Электромагнитные помехи

Импульсный источник питания — естественный генератор электромагнитных помех (ЭМП) с частотой основной гармоники равной частоте переключения силовых ключей и высшими гармониками. Величина ЭМП нормируется стандартами, поэтому ее необходимо ограничивать. Величина помех определяется соотношениями (1) и (2):

E = M di/dt,   (1)

I = C dv/dt,    (2)

где М и С, соответственно, индуктивность и емкость между источником и приемником ЭМП.
На практике величины М и С никогда не известны, поэтому установить значение ЭМП можно лишь посредством измерений. Различают кондуктивные ЭМП и радиопомехи. Первые обычно измеряют на проводах питающей сети в частотном диапазоне от 150 кГц (в США и Канаде от 450 кГц, в некоторых видах телекоммуникационного оборудования — от 10 кГц) до 30 МГц, а вторые — в частотном диапазоне от 30 МГц до нескольких сотен мегагерц, а иногда и свыше 1 ГГц.

Рис. 1. Измерение кондуктивных ЭМП

Кондуктивные помехи определяют с помощью 50-Ом шунта (см. рис. 1). Для отделения высокочастотных помех во входной цепи первичного напряжения используется LC-фильтр. Такое включение называется линией со стабилизированным импедансом (Line Impedance Stabilization Network, LISN). Подобный фильтр применяется практически во всех источниках питания. ЭМП ограничиваются государственными и международными стандартами. В России стандарты соответствуют спецификации Международной электротехниче­ской комиссии — International Electrotech­nical Commission (IEC)  (ГОСТ Р 51317 Совместимость технических средств электромагнитная).

Кондуктивные ЭМП разделяются на дифференциальные и синфазные [1]. Механизм возникновения дифференциальных помех показан на рисунке 2. Конечно, входные и выходные фильтры должны ограничивать величину ЭМП, но, учитывая неидеальность дросселей и конденсаторов фильтров, полного подавления помех не происходит. Рисунок 3 иллюстрирует возникновение синфазных кондуктивных помех. Дифференциальные ЭМП измеряются между шиной питания и шиной возвратного тока, которая часто называется общей шиной (проводом). Синфазные ЭМП измеряются между шиной питания и корпусом прибора и между общей шиной и корпусом прибора.

Рис. 2. Механизм возникновения дифференциальных кондуктивных ЭМП
Рис. 3. Механизм возникновения дифференциальных кондуктивных ЭМП

Уменьшение кондуктивных помех в первую очередь производится с помощью фильтров. Сегодня многие компании производят конструктивно законченные EMI-фильтры, которые очень удобны для использования в цепях переменного тока на высокой стороне. Эти фильтры отлично служат для ослабления радиопомех, но не всегда достаточны для требуемого уменьшения кондуктивных ЭМП. Кроме того, фильтры для ослабления кондуктивных ЭМП необходимы и в шинах постоянного тока во вторичных цепях, в том числе в распределенных системах питания. В этом случае обычно приходится проектировать собственные фильтры. На рисунке 4 показаны различные конфигурации LC-фильтров, а на рисунке 5 — их амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) [1].

Рис. 4. Конфигурации фильтров для подавления кондуктивных ЭМП: а – идеальный фильтр; б – реальный фильтр; в – фильтр с параллельным включением конденсаторов для уменьшения ESR; г – фильтр с однослойной обмоткой дросселя и уменьшенной паразитной емкостью; д – фильтр с добавлением дросселя во втором каскаде

На рисунке 4а показан идеальный фильтр, а на рисунке 4б — этот же фильтр с учетом паразитных параметров компонентов. Из сравнения их АЧХ (см. рис. 5) следует, что паразитные параметры значительно уменьшают ослабления фильтра. Нивелировать действие эквивалентной последовательной индуктивности конденсаторов возможно, прибегнув к их параллельному включению (см. рис. 4в); максимальное ослабление сигнала в этом случае существенно возрастает.

Рис. 5. Амплитудно-частотные характеристики фильтров

Рис. 6. Демпфирующая цепь для уменьшения влияния резонанса

Следующий шаг — уменьшение паразитной емкости дросселя (см. рис. 4д), возможен за счет выбора дросселя с обмоткой, намотанной в один слой. В этом случае для сохранения величины индуктивности, возможно, придется использовать дроссель больших габаритов. Наибольший эффект даст схема на рисунке 4е, в которой вкупе с предложенными выше мерами использован дополнительный дроссель, повышающий порядок фильтра. В этом случае удается достигнуть максимального ослабления кондуктивных ЭМП.
Применение фильтров необходимо, но порождает некоторые проблемы из-за наличия резонансной частоты. При резонансе напряжение на конденсаторе существенно возрастет и может привести к повреждению преобразователя. Для того чтобы ослабить влияние резонанса, необходимо ввести демпфирующую
R_D-C_D-цепочку (см. рис. 6). Точный расчет демпфирующей цепочки крайне затруднителен — необходимо решение линейных дифференциальных уравнений высокого порядка, следовательно, невозможно получить решение в общем виде, тем более при несинусоидальном напряжении с переменным коэффициентом заполнения. Поэтому расчет демпфирующих компонентов ведется приближенными методами с использованием эмпирических правил. Более подробно этот вопрос изложен в [2].

