چگونه یک فیلتر برق EMI را انتخاب کنیم؟

حالت سوئیچمنابع تغذیهذاتاً با توجه به انتشارات الکترومغناطیسی (EMI) نویز دارند.سوئیچینگ سریع گره های ولتاژ و جریان بالا منجر به مقادیر نسبتاً بزرگ di/dt و dv/dt در مدار می شود که باعث می شود نویز در محدوده فرکانس وسیعی منتشر شود.نهادهای نظارتی در اکثر کشورها محدودیت هایی را برای میزان نویز الکترومغناطیسی منتشر شده تعیین می کنند.در نتیجه زمان و تلاش زیادی برای کاهش منابع نویز و فیلتر کردن هر گونه نویز باقی مانده صرف می شود.با این حال، در حالی که این منابع تغذیه در صورت آزمایش به تنهایی با مقررات مطابقت دارند، افزودن آنها به یک سیستم می‌تواند منجر به انتشارات الکترومغناطیسی ناخواسته شود که برای دریافت تأییدیه نظارتی نیاز به فیلتر اضافی دارد.فیلترهای EMI خارج از قفسه، اگر به درستی انتخاب شوند، راهی آسان برای بهبود آلایندگی و مطابقت با مقررات هستند.

EMI و زمینه سازگاری الکترومغناطیسی

هنگام برخورد با سازگاری الکترومغناطیسی (EMC)، مشکل معمولاً با سه جزء مدل‌سازی می‌شود: منابع، مسیرها و گیرنده‌ها.

منابع آن دسته از دستگاه ها یا گره های مدار هستند که تداخل ایجاد می کنند.علاوه بر منبع تغذیه، این ممکن است شامل دستگاه های دیگری مانند ریزپردازنده ها، درایورهای ویدئویی، ژنراتورهای RF و غیره باشد.

نویز تولید شده توسط یک منبع دارای دو مسیر است که می تواند سپس طی کند.اولین مسیر یک مسیر تابشی است که انرژی الکترومغناطیسی است که به فضا منتشر می شود و به سیستم های دیگر جفت می شود.مسیر دوم یک مسیر هدایت شده است که در آن سیگنال از طریق هادی های سیستم (مثلاً آثار و صفحات PCB، سیم های ورودی، سیم کشی ورودی و غیره) عبور می کند.این می تواند به خطوط برق اصلی بازگردد و سایر تجهیزاتی که از آن خط تغذیه می شوند را تحت تأثیر قرار دهد.

گیرنده ها دستگاه هایی هستند که نویز ساطع شده از منبع را دریافت می کنند و تحت تأثیر تداخل قرار می گیرند.گیرنده ها می توانند تقریباً هر مدار آنالوگ و دیجیتال را شامل شوند.

هنگام آزمایش EMC، تنظیم کننده انتشارات الکترومغناطیسی انجام شده و تشعشعی را به طور جداگانه آزمایش می کند.هر کدام محدودیت ها و محدوده فرکانس خود را به همراه روش سرکوب خاص خود دارند.انتشارات تشعشعی محدوده فرکانس بالاتری را پوشش می دهد (معمولاً 30 مگاهرتز تا 1000 مگاهرتز) و همانطور که نویز در فضا حرکت می کند، نحوه کنترل آن محدود می شود.علاوه بر استفاده از طرح‌بندی مناسب و تکنیک‌های طراحی مدار برای کاهش نویز در منبع، می‌توان از محافظ برای مهار نویز تابشی استفاده کرد.از سوی دیگر، انتشارات هدایت شده محدوده فرکانس پایین تری را پوشش می دهد (معمولاً 0.15 مگاهرتز تا 30 مگاهرتز)، و به دلیل اینکه از طریق هادی ها عبور می کنند، می توان با استفاده از اجزای فیلتر الکتریکی کنترل کرد.طراح، هنگام افزودن فیلتر EMI ممکن است تصمیم بگیرد که آن را به صورت مجزا طراحی کند یا با فیلتر EMI خارج از قفسه استفاده کند.

فیلترهای EMI و سیستم مورد نیاز

برای مهندسانی که فیلتر EMI را انتخاب می کنند، ممکن است در مورد نحوه انتخاب فیلتر مناسب برای سیستم خود سردرگمی وجود داشته باشد.اولین قدم این است که مطمئن شوید که فیلتر EMI الزامات اولیه الکتریکی را برآورده می کند.موارد مهم برای بررسی عبارتند از:

ولتاژ نامی، که حداکثر ولتاژی است که می توان به ورودی اعمال کرد.بیش از حد این می تواند به اجزای داخل فیلتر آسیب برساند.

ولتاژ جداسازی، که رتبه ایزوله ای است که بین هر خط ورودی و زمین زمین/شاسی اندازه گیری می شود (هیچ انزوا بین ورودی و خروجی وجود ندارد).

جریان نامی، که حداکثر جریانی است که می تواند از فیلتر EMI در محدوده دمای عملیاتی مشخص شده عبور کند.

دمای عملیاتی، که حداکثر دمایی است که دستگاه ممکن است کار کند.

