طبقه‌بندی کاربرد و انتخاب سلف‌های مود عمومی

یکی از رایج‌ترین اشکال مؤلفه‌های مغناطیسی، سلف (اندوکتانس) است که دارای مقدار مشخصی اندوکتانس می‌باشد و بنابراین امپدانس آن با افزایش فرکانس افزایش می‌یابد. این خاصیت به تنهایی می‌تواند به عنوان یک فیلتر فرکانس بالا از مرتبه اول در نظر گرفته شود؛ وقتی موضوع فیلتر کردن ما از یک مسیر جریان واحد (حلقه یا مسیر الکتریکی) به دو یا چند مسیر تغییر می‌کند، لازم است حداقل یک سلف در هر مسیر قرار داده شود تا همان اثر فیلتر کردن فرکانس بالا حاصل شود - این موضوع می‌تواند به صورت هوشمندانه و آسان در طراحی‌های عملی از مؤلفه‌های مغناطیسی پیاده‌سازی شود، که همانند چوک حالت مشترک (common mode choke) است. چرا؟ زیرا وقتی چندین مسیر وجود دارد (برای مثال متداول دو مسیر)، شار مغناطیسی تولید شده توسط جریان در یک جهت می‌تواند با مسیر جریان دیگری "به اشتراک" گذاشته شود، به گونه‌ای که معادل به دست آوردن امپدانس اضافی عمل کند، که به آن (مغناطیسی) القای متقابل (کوپلینگ) گفته می‌شود. بدین ترتیب، با پیچیدن دو سیم‌پیچ که به هم کوپل شده‌اند حول یک هسته مغناطیسی، می‌توان فیلتراسیون بهتری نسبت به استفاده از دو سلف جداگانه به دست آورد.

در بالا به معرفی ویژگی‌های عملکردی اساسی سلف‌های حالت مشترک (common mode inductors) که همان فیلتر کردن است، پرداخته شده است. بنابراین، در ابتدا باید بین ترانسفورماتورها و سلف‌های حالت مشترک که نیازمند عملکرد تزویج (coupling) هستند تفاوت قائل شد، زیرا فیلتر کردن به معنای سرکوب (یا جذب) نویز روی خطوط است. از دیدگاه تحریک (excitation)، این نویز از نوع حالت مشترک است، اما ترانسفورماتورها جریان تحریک ولتاژ را که نمایانگر توان است منتقل می‌کنند که این امر مربوط به حالت دیفرانسیل (differential mode) است. بنابراین، شبیه به اتصال خازن‌های ایمنی، سلف‌های حالت مشترک باید به صورت Y (اتصال از طریق مدار زمین یا مدار مرجع زمین) باشند، در حالی که ترانسفورماتورها باید به صورت X (اتصال بین مدارهای ورودی و خروجی) باشند. ثانیاً، ارزیابی و اندازه‌گیری خود اثر فیلتر کردن حالت مشترک نیازمند استفاده از مدارهای کمکی اضافی است. با این حال، در آزمون‌های EMC (سازگاری الکترومغناطیسی) واقعی، اغلب تنها سیگنال گیرنده (LISN - شبکه استabilizه کننده امپدانس خطی) که ناشی از ترکیب حالت دیفرانسیل و حالت مشترک است را تست می‌کنند تا تعیین کنند که آیا استانداردهای مقررات مربوطه (مانند گواهی CE) را رعایت می‌کند یا خیر. بنابراین، نقش سلف حالت مشترک اغلب در کتابچه مشخصات (specification book) پاسخی یافت نمی‌شود، که همین موضوع دلیل این است که مهندسان اغلب در انتخاب مدل‌ها به تخمین تجربی متکی هستند. در نهایت، خوانندگان با دقت ملاحظه می‌کنند که سلف‌های حالت مشترک را با نام سلف می‌شناسند، اما با سلف‌های توان تفاوتی ندارند. آنها جریان اشباع یا ذخیره انرژی را در نظر نمی‌گیرند و نام انگلیسی آنها به choke ختم می‌شود. بنابراین، معنای اصلی آنها همچنان choke است. همانطور که بعداً بحث خواهد شد، دقیقاً به دلیل اثر choke بودن آنها قادر به فیلتر کردن هستند، بنابراین نام «سلف گیره حالت مشترک» (common mode choke coils) منطبق‌تر با اصول کارکرد آنها است.

در بخش زیر، اصول بنیادین ساختاری، رده‌بندی کاربردی و انتخاب مرتبط با سلف‌های مود عمومی را فرا خواهیم گرفت و امیدواریم که این مطالب برای شما به عنوان یک مهندس مفید واقع شود. در همین حال، اگر سوالی دارید یا تمایل دارید درباره مقدمات ارائه شده بحث کنید، لطفاً با ما تماس بگیرید. تیم مهندسی ما از منظر قطعات و کاربردها، بیشترین کمک ممکن را به شما خواهد کرد.

