6 august 2019 de Ron Stull - 7 minute de citire

filtru

Sursele de alimentare cu comutare sunt inerent zgomotoase în ceea ce privește emisiile electromagnetice (EMI). Comutarea rapidă a nodurilor de înaltă tensiune și curent duce la valori relativ mari di/dt și dv/dt în circuit, determinând emiterea zgomotului pe o gamă largă de frecvențe. Organismele de reglementare din cele mai multe țări stabilesc limite privind cantitatea de zgomot electromagnetic care poate fi permisă. Drept urmare, se acordă mult timp și efort pentru atenuarea surselor de zgomot și filtrarea oricărui zgomot care rămâne. Cu toate acestea, deși aceste surse de alimentare vor respecta reglementările atunci când sunt testate singure, adăugarea lor la un sistem poate duce la emisii electromagnetice neintenționate, care vor necesita o filtrare suplimentară pentru a obține aprobarea de reglementare. Filtrele EMI de tip raft, dacă sunt selectate corect, sunt o modalitate ușoară de a îmbunătăți emisiile și de a respecta reglementările.

EMI și fundal de compatibilitate electromagnetică

Când se ocupă de compatibilitatea electromagnetică (EMC), problema este modelată în mod obișnuit cu trei componente: surse, căi și receptori.

Sursele sunt acele dispozitive sau noduri de circuit care produc interferența. În plus față de sursa de alimentare în sine, aceasta poate include și alte dispozitive precum microprocesoare, drivere video, generatoare RF etc.

Zgomotul generat de o sursă are două căi pe care apoi le poate parcurge. Prima este o cale radiată, care este energia electromagnetică care se propagă în spațiu și se cuplează în alte sisteme. A doua este o cale condusă în care semnalul se deplasează prin conductorii sistemului (de ex. Urmele și planurile PCB-urilor, cablurile componentelor, cablajul de intrare etc.). Acest lucru poate intra din nou în liniile de alimentare de la rețea și poate afecta alte echipamente alimentate de la acea linie.

Receptorii sunt acele dispozitive care captează zgomotul emis de sursă și sunt afectate de interferențe. Receptorii pot include aproape orice circuit analogic și digital.

La testarea EMC, regulatorul va testa separat emisiile electromagnetice efectuate și radiate. Fiecare are propriile limite și intervalul de frecvență, împreună cu propria metodă de suprimare. Emisiile radiate acoperă un domeniu de frecvență mai mare (de obicei 30 MHz până la 1.000 MHz) și pe măsură ce zgomotul se deplasează prin spațiu, este limitat în modul în care poate fi controlat. În afară de utilizarea tehnicilor adecvate de aspect și de proiectare a circuitelor pentru a atenua zgomotul la sursă, ecranarea poate fi utilizată pentru a conține zgomotul radiat. Pe de altă parte, emisiile conduse acoperă un interval de frecvență mai mic (de obicei de la 0,15 MHz la 30 MHz) și, deoarece se deplasează prin conductori, pot fi controlate folosind componente de filtrare electrică. Proiectantul, atunci când adaugă filtrarea EMI, poate alege să îl proiecteze discret sau să aleagă un filtru EMI disponibil.

Filtre EMI și cerințe de sistem

Pentru inginerii care aleg un filtru EMI disponibil, poate exista o anumită confuzie cu privire la modul de alegere a filtrului potrivit pentru sistemul lor. Primul pas este să vă asigurați că filtrul EMI îndeplinește cerințele electrice de bază. Elementele importante de examinat includ:

  • Tensiune nominală, care este tensiunea maximă care poate fi aplicată intrării. Depășirea acestui lucru poate deteriora componentele din interiorul filtrului.
  • Tensiunea de izolare, care este valoarea de izolare măsurată între fiecare linie de intrare și pământ/șasiu (nu există izolare între intrare și ieșire).
  • Curent nominal, care este curentul maxim care poate trece prin filtrul EMI în intervalul specificat de temperatură de funcționare.
  • Temperatura de Operare, care este temperatura maximă pe care dispozitivul poate fi acționat.
  • Curent de scurgere, care este curentul care curge prin sol/șasiu. Filtrul EMI va contribui la curentul de scurgere pe lângă cel al sursei de alimentare în sine. Din motive de siguranță, curentul de scurgere are limite reglementate, iar contribuția scurgerilor de către filtru ar trebui luată în considerare de către proiectant.

