого збурення. З іншого боку, провідні випромінювання охоплюють нижчий діапазон частот (зазвичай від 0,15 МГц до 30 МГц) і, оскільки вони проходять через провідники, можна керувати за допомогою компонентів електричного фільтра. Додаючи EMI-фільтри, дизайнер може вибрати, чи хоче він зробити їх стриманими, чи він обирає комерційно доступний EMI-фільтр.

ЕМС-фільтри та системні вимоги

Техніки, які вибирають комерційно доступний фільтр ЕМС, можуть викликати плутанину при виборі правильного фільтра для відповідної системи. Першим кроком є переконання, що фільтр ЕМС відповідає основним електричним вимогам. Важливими моментами для перевірки є:

номінальна напруга, максимальна напруга, яка може подаватися на вхід. Якщо його перевищити, компоненти фільтра можуть пошкодитися.
Напруга ізоляції, значення ізоляції, виміряне між кожною вхідною лінією та землею/землею шасі (між входом і виходом немає ізоляції).
Номінальний струм, максимальний струм, який може протікати через фільтр ЕМС в межах заданого діапазону робочих температур.
робоча температура, максимальна температура, при якій пристрій може працювати.
Струм витоку, струм, що протікає через землю/землю шасі. Окрім самого джерела живлення, фільтр ЕМС також буде сприяти струму витоку. З міркувань безпеки струм витоку встановив обмеження, і додавання витоку через фільтр повинен розглянути розробник.

Приклад внутрішньої схеми фільтра

Властивості фільтра ЕМС

Знайшовши фільтр ЕМС, який відповідає умовам роботи системи, слід перевірити фактичні характеристики фільтра. Технічний паспорт зазвичай включає схеми для втрати вставки, одну для загального режиму та одну для диференціального режиму. Ці схеми показують користувачеві, наскільки загасана частота сигналу між входом і виходом.

Втрата вставки - це відношення сигналу на вході фільтра до сигналу на виході. Зазвичай його вимірюють у децибелах через великий охоплений діапазон частот, як показано в наступному рівнянні.

Втрата вставки (дБ) = 20 Log 10 (нефільтрований сигнал/відфільтрований сигнал)

Це можна переписати, використовуючи правило частки для вирішення відфільтрованого сигналу.

Відфільтрований сигнал (дБ) = нефільтрований сигнал (дБ) - втрата вставки (дБ)

Діаграми втрати вставки

У деяких випадках графік не відображається, і натомість значення для ослаблення шуму вказане в технічному паспорті. Зазвичай це поєднується з діапазоном частот, для яких застосовується ослаблення. Наприклад, технічний паспорт може вказувати на ослаблення 30 дБ від 150 кГц до 1 ГГц.

Останній момент, який слід врахувати при перегляді даних фільтра, полягає в тому, що імпеданси джерела та навантаження змінюють поведінку фільтра. Втрати на введення, зазначені в технічному паспорті, визначали з імпедансом (зазвичай 50 Ом), який може суттєво відрізнятися від втрати системи, до якої він застосовується. Хоча фільтр може виглядати чудово на папері, важливо протестувати фільтр на схемі, щоб перевірити його ефективність за фактичних умов джерела та навантаження кінцевої системи.

Вибір фільтра ЕМС

При виборі фільтра ЕМС ідеально, якщо блок живлення, що відфільтровується, заздалегідь пройшов випробування ЕМС, щоб отримати основу для проведених викидів. Результати випробувань показують конструктору, на яких частотах і на яке значення пристрій вийшов з ладу. Цю інформацію можна порівняти з діаграмами втрат вставки фільтра ЕМС. Таким чином можна визначити, чи достатньо демпфування на невдалих частотах для проходження тесту ЕМС. Наприклад, якщо випробовування загального режиму на 500 кГц не вдалося через 64 дБ, наступна крива втрат вставки загального режиму фільтра ЕМС на 500 кГц показує рівень загасання приблизно -75 дБ. Якщо використовується цей ЕМС-фільтр, слід пройти тест ЕМС на частоті 500 кГц з допуском 11 дБ.

Приклад діаграми ЕМС до та після застосування фільтра (вгорі) та втрати вставки фільтра ЕМС (внизу)

Через непослідовне затухання у частотному спектрі, слід переконатися, що всі відмовлені або відсічені частоти належним чином затухають. Якщо аркуш даних містить одне значення втрат, а не графік втрат вставки, важливо переконатися, що це одне значення перевищує максимальну похибку.

Висновок

Імпульсні джерела живлення є основним джерелом електромагнітних випромінювань (ЕМС), тому їх регулювання є критичним, щоб уникнути перешкод іншим електронним пристроям. Більшість, якщо не всі, джерела живлення з перемиканням мають вхідний фільтр. Однак через широке розмаїття застосувань цього може бути не завжди достатньо для проходження остаточного тесту на електромагнітну сумісність після застосування на повній системі. Стандартні фільтри ЕМС - це швидкий і простий спосіб зменшити електромагнітні випромінювання, коли внутрішнього фільтра недостатньо. Вони також можуть заощадити час, оскільки немає необхідності розробляти окреме рішення з нуля. CUI пропонує кілька фільтрів живлення змінного струму змінного та постійного струму та фільтри живлення постійного струму постійного струму з конфігурацією кріплення на платі, шасі та DIN-рейці, оптимізованих для потреб електромагнітної сумісності системи.