الف) تزویج میدان مغناطیسی

همان‌طور که در شکل ۱ نشان داده شده است، پیچه دارای جریان A میدان مغناطیسی را در فضای اطراف مدار الکتریکی خود (در اینجا پیچه) توزیع می‌کند که با شار مغناطیسی Фa (یا →Ba) نمایش داده می‌شود (رده‌بندی کاربردی و انتخاب چگالی شار مغناطیسی سلف مود عمومی). شدت میدان مغناطیسی به بزرگی جریان، تعداد دورهای پیچه، مساحت مقطع موثر و وجود یا عدم وجود هسته مغناطیسی بستگی دارد. شار مغناطیسی در مرکز پیچه تقریباً می‌تواند به صورت زیر بیان شود:

در میان آنها، اگر در مرکز سیم‌پیچ هسته مغناطیسی وجود داشته باشد، نفوذپذیری مغناطیسی آن هر چه بزرگتر باشد، طول مدار مغناطیسی معادل متناظر هر چه کوتاه‌تر باشد، شار مغناطیسی حتماً بیشتر خواهد بود. این یک ساختار استاندارد القایی و توزیع شار مغناطیسی مکانی متناظر با آن است. قابل توجه است که توزیع شار مغناطیسی آن به تغییرات جریان بستگی ندارد و یک رابطه ایجابی است. ماهیت آن از قانون میدان مغناطیسی گاوسی در معادلات الکترومغناطیس ماکسول ناشی می‌شود.

شکل 1 توزیع میدان مغناطیسی فضایی سیم‌پیچ‌های A و B تحت ولتاژ

هنگامی که سیملول دیگر B در فضا به سیملول A که در وضعیت خاصی (همان‌طور که در شکل ۱ نشان داده شده است) قرار دارد نزدیک می‌شود، شار مغناطیسی توزیع شده از سیملول A به طور ناگزیری از سیملول B عبور خواهد کرد و رابطه‌ای مشترک ایجاد می‌کند. با توجه به قانون آمپر، هنگامی که شار مغناطیسی در حلقه احاطه شده توسط سیملول B تغییر می‌کند، نیروی الکتروموتور القایی یا ولتاژ القایی در حلقه سیملول B تولید خواهد شد. می‌توان پیش‌بینی کرد که اگر سیملول B یک سیملول هادی باز باشد، جریان حلقه‌ای تشکیل نخواهد شد، بلکه تنها ولتاژ القایی در دو سر سیملول B ایجاد خواهد شد. چون در حلقه آن جریانی وجود ندارد، طبیعتاً هیچ میدان مغناطیسی متناظری در فضا ایجاد نخواهد شد؛ با این حال، اگر سیملول B یک حلقه بسته باشد، بدون شک جریان حلقه‌ای تولید خواهد شد، یعنی جریان القایی. در عین حال، از آنجایی که جریان القایی وجود دارد، میدان مغناطیسی معکوسی در فضا ایجاد خواهد کرد. با توجه به رابطه فضایی بین سیملول B و سیملول A، سیملول A به طور ناگزیری از شار مغناطیسی توزیع شده توسط سیملول B بهره خواهد برد. پس در نهایت نتیجه چنین القای متقابلی چیست؟ واضح است که اگر سیملول A فقط دارای جریان ثابت باشد، سیملول B هیچ تغییری در شار مغناطیسی که در موقعیت ثابت به اشتراک گذاشته است احساس نخواهد کرد. بنابراین تنها زمانی که جریان متغیری (مانند جریان متناوب) در سیملول A تولید شود، القای متقابل رخ خواهد داد. در یک موقعیت یک به یک (فقط بررسی وضعیتی که یک سیملول با سیملول دیگر جفت شده است)، جریان القایی همواره اثری متضاد با تغییر شار مغناطیسی دارد. بنابراین، تأثیر مربوطه سیملول B روی سیملول A دقیقاً تغییر شار مغناطیسی مشترک از سیملول A به سیملول B را خنثی خواهد کرد. شار مغناطیسی مشترک بین دو سیملول در مورد تغییرات، یکدیگر را خنثی خواهند کرد.

جفت‌شدگی میدان مغناطیسی در موقعیت ثابت (برخلاف موتورهای الکتریکی یا ژنراتورها) تعامل بین سیم‌پیچ‌های مختلف را به دلیل شار مغناطیسی مشترک تحت شرایط جریان متناوب توصیف می‌کند. به عنوان یک ترانسفورماتور برای تبدیل توان یا جداسازی سیگنال، یا به عنوان یک سلف مد مشترک برای جبران جریان، این یک حالت از جفت‌شدگی میدان مغناطیسی است. هنگام طراحی یا تولید یک سلف مد مشترک، همواره لازم است سوالی را در نظر گرفت: دو سیم‌پیچ باید چه پارامترهایی را برآورده کنند تا الزامات مورد نیاز فراهم شود؟ یا علاوه بر جریان و القای یک‌طرفه، چه نیازهای ضروری دیگری وجود دارد که رابطه بین دو سیم‌پیچ را در نظر گیرد؟ یکی از الزامات متداول پارامتری این است که خطای اندازه‌گیری در دو طرف باید به اندازه کافی کوچک باشد، یا گاهی ضریب جفت‌شدگی باید به سطح بالایی (مانند 98٪) برسد. این امر به این دلیل است که به عنوان یک سلف مد مشترک از نوع جبران جریان، اگر القای نشتی بیش از حد زیاد باشد، تأثیر قابل توجهی روی سیگنال مد تفاوتی خواهد داشت، یا باعث ایجاد امپدانس مد تفاوتی غیرضروری (که منجر به تضعیف سیگنال یا کاهش پهنای باند مد تفاوتی می‌شود)، یا باعث اشباع هسته مغناطیسی و تأثیر روی سرکوب نوفه مد مشترک خواهد شد. بنابراین، کنترل ضریب جفت‌شدگی میدان مغناطیسی ضروری است.