جریان نشتی، جریانی است که از زمین/زمین شاسی می گذرد.فیلتر EMI علاوه بر جریان نشتی خود منبع تغذیه نیز به آن کمک می کند.به دلیل نگرانی های ایمنی، جریان نشتی دارای محدودیت های تنظیم شده است و سهم نشتی فیلتر باید توسط طراح در نظر گرفته شود.

ویژگی های فیلتر EMI

پس از یافتن فیلتر EMI که شرایط عملیاتی سیستم را برآورده می کند، ویژگی های فیلتر واقعی باید بررسی شوند.در دیتاشیت معمولاً نمودارهای از دست دادن درج وجود دارد، یکی برای حالت مشترک و دیگری برای حالت دیفرانسیل.این نمودارها به کاربر نشان می‌دهند که سیگنال بین ورودی و خروجی با توجه به فرکانس چقدر ضعیف می‌شود.

افت درج نسبت سیگنال ورودی فیلتر به سیگنال خروجی است که معمولاً بر حسب دسی بل اندازه گیری می شود، به دلیل محدوده فرکانس زیاد تحت پوشش، همانطور که در معادله زیر نشان داده شده است.

افت درج (dB) = 20 Log 10 (سیگنال فیلتر نشده / سیگنال فیلتر شده)

این را می توان با استفاده از قانون ضریب برای حل سیگنال فیلتر شده دوباره نوشت.

سیگنال فیلتر شده (dB) = سیگنال فیلتر نشده (dB) - افت درج (dB)

در برخی موارد، نموداری داده نمی شود و به جای آن یک مقدار کاهش نویز در دیتاشیت ذکر می شود.این معمولاً با یک محدوده فرکانس جفت می شود که تضعیف روی آن قابل اعمال است.برای مثال، یک دیتاشیت ممکن است 30 دسی بل تضعیف بین 150 کیلوهرتز و 1 گیگاهرتز را مشخص کند.

آخرین موردی که هنگام بررسی داده های فیلتر باید به آن توجه کرد این است که امپدانس منبع و بار رفتار فیلتر را تغییر می دهد.تلفات درج داده شده در دیتاشیت با استفاده از یک امپدانس (معمولا 50 Ω) به دست آمد که ممکن است کاملاً متفاوت از سیستمی باشد که روی آن اعمال می شود.بنابراین، در حالی که ممکن است یک فیلتر روی کاغذ خوب به نظر برسد، مهم است که فیلتر را در مدار آزمایش کنید تا عملکرد آن را تحت شرایط منبع واقعی و بار سیستم نهایی بررسی کنید.

انتخاب فیلتر EMI

هنگام انتخاب یک فیلتر EMI، ایده آل است که منبع تغذیه ای که باید فیلتر شود، آزمایش اولیه EMC را انجام داده باشد تا یک خط پایه از انتشارات انجام شده بدست آید.نتایج آزمایش به طراح نشان می دهد که واحد در چه فرکانس هایی از کار افتاده و تا چه حد.این اطلاعات را می توان با نمودارهای تلفات درج فیلتر EMI مقایسه کرد تا مشخص شود که آیا تضعیف کافی در فرکانس های ناموفق برای گذراندن آزمون EMC ارائه می دهد یا خیر.به عنوان مثال، اگر آزمایش انتشار حالت مشترک با 64 دسی بل در 500 کیلوهرتز با شکست مواجه شد، ارجاع به نمودار تلفات درج حالت مشترک فیلتر EMI در زیر در 500 کیلوهرتز یک سطح تضعیف تقریباً -75 دسی بل را نشان می دهد.اگر این فیلتر EMI اعمال می شد، می توان انتظار داشت که تست EMC را با 11 دسی بل حاشیه در 500 کیلوهرتز پشت سر بگذارد.

به دلیل تضعیف ناسازگار در سراسر طیف فرکانس، مهم است که اطمینان حاصل شود که تمام فرکانس های شکست خورده یا حاشیه ای به درستی تضعیف می شوند.اگر دیتاشیت یک مقدار تضعیف منفرد را به جای یک نمودار تلفات درج ارائه کرد، بسیار مهم است که مطمئن شوید که این مقدار منفرد از بزرگترین حاشیه شکست بیشتر است.

نتیجه

سوئیچینگمنابع تغذیهمنبع اصلی انتشارات الکترومغناطیسی (EMI) هستند که تنظیم آنها را برای جلوگیری از تداخل با سایر وسایل الکترونیکی حیاتی می کند.اکثر منابع تغذیه سوئیچینگ، اگر نه همه، دارای یک فیلتر در ورودی خواهند بود، اما به دلیل گستره وسیعی از کاربردها، این ممکن است همیشه برای گذراندن تست نهایی EMC پس از اعمال بر روی یک سیستم کامل کافی نباشد.فیلترهای EMI خارج از قفسه یک راه سریع و آسان برای کاهش انتشارات الکترومغناطیسی هستند، در صورتی که فیلتر داخلی کافی نباشد و می‌تواند باعث صرفه‌جویی در زمان برای طراحی یک راه‌حل مجزا از ابتدا شود.CUI چندین فیلتر برق ac-dc EMI و فیلترهای برق dc-dc EMI را در پیکربندی‌های پایه برد، پایه شاسی و ریل DIN ارائه می‌کند که به راحتی برای نیازهای سازگاری الکترومغناطیسی سیستم بهینه شده‌اند.