Exemplu circuit intern de filtrare

Caracteristici de filtrare EMI

După găsirea unui filtru EMI care îndeplinește condițiile de funcționare ale sistemului, trebuie revizuite caracteristicile reale de filtrare. În foaia tehnică vor exista de obicei grafice de pierdere prin inserție, unul pentru modul comun și unul pentru modul diferențial. Aceste grafice arată utilizatorului cât de mult va fi atenuat semnalul între intrare și ieșire în raport cu frecvența.

Pierderea de inserție este raportul dintre semnalul de la intrarea filtrului și semnalul de la ieșire, de obicei măsurat în decibeli, datorită gamei mari de frecvențe acoperite, așa cum se arată în următoarea ecuație.

Pierdere de inserție (dB) = 20 Log 10 (semnal nefiltrat/semnal filtrat)

Acest lucru poate fi rescris, folosind regula cotientului, pentru a rezolva semnalul filtrat.

Semnal filtrat (dB) = Semnal nefiltrat (dB) - Pierdere prin inserție (dB)

Grafice de pierdere prin inserție

În unele cazuri, un grafic nu este dat și în schimb o valoare de atenuare a zgomotului este listată în foaia de date. Acest lucru este de obicei asociat cu o gamă de frecvențe peste care este aplicabilă atenuarea. De exemplu, o foaie de date poate specifica 30 dB de atenuare între 150 kHz și 1 GHz.

Ultimul element pe care trebuie să-l observați atunci când revedeți datele filtrului este că sursa și impedanțele de încărcare vor schimba comportamentul filtrului. Pierderea de inserție dată în foaia tehnică a fost obținută utilizând o impedanță (de obicei 50 Ω) care poate fi destul de diferită de cea a sistemului la care este aplicat. Deci, deși un filtru poate arăta bine pe hârtie, este important să testați filtrul din circuit pentru a verifica performanța acestuia în condițiile reale de sursă și de încărcare ale sistemului final.

Selecție filtru EMI

Atunci când alegeți un filtru EMI, este ideal dacă sursa de alimentare care urmează să fie filtrată a trecut prin testarea EMC preliminară pentru a obține o linie de bază a emisiilor efectuate. Rezultatele testului îi vor spune unui proiectant la ce frecvențe a eșuat unitatea și cu cât. Aceste informații pot fi comparate cu graficele de pierdere prin inserție ale filtrului EMI pentru a determina dacă oferă suficientă atenuare la frecvențele eșuate pentru a trece testul EMC. De exemplu, dacă testul de emisii în modul comun a eșuat cu 64 dB la 500 kHz, referindu-se la graficul de pierdere prin inserție în modul comun al filtrului EMI de mai jos arată la 500 kHz un nivel de atenuare de aproximativ -75 dB. Dacă s-ar aplica acest filtru EMI, ne-am putea aștepta să trecem testul EMC cu 11 dB de marjă la 500 kHz.

Exemplu de grafic EMI înainte și după aplicarea unui filtru (sus) și graficul de pierdere prin inserție a filtrului EMI (jos)

Datorită atenuării inconsistente a spectrului de frecvențe, este important să vă asigurați că toate frecvențele nereușite sau marginale vor fi atenuate corespunzător. Dacă foaia de date a furnizat o singură valoare de atenuare în locul unui grafic de pierdere prin inserție, este crucial să vă asigurați că această valoare unică a fost mai mare decât cea mai mare marjă de eșec.

Concluzie

Sursele de comutare sunt o sursă majoră de emisii electromagnetice (EMI), ceea ce face ca reglarea lor să fie vitală pentru a preveni interferențele cu alte electronice. Majoritatea, dacă nu toate, sursele de alimentare cu comutare vor avea un filtru la intrare, dar datorită gamei largi de aplicații, acest lucru nu poate fi întotdeauna suficient pentru a trece testele EMC finale odată aplicate unui sistem complet. Filtrele EMI de la raft sunt o modalitate rapidă și ușoară de a reduce emisiile electromagnetice dacă filtrul intern nu este suficient și poate economisi timp dacă trebuie să proiectați o soluție discretă de la bază. CUI oferă mai multe filtre de putere ac-dc EMI și filtre de putere dc-dc EMI în montaj pe placă, montaj pe șasiu și configurații pe șină DIN optimizate ușor pentru nevoile de compatibilitate electromagnetică ale unui sistem.