هنگامی که اتصال میدان مغناطیسی بین دو سیم‌پیچ از طریق یک محیط اتصال (هسته مغناطیسی) با نفوذپذیری مغناطیسی یکنواخت رخ دهد، شار مغناطیسی مشخصی که توسط سیم‌پیچ A به سیم‌پیچ B انتقال می‌یابد عبارت است از ، در مقابل، برابر است با . سپس، به دلیل اینکه شار مغناطیسی مشترک (اتصال میدان مغناطیسی) مربوط به اندوکتانس متقابل است، می‌توان آن را به عنوان طبقه‌بندی کاربردی و انتخاب اندوکتانس مد مشترک و طبقه‌بندی کاربردی و انتخاب اندوکتانس مد مشترک تعریف کرد و  : 

شار مغناطیسی کلی که در انتهای سیم‌پیچ القایی وجود دارد، همچنین به عنوان جفت‌شدگی (جفت‌شدگی، ) شناخته می‌شود، که می‌تواند از طریق رابطه زیر نمایش داده شود بر اساس چگالی شار مغناطیسی و بردار مغناطیسی موقعیت:

بردار مغناطیسی موقعیت‌یافته توسط سیم‌پیچ A در هر نقطه روی سیم‌پیچ B (در حالت میانگین انتخاب و طبقه‌بندی کاربردی با فاصله مرکز به مرکز از اندوکتانس مد مشترک) عبارت است از:

ارتباط شار مغناطیسی بین سیم‌پیچ A و سیم‌پیچ B به صورت زیر بدست می‌آید:

بنابراین، اندوکتانس متقابل که توسط سیم‌پیچ B روی سیم‌پیچ A اعمال می‌شود، به صورت زیر است:

همین اصل را می‌توان برای به دست آوردن عبارت برای:

همان‌طور که در بالا ذکر شد، اتصال میدان مغناطیسی بین دو سیم‌پیچ از طریق یک محیط اتصال (هسته مغناطیسی) با نفوذپذیری مغناطیسی یکنواخت اتفاق می‌افتد. بنابراین , به وضوح:

توضیحات فوق بیان می‌دارند که دو سیم‌پیچ که بر روی یک هسته مغناطیسی مشترک پیچیده شده‌اند، دارای یک اندوکتانس متقابل یکسانی هستند که با M نشان داده می‌شود. فرآیند دقیق اثبات آن را می‌توان در فرمول نومن مشاهده کرد. حال فرض کنید که کل شار مغناطیسی سیم‌پیچ A قسمت مشترک نسبة به , یعنی . به همین ترتیب، ضریب اشتراک سیملول B عبارت است از , خواهیم داشت:

بنابراین، رابطه بین اندوکتانس متقابل دو سیملول و اندوکتانس‌های مستقل آنها را می‌توان از رابطه معادله فوق به دست آورد:

عبارت فوق منشأ ضریب اتصال میدان مغناطیسی k است: مقدار واقعی اندوکتانس مد مشترک را می‌توان با اندازه‌گیری مقادیر اندوکتانس دو سیم‌پیچ جداگانه (سیملول دیگر در حالت باز باقی می‌ماند)، همراه با اندوکتانس نشتی (سیملول دیگر در حالت بسته نگه داشته می‌شود، ) و مقادیر مربوط به اندوکتانس متقابل و ضریب اتصال k تعیین کرد. به طور خاص، برای یک سلف مد مشترک بسیار متقارن که روی یک هسته مغناطیسی حلقوی با نفوذپذیری بالا پیچیده شده است (برای مثال یک حلقه فریت MnZn)، مقادیر اندوکتانس دو سیم‌پیچ بسیار به هم نزدیک خواهند بود و مقدار اندوکتانس نشتی تقریباً برابر خواهد بود با . مشخص است که هرچه ضریب اتصال بالاتر باشد، اندوکتانس نشتی پایین‌تر خواهد بود.

