تولید و راهکارهای مقابله با تداخل الکترومغناطیسی (EMI) در تجهیزات الکترونیکی

در دستگاه‌های الکترونیکی، معمولاً یک فیلتر در خط ورودی AC وجود دارد. این امر به این دلیل است که در تجهیزات الکترونیکی که منبع تغذیه سوئیچینگ دارند، منبع اصلی تداخل الکترومغناطیسی (EMI) خود واحد تغذیه است. منابع تولید EMI متنوع هستند و شامل پدیده‌های طبیعی مانند رعد و برق و میدان مغناطیسی زمین و همچنین منابع مصنوعی مانند موتورها، فناوری‌های فرکانس رادیویی (RF) و سیگنال‌های دیجیتال/آنالوگ می‌شوند که همگی می‌توانند تداخل ایجاد کنند. فیلترها اجزای ضروری برای جلوگیری از انتقال این سیگنال‌های مزاحم به بیرون دستگاه یا تأثیر آنها بر تجهیزات الکترونیکی دیگر در مجاورت هستند. این مقاله به بررسی علل ایجاد تداخل الکترومغناطیسی و راهکارهای مقابله با آن می‌پردازد.

​

1- انواع سیگنال‌های تداخل و نحوه تولید آنها

نویز در دستگاه‌های الکترونیکی به سیگنال‌های الکتریکی ناخواسته درون دستگاه اشاره دارد. این سیگنال‌ها، اغتشاشات ولتاژ یا جریان غیرقابل اجتنابی هستند. اگر تداخل بیش از حد باشد، پدیده‌های زیر ممکن است رخ دهد:

① شنیدن صدای نویز در رادیوها یا دستگاه‌های چندرسانه‌ای که ربطی به صدای مورد نظر ندارد.

② نمایش تصاویر مشوّش یا شلوغ بر روی صفحه تلویزیون فراتر از محتوای اصلی.

③ دستگاه‌های دیجیتال ممکن است به‌صورت نادرست روشن شوند یا به‌درستی کار نکنند.

④ تجهیزات ارتباطی ممکن است نتوانند سیگنال‌های عادی را انتقال دهند.

⑤ سایر اثراتی که عملکرد صحیح دستگاه‌های الکترونیکی را مختل می‌کنند.

به همین دلایل، کشورها و مناطق مختلف الزامات و مقررات مربوطه‌ای را برای تجهیزات الکترونیکی وضع کرده‌اند و تعیین می‌کنند که سیگنال‌های تداخل تولید شده توسط این دستگاه‌ها نباید از حد معینی فراتر روند. سازندگان موظف هستند نویز الکترومغناطیسی (EMI) تولید شده توسط محصولات خود را در محدوده‌های مشخص شده کنترل کنند.

در سال‌های اخیر، دستگاه‌های الکترونیکی به‌طور گسترده از فناوری‌های دیجیتال و کلیدزنی استفاده می‌کنند. تا زمانی که محصولی از این فناوری‌ها استفاده کند، حتماً سیگنال‌های EMI تولید خواهد کرد. استفاده از فیلترها روشی مؤثر برای نگه داشتن این تداخل در محدوده‌های تنظیم‌شده است. محدودیت‌های تداخل ممکن است بین کشورها یا مناطق مختلف متفاوت باشد، بدین معنا که ویژگی‌های فیلترهای مورد نیاز نیز متفاوت خواهد بود. در تصاویر زیر نمونه‌هایی از یک فیلتر خط برق که به‌صورت خارجی در تجهیزات صنعتی استفاده می‌شود و یک فیلتر داخلی (سیم‌پیچ حالت عمومی، سیم‌پیچ حالت تفاضلی) که درون یک منبع تغذیه نصب می‌شود آورده شده است.

شکل ۱ (چپ): فیلتر خارجی خط برق صنعتی

شکل ۲ (راست): فیلتر داخلی منبع تغذیه سوئیچینگ (سیم‌پیچ حالت عمومی)

در یک منبع تغذیه سوئیچینگ، ترانزیستور سوئیچینگ، دیود یکسوساز با فرکانس بالا و ترانسفورماتور سوئیچینگ، سطوح بالاتری از تداخل تولید می‌کنند. شکل موج‌های کاری درون یک منبع تغذیه سوئیچینگ معمولاً موج مربعی یا موج مثلثی (شکل موج‌های پایه) هستند. این شکل موج‌ها شامل مؤلفه‌های فرکانس بالا می‌باشند که مضرب صحیحی از فرکانس پایه هستند. هنگامی که این شکل موج‌های با فرکانس بالا به بیرون منتشر می‌شوند، به سیگنال‌های تداخلی تبدیل می‌شوند.