Источником синфазных кондуктивных помех может служить и конструкция изделия. На рисунке 7 показан типичный пример возникновения помехи. Транзистор обычно устанавливается на радиатор через изолирующую каптоновую (лента на основе полиамидной плёнки) прокладку. Для улучшения теплового контакта толщину прокладки стараются уменьшить, при этом создается паразитная емкость C_HS между транзистором и корпусом.

Рис. 7. Установка транзистора на охладитель

На рисунке 8 показан паразитный контур тока, возникающий через эту емкость и конденсаторы Y1, Y2, величина которых определяется требованиями UL ². Их величина составляет

С = I/(2πFV),

где I — допустимый ток утечки; F — частота питающей сети (обычно 50 или 60 Гц); V — напряжение питающей сети.
Емкости C_HS, Y1, Y2 образуют делитель напряжения. При правильно выбранной толщине изолирующей пленки значение C_HS таково, что напряжение стока ключа ослабится более чем в 1000 раз. Типовое значение CHS лежит в пределах
10…100 пФ. Фильтр второго порядка ослабит помеху между линией питания и землей на 40 дБ при угловой частоте в десять раз меньшей, чем рабочая частота переключения ключей. Дополнительное ослабление внесут индуктивности проводов и индуктивность рассеяния трансформатора, но и этого может оказаться недостаточно.
В этом случае следует прибегнуть к другому методу ослабления кондуктивных ЭМП — как видно из (1) и (2), ослабление ЭМП возможно за счет увеличения длительности фронтов импульсов. Например, при CHS = 12 пФ, амплитуде напряжения на коллекторе 300 В (выпрямленное напряжение сети 220 В, 50 Гц) и длительности фронта импульса 100 нс пиковое значение тока, протекающего через паразитный конденсатор, составит примерно 36 мА. При увеличении фронта импульса в 2 раза во столько же раз уменьшится и ток, а, значит, и помехи. Однако следует иметь в виду, что при этом возрастут потери на коммутацию. Как показано в таблице 1 [3], увеличение длительности фронта импульса приведет к сужению спектра помехи.

Другой путь проникновения токов — межобмоточная емкость CWW между первичной и вторичной обмотками трансформатора. Эта паразитная связь формирует шумовой ток примерно по той же цепи, что и емкость C_HS (см. рис. 8).

Рис. 8. Контур тока через паразитную емкость CHS

Именно по этой причине, в том числе, требуется очень тщательно отнестись к проектированию трансформатора. Паразитная емкость — функция свойств изолирующей межобмоточной пленки, ее диэлектрических свойств, числа слоев и расположения между обмотками. Уменьшить величину межобмоточной емкости CWW можно с помощью экранирующей обмотки, расположенной между первичной и вторичной обмотками. Экранирующую обмотку желательно выполнить в виде сплошного слоя медной фольги и соединить с возвратной линией первичного тока.
Рассчитать величину кондуктивных ЭМП невозможно. Например, при восстановлении запирающих свойств диодов выходного выпрямителя в течение нескольких наносекунд происходит сильный выброс ЭМП, которые через паразитную емкость трансформатора проникают на провода питающей сети. Поэтому при разработке защиты от кондуктивных ЭМП следует всегда иметь в виду определенный запас по ослаблению фильтров.

Радиопомехи можно разделить на 2 категории. Первая — радиопомехи, обусловленные электрическими полями. Радиопомехи второй категории генерируются магнитными полями. В первом случае источником помех служит изменение напряжения (dv/dt), во втором — изменение тока (di/dt).
В зависимости от дальности расположения от источника, радиопомехи, порожденные электрическими и магнитными полями, могут рассматриваться либо отдельно — ближнее поле, либо только вместе (электромагнитные помехи) — дальнее поле. Граница между дальними и ближними полями пролегает на расстоянии λ/2π, где λ — длина волны. Например, если измерение производится на частоте 300 МГц, то длина волны составляет 1 м.
Если рассматриваются цепи, работающие с высокими напряжениями и малыми токами, то основная энергия излучения будет сосредоточена в электрическом поле. В цепях с малыми напряжениями и большими токами основная энергия сосредоточится в излучаемых магнитных полях. На рисунке 9 указаны цепи, большая часть энергии излучения которых содержится в электрических полях. Уменьшить излучение таких цепей довольно легко посредством экранирования проводящим материалом — экран необходимо заземлить на корпус прибора, желательно в нескольких точках.
Магнитные поля порождаются в сильноточных цепях с большой скоростью переключения тока (см. рис. 10).

Рис. 9. Цепи, генерирующие электрические поля	Рис. 10. Цепи, генерирующие магнитные поля

Очевидно, что необходимо вести монтаж таким образом, чтобы петли из сильноточных проводов имели как можно меньшую площадь. Экранировать магнитные поля сложнее, нежели электрические. В качестве экрана можно использовать ферромагнитные материалы, но в этом случае конструкция заметно усложняется, т.к. экран становится двухслойным — к экрану из проводящих материалов добавляется ферромагнитный слой. Возрастает и стоимость экрана, поэтому и для экранирования электрических, и для экранирования магнитных полей часто используют проводящие немагнитные материалы.
В этом случае следует иметь в виду, что магнитные поля будут генерировать в проводящем экране довольно сильные вихревые токи, для их уменьшения в экране следует проделать отверстия или щелевые пазы. Следующий шаг, позволяющий уменьшить излучения магнитных полей — конструирование трансформатора с уменьшенными полями рассеяния — довольно подробно описан в [1].