۲. کاربرد سلف‌های مود عمومی

همان‌گونه که در ابتدای این مقاله ذکر شد، یک سلف مود عمومی چیزی بیش از یک سلف نیست که به طور همزمان در دو مدار جریان متصل شده باشد. عملکرد آن این است که نویز مود عمومی که ممکن است در هر دو مدار جریان وجود داشته باشد را سرکوب یا تضعیف کند. با این حال، این دو مدار جریان موازی تنها محدود به حالتی نیستند که یک مدار تفاضلی را تشکیل دهند، مانند خطوط L و N در یک جفت سیم تغذیه، یا خطوط D+ و D- در پورت خط داده. به دلیل ایجاد نویز مود عمومی، ممکن است نیاز به سرکوب نویز مود عمومی در خطوط انتقال که زمین مشترکی دارند، احساس شود.

برای تعیین کاربرد سلف اتصال مشترک، ابتدا لازم است نحوه ایجاد نویز حالت مشترک را درک کنیم: همان‌طور که در شکل 2 نشان داده شده (طراحی مرجع برای منبع تغذیه سوئیچینگ 60 واتی Infineon: DEMO_5QSAG_60W1)، ترمینال ورودی، ورودی برق اصلی با ولتاژ 85~300VAC است و سیم‌های L و N روی پورت برق، زمین مشترکی را با زمین مرجع تشکیل می‌دهند. در واقع، یک سیم زمین سبز نیز به این زمین مرجع متصل است و به زمین فیزیکی وصل می‌شود. حال خطوط L و N مدار قدرت را تشکیل داده و در دو سر سمت اولیه این ترانسفورماتور Flyback قرار می‌گیرند. Q11 به عنوان ترانزیستور اصلی قدرت، از نوع ترانزیستور MOS 800 ولتی گره فوق‌العاده IPA80R600P7 است که حداکثر مقاومت Rds (on) آن 600 میلی‌اهم است. برای محدود کردن گرمای تلف شده، معمولاً یک محیط خنک‌کننده (پره‌های آلومینیومی) به پوسته آن متصل می‌شود که ظرفیت خازنی اضافی بالاولتاژی را به زمین افزایش داده، اتصال خازنی ایجاد کرده و ولتاژ ترمینال ورودی با ولتاژ بالا و فرکانس بالا را به یک پتانسیل با خواص نویز متصل می‌کند. خطوط L و N در پورت ورودی نیز این پتانسیل را از طریق زمین مرجع دریافت می‌کنند و بنابراین یک منبع نویز حالت مشترک ایجاد می‌شود. قابل ذکر است که اتصال خازنی به عنوان منبع اصلی نویز حالت مشترک که آزمون EMC در مواجهه با آن ضروری است، به طور گسترده‌ای در انواع منابع تغذیه با فرم اصلی AC-DC و ساختارهای توپولوژی مختلف وجود دارد. در عین حال، در واقع مدارهای جریان کوچک زیادی در سمت اولیه و ثانویه ترانسفورماتورها وجود دارد و هر یک از این مدارهای کوچک، جریان نویز القایی را افزایش می‌دهند که موجب نویز حالت مشترک یا حالت تفاضلی غیرقابل پیش‌بینی می‌شوند. بنابراین، این موضوع عدم قطعیت‌های زیادی را در رفع مشکلات الکترومغناطیسی ایجاد می‌کند که دلیل اصلی عدم امکان استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی برای شبیه‌سازی سازگاری الکترومغناطیسی است.

شکل 2 مثالی از مؤلفه‌های استراتژی مربوط به EMI (Infineon DEMO_5QSAG_60W1)

برای تخمین دامنه نویز مد مشترک، معمولاً لازم است ظرفیت پارازیتی موجود در مدار نویز مد مشترک را در نظر بگیریم که معمولاً در محدوده چند ده پیکوفاراد قرار دارد. در مثال نشان داده شده در شکل 2، با فرض ظرفیت پارازیتی 20pF، وقتی ولتاژ ورودی 230Vac است و فرکانس سوئیچینگ لوله اصلی منبع تغذیه 200KHz است، عرض کلی پالس روشن و خاموش شدن 1 میکروثانیه است و زمان‌های صعودی و نزولی به ترتیب 0.2 میکروثانیه هستند. حداکثر ولتاژ در ترمینال ورودی برابر است با ، ضریب مرحله‌ای ورودی AC از طریق سوئیچ برابر است با فرکانس گوشه اول در توزیع چگالی طیفی برابر است با:

ولتاژ متناظر با اولین قله (هارمونیک اول 1st harmonic) در توزیع چگالی طیفی برابر است با:

در یک مدار با نویز مد مشترک، بدون اتصال یک سلف مد مشترک، حداکثر جریان مد مشترک را می‌توان با صرف‌نظر کردن از امپدانس معادل سری (مانند مقاومت سیم، اندوکتانس ناشی و غیره) تخمین زد، همان‌طور که در شکل 3 نشان داده شده است. وقتی به یک شبکه استabilیزاسیون امپدانس خطی (LISN) متصل می‌شود، بزرگی جریان مد مشترک به صورت زیر خواهد بود:

