Як вибрати фільтр живлення EMI

6 серпня 2019 р. Рон Стулл - 7 хвилин читання

Блоки живлення в режимі перемикання за своєю суттю є шумними щодо електромагнітних випромінювань (ЕМІ). Швидке перемикання вузлів високої напруги та струму призводить до відносно великих значень di/dt та dv/dt в ланцюзі, що спричиняє випромінювання шуму в широкому діапазоні частот. Регулюючі органи в більшості країн встановлюють обмеження щодо кількості електромагнітних шумів, які можуть видаватися. В результаті багато часу та зусиль відводиться на пом'якшення джерел шуму та фільтрацію залишків шуму. Однак, хоча ці джерела живлення будуть відповідати нормативним вимогам під час тестування окремо, їх додавання до системи може призвести до ненавмисних електромагнітних випромінювань, що вимагатиме додаткової фільтрації для отримання дозволу регулятора. Готові EMI-фільтри, якщо вони правильно підібрані, є простим способом покращити викиди та відповідати нормам.

ЕМІ та фон електромагнітної сумісності

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

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

Шум, що генерується джерелом, має два шляхи, якими він потім може рухатися. Перший - це випромінюваний шлях, який є електромагнітною енергією, що поширюється в космос і зв’язується з іншими системами. Другий - провідний шлях, по якому сигнал проходить через провідники системи (наприклад, сліди та площини друкованої плати, відводи компонентів, вхідна проводка тощо). Це може знову потрапити в електромережі та вплинути на інше обладнання, яке живиться від цієї лінії.

Рецептори - це ті пристрої, які вловлюють шум, що видається джерелом, і на які впливають перешкоди. Рецептори можуть включати майже кожну аналогову та цифрову схему.

При тестуванні на ЕМС регулятор буде перевіряти проводиться та випромінюваний електромагнітний випромінювання окремо. Кожен має свої межі та діапазон частот, а також власний метод придушення. Випромінювані випромінювання охоплюють більш високий діапазон частот (як правило, від 30 МГц до 1000 МГц), і, оскільки шум рухається в космосі, він обмежений у способі управління. Окрім використання належної схеми компонування та проектування схеми для зменшення шуму у джерелі, екранування може використовуватися для стримування випромінюваного шуму. З іншого боку, провідні випромінювання охоплюють нижчий діапазон частот (як правило, від 0,15 МГц до 30 МГц), і, оскільки вони проходять через провідники, їх можна контролювати за допомогою електричних фільтруючих компонентів. Дизайнер, додаючи фільтрування EMI, може вибрати його розсудливо або обрати готовий EMI-фільтр.

EMI-фільтри та системні вимоги

Для інженерів, які обирають готовий фільтр EMI, може виникнути певна плутанина щодо того, як правильно вибрати фільтр для своєї системи. Першим кроком є переконання, що фільтр EMI відповідає основним електричним вимогам. Серед важливих пунктів для огляду:

Номінальна напруга, що є максимальною напругою, яку можна подати на вхід. Перевищення цього може пошкодити компоненти всередині фільтра.
Напруга ізоляції, що є коефіцієнтом ізоляції, виміряним між кожною вхідною лінією та землею/землею шасі (немає ізоляції між входом і виходом).
Номінальний струм, що є максимальним струмом, який може проходити через фільтр ЕМІ у зазначеному діапазоні робочих температур.
Робоча температура, що є максимальною температурою, якою може працювати пристрій.
Струм витоку, що є струмом, що протікає через землю/землю шасі. Фільтр ЕМІ додаватиме струм витоку на додаток до самого джерела живлення. З міркувань безпеки струм витоку має регламентовані межі, і внесок витоку фільтром повинен враховуватися розробником.

Приклад схеми внутрішнього фільтра

Характеристики фільтрації EMI

Після знаходження EMI-фільтра, який відповідає умовам роботи системи, слід переглянути фактичні характеристики фільтрації. У таблиці даних, як правило, містяться графіки втрат при вставці, один для загального режиму та інший для диференціального режиму. Ці графіки показують користувачеві, наскільки сигнал буде ослаблений між входом і виходом щодо частоти.

Втрата вставки - це відношення сигналу на вході фільтра до сигналу на виході, яке зазвичай вимірюється в децибелах, через великий охоплений діапазон частот, як показано в наступному рівнянні.

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

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

Відфільтрований сигнал (дБ) = Нефільтрований сигнал (дБ) - Втрата вставки (дБ)

Графіки втрати вставки

У деяких випадках графік не наводиться, а натомість значення шумозаглушення відображається у таблиці. Зазвичай це поєднується з діапазоном частот, в якому застосовується ослаблення. Наприклад, таблиця може задавати 30 дБ затухання від 150 кГц до 1 ГГц.

Останній пункт, на який слід звернути увагу при перегляді даних фільтра, полягає в тому, що імпеданси джерела та навантаження змінять поведінку фільтра. Втрати на введення, наведені в таблиці даних, були отримані з використанням імпедансу (зазвичай 50 Ом), який може значно відрізнятися від того, який має система, до якої він застосовується. Отже, хоча фільтр може добре виглядати на папері, важливо протестувати фільтр в ланцюзі, щоб перевірити його ефективність за фактичних умов джерела та навантаження кінцевої системи.

Вибір фільтра EMI

Вибираючи фільтр ЕМІ, ідеально, якщо джерело живлення, що фільтрується, пройшло попереднє випробовування ЕМС, щоб отримати базову лінію проведених викидів. Результати випробувань покажуть конструктору, на яких частотах вийшов з ладу пристрій і на скільки. Цю інформацію можна порівняти з графіками втрат вставки фільтра ЕМІ, щоб визначити, чи забезпечує він достатнє затухання на невдалих частотах для проходження тесту ЕМС. Наприклад, якщо тест загальнорежимного випромінювання провалився на 64 дБ при 500 кГц, посилання на графік втрат введення загального режиму фільтра EMI нижче показує на 500 кГц рівень загасання приблизно -75 дБ. Якби застосовувався цей EMI-фільтр, можна було б очікувати, що він пройде тест EMC із запасом 11 дБ на 500 кГц.

Приклад графіка EMI до і після застосування фільтра (зверху) та графіку втрат вставки фільтра EMI (знизу)

Через непослідовне затухання в частотному спектрі важливо переконатися, що всі відмовлені або граничні частоти будуть належним чином ослаблені. Якщо в таблиці даних було вказано одне значення загасання замість графіка втрати вставки, дуже важливо переконатися, що це єдине значення було більшим, ніж найбільший похибок.

Висновок

Імпульсні джерела живлення є основним джерелом електромагнітних випромінювань (ЕМІ), що робить їх регулювання життєво важливим для запобігання втручанню в роботу іншої електроніки. Більшість, якщо не всі, імпульсних джерел живлення матимуть на вході фільтр, але через широкий спектр застосувань цього може бути не завжди достатньо для проходження остаточного тестування ЕМС після застосування до повної системи. Готові EMI-фільтри - це швидкий і простий спосіб зменшити електромагнітні випромінювання, якщо внутрішнього фільтра недостатньо, і це може заощадити час, коли потрібно розробити дискретне рішення з нуля. CUI пропонує кілька фільтрів живлення змінного струму змінного струму та фільтри живлення постійного струму постійного струму в конфігураціях на платі, шасі та DIN-рейці, легко оптимізованих для потреб електромагнітної сумісності системи.