بنابراین، دامنه ولتاژ نویز مد مشترکی که توسط گیرنده تست هدایتی (آنالایزر طیف) در پورت LISN دریافت می‌شود، به صورت زیر خواهد بود:

اگرچه نتیجه واقعی که روی گیرنده تست آشکار می‌شود عبارت است از:

به عبارت دیگر، دامنه‌های نویز مد مشترک و نویز مد تفاضلی روی هم قرار می‌گیرند، اما واضح است که تا زمانی که نویز مد مشترک تحت فشار گذاشته شود، نتایج نهایی تست بهبود خواهند یافت. بنابراین، برای مثال در استاندارد الکترومغناطیسی EMC EN55022 برای کاربردهای صنعتی و مخابراتی معمول، دامنه QP باید در محدوده فرکانسی 150 کیلوهرتز تا 500 کیلوهرتز از مقدار زیر کمتر باشد: در محدوده 150 کیلوهرتز تا 500 کیلوهرتز. بنابراین، حداکثر در اینجا باید تضعیف نویز مود رایج انجام شود. به عنوان مثال، با در نظر گرفتن هدف تضعیف به میزان -20 دسی‌بل، طبق یک محاسبه ساده، امپدانس اصلی در مدار مود رایج امپدانس خازن پراکندگی است که تقریباً برابر با 25 کیلو اهم است. همان‌طور که در شکل 4 نشان داده شده است، امپدانس مورد نیاز مود رایج تقریباً 250 کیلو اهم است که می‌تواند به یک سلف مود رایج 125 میلی‌هنری تبدیل شود.

شکل 3: نمودار شماتیک آزمون هدایت در آزمون EMC (نمودار مداری نویز مود رایج و سیگنال مود تفاضلی)

شکل 4: رابطه بین مدار اتلاف فیلتر (سمت چپ) و دامنه تضعیف مربوطه و امپدانس فیلتر (سمت راست)

در کنار کاربردهای رایج سلف حالت مشترک در خطوط برق، این نوع سلف به طور معمول در خطوط سیگنال با سرعت بالا نیز استفاده می‌شود، مانند USB 3.0، HDMI، LAN و غیره، یا برخی خطوط سیگنال LVDS مانند CAN BUS، SPI یا RS232، RS485 و غیره. استفاده از سلف‌های حالت مشترک در خطوط سیگنال همچنین دارای عملکردی برای سرکوب نویز حالت مشترک است، مانند نسبت تضعیف حالت مشترک (CMRR) که برای رعایت برخی مشخصات ارتباطی لازم است. با این حال، نکته مهم‌تری که از این سلف‌ها حاصل می‌شود، اثر جبران‌سازی جریان همراه آنهاست، همانطور که در ابتدا ذکر شد، یعنی سلف حالت مشترک از نوع جبران‌سازی جریان.

همان‌طور که در شکل 5 نشان داده شده است، خطوط سیگنال با سرعت بالا عموماً از انتقال تفاضلی برای ارسال سیگنال استفاده می‌کنند. روی خطوط سیگنال مقاومت‌ها، خازن‌های پارازیتی و سلف‌های توزیع‌شده وجود دارد. کابل‌های جفت‌تابیده می‌تواند به‌طور مؤثر خازن‌های پارازیتی را کاهش دهد ولی نمی‌تواند سلف‌های توزیع‌شده را حذف کند. بنابراین، در سمت گیرنده سلف ورودی تفاضلی وجود دارد و جریان هدایتی روی خط، نویزی را روی نمودار سیگنال ایجاد می‌کند. این نویزها به‌دلیل تقارن خط انتقال تقریباً به‌طور مساوی در دو سر گیرنده توزیع می‌شوند. حال که یک سلف مد مشترک در محل ورودی گیرنده قرار داده شده است، مقدار تقریباً برابر نویز از طریق القای سیم‌پیچی سلف مد مشترک لغو خواهد شد و نویز هدایتی به‌طور چشمگیری کاهش می‌یابد. یعنی اثر جبران جریان، نویز ورودی در گیرنده را کاهش می‌دهد.

شکل 6. فرآیند انتقال سیگنال‌های دیفرانسیلی در طول خط انتقال از سر نخست تا سر دوم (سمال) و بهبود حاصل از استفاده از القای مد مشترک در سر دوم (راست)

در نمودار چشمی سیگنال، همان‌طور که در شکل 6 نشان داده شده است، با کاهش تلفات فروبرنده ناشی از القای سیم، نسبت سیگنال به نویز بهبود خواهد یافت که برای خطوط انتقال طولانی‌تر یا خطوط سیگنال با سرعت بالا اهمیت زیادی دارد. به‌طور کلی، خطوط انتقال مورد استفاده در پورت‌های سیگنال یاد شده معمولاً خطوط انتقال با امپدانس 90~120 Ω هستند. بر اساس الزامات خاص پهنای باند سیگنال، سلف‌های امپدانس مد مشترک در محدوده 1 تا 10 برابر معمولاً انتخاب می‌شوند تا سرکوب مد مشترکی در محدوده -6dB تا -20dB فراهم کنند. این موضوع شبیه به کاربرد منبع تغذیه ذکر شده در قبل است و به اندازه امپدانس مدار نویز مد مشترک بستگی دارد. البته با افزایش فرکانس (به دلیل الزامات انتقال سیگنال با سرعت بالا)، امپدانس مد مشترک سیستم کاهش خواهد یافت و ارائه اندوکتانس بیش از حد باعث می‌شود پهنای باند فیلتر کاهش یابد. بنابراین لازم است تأیید شود که آیا اندوکتانس انتخاب شده با الزامات انتقال سیگنال‌های با سرعت بالا مطابقت دارد یا خیر.

شکل 6. نمودار شماتیک از کیفیت سیگنال تحت تأثیر افت درج خطوط در خطوط انتقال دیفرانسیلی

۳. ضرر نویز مد مشترک

پس، مشکل نویز حالت عمومی چیست؟ چرا اغلب لازم است که تمرکز خود را بر روی سرکوب نویز حالت عمومی در مدار در آزمون EMC قرار دهیم؟ البته به منظور رعایت استانداردهای گواهی‌نامه EMC کشورهای مختلف، لازم است دامنه نویزهای حالت عمومی و حالت تفاضلی محدود شود، ایمنی محصولات بهبود یابد و خطرات بالقوه ناشی از تجهیزات الکتریکی برای شبکه برق یا دستگاه‌های همسایه از سوی مصرف‌کنندگان انرژی کاهش یابد. ثانیاً از دیدگاه جامعیت توان و جامعیت سیگنال، بیشتر تجهیزات و کنترل‌کننده‌های الکتریکی با ولتاژ پایین کار می‌کنند و وجود نویز ولتاژ اضافی ممکن است منجر به سیگنال‌های کنترلی غیرطبیعی یا داده‌های منتقل‌شده با خطا و حتی توقف فعالیت شود. این نوع تداخل‌های غیرطبیعی ممکن است هم از برد مداری و هم از تداخل RF نویزی آن ناشی شود، مانند قطع شدن دستگاه‌های موبایل یا صدای سوت‌وار در پخش‌های رادیویی. در نهایت، نویز حالت عمومی زیاد ممکن است به صورت تابش فرکانس بالا به فضا منتشر شود، مانند نویزهای بزرگ حالت عمومی یا روی هادی‌هایی که شبیه آنتن عمل می‌کنند و خطرات بلندمدتی برای سلامتی انسان ایجاد کنند که اغلب قابل تشخیص نیستند.

برای ساده کردن مسئله، ما خط انتقال را معادل یک جفت مغناطیس هرتز فرض می‌کنیم و مدل رادیاتور نویز مد مشترک را به دست می‌آوریم، همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است. فاصله بین نقطه آزمون و موقعیت مرکزی خط انتقال مد مشترک d است، که عموماً خیلی بزرگتر از اندازه مدار است و بنابراین یک نقطه آزمون در منطقه دور است. بنابراین، برای تابش از آنتن در منطقه دور، قدرت میدان آن به صورت زیر است:

در میان آنها، ثابت فاز متناظر با طول موج تابشی است، فاصله بین موقعیت‌های آزمون است، زاویه صفحه‌ای است که به میزان θ درجه از الگوی تابش آنتن انحراف دارد، و برای جفت‌های مغناطیسی هرتز ، و , به نوع آنتن بستگی دارد. از آنجایی که تابش دریافت شده در نقطه دور حاصل از عملکرد همزمان دو خط مد مشترک در یک زاویه بنابراین:

برای نویز مد مشترک، همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است: و , حداکثر تابش در نقطه آزمون به صورت زیر به دست می‌آید:

وقتی فاصله خطوط s به اندازه کافی کوچک باشد بنابراین می‌توان آن را ساده کرد به:

بنابراین، شدت تابش مد مشترک با طول خط انتقال مد مشترک نسبیت دارد و با افزایش فاصله کاهش می‌یابد. به عنوان مثال، بزرگی این دامنه را در نظر بگیرید: فرض کنید طول خط انتقال مد مشترک ۱ متر و دامنه جریان مد مشترک ۷٫۹۶ میکروآمپر باشد، که معادل آزمون میدان ۳ متری در FCC کلاس B در فرکانس ۳۰ مگاهرتز است، شدت تابش به صورت زیر خواهد بود:

این شدت دقیقاً حد استاندارد را نشان می‌دهد. اگر در نقطه آزمون ۳ متری، هادی یا فردی به طول ۱ متر وجود داشته باشد، ولتاژی به میزان ۱۰۰ میکروولت حس خواهد کرد. قرارگیری طولانی مدت در چنین محیطی تأثیر جدی بر سلامت انسان دارد و تابش انباشته شده می‌تواند منجر به بروز بیماری‌های مزمن مختلف یا آسیب‌های اختصاصی شود، که این موضوع همچنین اهمیت گواهی EMC را برجسته می‌کند.

شکل ۷ مدل تابش و نمودار نقاط آزمون نویز مد مشترک

ساختار موج در اغلب مدارهای کلیدزنی را می‌توان به عنوان یک موج ذوزنقه‌ای طبقه‌بندی کرد، و طیف فرکانسی آن دو مرحله کاهش سرعت را از خود نشان می‌دهد به با افزایش سطح هارمونیک‌ها. گره‌ها شامل فرکانس زاویه‌ای اولیه و فرکانس لبه صعودی هستند. طیف فرکانسی شدت تابش مد مشترک مذکور به وضوح با افزایش فرکانس افزایش می‌یابد توسط . بنابراین، برای منابع تغذیه کلیدزنی متداول و مدارهای سیگنال موج مربعی، طیف تابش مد مشترک به طور تقریبی نشان دهنده ویژگی‌های توزیعی خواهد بود که ابتدا افزایش و سپس کاهش می‌یابد، همان‌طور که در شکل 8 نشان داده شده است. بنابراین، بخش میانی قسمتی است که نیازمند کنترل یا سرکوب خاص است.

شکل 8 توزیع شدت نویز تابش مد مشترک مربوط به موج‌های ذوزنقه‌ای متداول

۴- انتخاب سلف‌های مد مشترک

در مورد خطوط برق، منبع نویز مد مشترک نسبتاً واضح است، اما عوامل پراکنده دشوار است که با وسایل اندازه‌گیری شوند. در بیشتر موارد، نتایج از طریق آزمایش و سپس تحلیل به صورت تدریجی تقریب زده می‌شوند، بنابراین تجربیات انباشته شده بسیار مهم هستند. در هنگام معرفی کاربرد سلف‌های مد مشترک در بخش ۲ این مقاله، قبلاً اشاره شده بود که برآورد تئوری دامنه نویز مد مشترک و الزامات مربوط به سلف مغناطیسی متناظر می‌تواند به عنوان نقطه شروعی برای آزمایش‌های اولیه مورد استفاده قرار گیرد.

معمولاً سلف مد رایج در مرحله فیلتر کردن ورودی توان AC-DC از یک حلقه مغناطیسی با مدار مغناطیسی بسته به عنوان هسته مغناطیسی استفاده می‌کند. مزیت این موضوع این است که می‌توان به راحتی نشت القایی بسیار پایین و ضریب تزویج بسیار بالا را به دست آورد. برای ولتاژ ورودی بالا و فرکانس کلیدزنی نسبتاً پایین، می‌تواند امپدانس مد مشترک بالایی را جهت سرکوب دامنه نویز مد مشترک با دامنه زیاد فراهم کند. به دلیل اینکه نفوذپذیری مغناطیسی مواد مغناطیسی می‌تواند به قسمت القایی و قسمت تلفات تقسیم شود هنگامی که هسته مغناطیسی به نقطه مشخصه امپدانس بالاترین مقدار نزدیک شود یا آن را تجاوز کند، بخش تلفات قسمت اصلی امپدانس را تشکیل خواهد داد. در این حالت، سر و صدا از طریق کاهش دامنه سر و صدا با امپدانس القایی کنترل نمی‌شود، بلکه از طریق جذب انرژی سر و صدا از طریق گرمای تلفات جذب می‌شود. بنابراین، درجه اشباع مناسب (اشباع بیش از حد باعث کاهش امپدانس می‌شود) روی اثر کاهش سر و صدا تأثیر نخواهد گذاشت، پس نیازی نیست به دنبال پارامترهای جریان اشباع مشابه آنچه در القای‌های توان مورد استفاده قرار می‌گیرد، گشت.

هنگام انتخاب سلف‌های حالت مشترک، در همان زمان، اگر بخش سلف نشتی مانند یک سلف 1 میلی‌هنری با ضریب تزویج 99% وجود داشته باشد، 10 میکروهنری سلف نشتی در مدار تفاضلی ظاهر خواهد شد. هنگام در نظر گرفتن سرکوب نویز حالت تفاضلی (معمولاً فیلتر پل LC)، این بخش از سلف نشتی نیز باید در نظر گرفته شود. سلف نشتی متوسط برای سرکوب نویز حالت تفاضلی با فرکانس بالا مفید است، اما چون سلف‌های حالت مشترک عمدتاً از هسته‌های مغناطیسی بسته استفاده می‌کنند، در جریان‌های بالا به راحتی باعث اشباع هسته می‌شود که بر روی بازده تبدیل انرژی و پهنای باند فیلتر نویز تأثیر می‌گذارد. افزایش نسبت سلف نشتی معمولاً می‌تواند با استفاده از ساختارهای هسته مغناطیسی مربعی یا قابی (مانند هسته مغناطیسی UU یا هسته مغناطیسی PQ) یا با استفاده از پیچک‌های نامتقارن به دست آید. ). انتخاب خاص باید توسط کاربر از طریق آزمون شناسایی سپراتور مد مشترک دیفرانسیل تعیین شود تا مشخص شود که آیا ضروری است یا خیر.

در مورد پارامترهای سلف حالت مشترک، این پارامترها عمدتاً شامل مقدار اندوکتانس یک طرفه، Rdc، جریان نامی، ولتاژ نامی و تست ولتاژ (Hi pot) می‌شوند. مقدار اندوکتانس یک طرفه عمدتاً اندازه امپدانس حالت مشترک را تعیین می‌کند. Rdc اتلاف DC سیم است و افزایش دما ناشی از این اتلاف، حد جریان نامی را تعیین می‌کند. در نهایت، به دلیل اینکه این قطعه روی خطوط با ولتاژ بالا استفاده می‌شود، محدوده ولتاژ و الزامات ایمنی جداگانه مشخص شده‌اند. با این حال کاربران تمایل دارند تأثیر فیلتر کردن را ارزیابی کنند، بنابراین عموماً کتابچه مشخصات دو نوع منحنی مشخصه امپدانس را ارائه می‌دهد. یکی فرم امپدانس حالت مشترک/حالت تفاضلی نشان داده شده در شکل 9-a و دیگری فرم اتلاف نفوذ (dB) نشان داده شده در شکل 9-b است. این دو معادل هستند و منحنی فرم dB اتلاف نفوذ از تبدیل امپدانس حالت مشترک/حالت تفاضلی به یک سیستم 50 Ω+50 Ω تشکیل شده است.

شکل 9 (الف) فرم امپدانس مد رایج/مد تفاضلی (ب) فرم اتلاف внده دیسیبل

برای یک سری مد رایج مشابه، ساختارهای بسته‌بندی با اندازه‌های مختلف برای جریان‌های متفاوت و پهنای باند فیلتراسیون متنوع مناسب هستند: هرچه اندازه بزرگتر باشد، مقاومت مغناطیسی هسته مغناطیسی کاهش می‌یابد که می‌تواند تعداد دورهای سیم‌پیچی را کاهش دهد، به گونه‌ای که قطر سیم مسی افزایش یافته و حلقه جریان بزرگتری قابل استفاده باشد؛ هرچه مقدار اندوکتانس بالاتر باشد یا فرکانس ثابت شدن پذیرفتاری مغناطیسی مواد پایین‌تر باشد، پهنای باند فیلتراسیون مجاز کوچکتر خواهد بود، و در این حالت، سلف مد رایج در حلقه قرار داده شده ممکن است روی انتهای فرکانس بالا هیچ اثر سرکوب نویزی نداشته باشد.

کدکا سرنویس‌های عمومی الکترونیک در حال حاضر عمدتاً به دو بخش تقسیم می‌شوند: خطوط سیگنال و خطوط تغذیه. بیش از 10 سری و 50 اندازه مختلف بسته‌بندی وجود دارد، همچنین تقریباً 300 شماره قطعه استاندارد مختلف. این سرنویس‌ها به طور گسترده در خطوط سیگنال مانند CAN BUS، RS485 و دستگاه‌های تغذیه آفلاین با توانی از چند وات تا چند کیلووات استفاده می‌شوند. تیم فناوری و توسعه ما همچنین می‌تواند به کاربران در تست تا تحلیل کمک کند یا مشخصات سفارشی را ارائه دهد تا در نهایت گواهی‌های مربوط به EMC را کامل کنیم.

مرجع

[1] Infineon Technologies AG. Engineering_report_DEMO_5QSAG_60W1-AN-v01_00-EN.pdf. www.infineon.com

[2] اطلاعات محصول سرنویس CODACA: www.codaca.com

[3] Clayton R.Paul. مقدمه‌ای بر سازگاری الکترومغناطیسی. چاپ دوم. Wiley-interscience.

[4] Bhag Singh Guru و Huseyin R. Hiziroglu. اصول بنیادی نظریه میدان الکترومغناطیسی. چاپ دوم. Cambridge University Press.

توضیح حفاظت از مالکیت معنوی

CODACA "یا" کدکا «یک نشان تجاری ثبت‌شده از شرکت شنژن کدکا کوداکا الکترونیک Co., Ltd. هرگونه استفاده یا ارجاع به متن، داده یا سایر انواع اطلاعات عمومی حاوی مطالب مربوط به حقوق معنوی که توسط شنژن کوداکا الکترونیک Co., Ltd. منتشر یا توزیع شده‌است، در محدوده حفاظت حقوق معنوی شنژن کوداکا الکترونیک Co., Ltd. قرار دارد. شنژن کوداکا الکترونیک Co., Ltd. تمامی حقوق اظهارنظر مربوط به حقوق معنوی، حفاظت از حقوق و سایر حقوق حمایتی را برای خود محفوظ می‌دارد. جهت روشن شدن این موضوع که شما هیچگونه تعارض بالقوه‌ای در زمینه حقوق معنوی ندارید، در صورت لزوم با شرکت الکترونیک شنژن کداجیا تماس بگیرید.»