علاوه بر این، سرعت سوئیچینگ ترانزیستورها بسیار زیاد است. به عنوان مثال، جریانی به میزان 2 آمپر با ولتاژ 12 ولت ممکن است با فرکانس حدود 300 کیلوهرتز روشن/خاموش شود. همان‌طور که در نمودار زیر نشان داده شده است، در حالت گذار سوئیچینگ، نرخ تغییرات جریان (di/dt) بسیار بالا است. از آنجایی که اندوکتانس تنها در سیم‌پیچ القاگر وجود ندارد، بلکه به صورت اندوکتانس پارازیتی روی برد مدار چاپی (PCB) نیز وجود دارد، این تغییر سریع جریان می‌تواند سیگنال‌های ولتاژ تداخلی تولید کند که بر محیط اطراف یا سایر قطعات الکترونیکی اثر می‌گذارند. این سیگنال‌های تداخلی نه تنها از طریق مسیرهای روی برد منتقل می‌شوند، بلکه از طریق امواج الکترومغناطیسی و سیم‌ها به بیرون تشعشع نیز می‌کنند. فرکانس این تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ثابت نیست؛ بلکه در یک چرخه سوئیچینگ منفرد، مؤلفه‌های متعددی از di/dt وجود دارد که منجر به طیف وسیعی از ولتاژ تداخلی تولید شده می‌شود.

شکل 3: مدل مدار معادل

شکل 4: مدل سیگنال ولتاژ تداخلی

شکل 5: سیگنال ولتاژ تداخلی

شکل 6: سیگنال جریان تداخل

شکل 7: مدل جریان اتصال کوتاه خاموشی دیود

نامحدود به تنها منابع تغذیه سوئیچینگ، ما به‌طور کلی می‌توانیم محل تولید تداخل در یک دستگاه الکترونیکی را بر اساس مسیر ولتاژ/جریان طبقه‌بندی کنیم. همان‌طور که در نمودار زیر نشان داده شده است، تداخلی که در حالت تفاضلی و حالت مشترک تولید می‌شود، به ترتیب به عنوان تداخل حالت تفاضلی و تداخل حالت مشترک شناخته می‌شوند.

شکل 8: نمودار مدل سیگنال تداخل

اینترفِرنسی که بین خطوط یک کابل برق AC یا بین ترمینال‌های مثبت و منفی یک خروجی DC ظاهر می‌شود، اینترفِرنس حالت تفاضلی نام دارد. در مقابل، اینترفِرنس حالت مشترک به مؤلفه سیگنال تداخلی اشاره می‌کند که بین هر خط در مدار و خط زمین (یعنی نسبت به زمین) ایجاد می‌شود. تداخل تولید شده توسط مدارهای قدرت تقریباً همیشه در ابتدا از نوع تفاضلی است. با این حال، هنگامی که این سیگنال تفاضلی به سایر مدارها منتشر می‌شود، تعادل امپدانس آن نسبت به زمین ممکن است به دلیل تأثیرات الکترومغناطیسی یا الکترواستاتیکی به هم بخورد و به یک سیگنال حالت مشترک تبدیل شود. در نهایت، بخش عمده‌ای از تداخل به صورت حالت مشترک درمی‌آید.

علاوه بر این، سیگنال‌های تداخل خارجی که از محیط طبیعی به تجهیزات وارد می‌شوند، معمولاً از نوع مود مشترک هستند، زیرا شکل‌گیری آنها تقریباً همیشه با زمین (ارض) مرتبط است. علاوه بر این، هنگامی که تداخل مود مشترک وارد یک مدار می‌شود، ممکن است تحت شرایط مختلف و تحت تأثیر دستگاه‌ها به تداخل مود تفاضلی تبدیل شود که می‌تواند تأثیر مستقیم و منفی بر عملکرد مدار داشته باشد.

در دستگاه‌های الکترونیکی یا مدارهای برقی، لازم است راهکارهای مقابله با تداخل مود مشترک و مود تفاضلی که از نظر ماهیت کاملاً متفاوت هستند، در نظر گرفته شده و پیاده‌سازی گردند.

2- راهکارهای مقابله با تداخل الکترومغناطیسی

از دیدگاه انتشار سیگنال تداخل، تداخل به طور کلی به تداخل هدایت‌شده و تداخل تشعشعی تقسیم می‌شود. از دیدگاه انواع سیگنال تداخل، می‌توان آن را به تداخل حالت مشترک و تداخل حالت تفاضلی تقسیم کرد. دو رویکرد اصلی برای سرکوب سیگنال‌های تداخل وجود دارد:

① جلوگیری از تولید سیگنال‌های تداخل.

② مسدود کردن، جذب یا حذف انتشار سیگنال‌های تداخل.

دستگاه‌های الکترونیکی مدرن عمدتاً از فناوری منبع تغذیه سوئیچینگ و فناوری دیجیتال استفاده می‌کنند. دستگاه‌هایی که از این فناوری‌ها استفاده می‌کنند، بطور حتم سیگنال‌های تداخلی تولید می‌کنند که سرکوب آنها صرفاً از طریق به‌روزرسانی فناوری دشوار است. در حال حاضر، اکثر راه‌حل‌ها بر مسدود کردن یا کاهش انتشار سیگنال‌های تداخل متمرکز هستند.

2.1 استفاده از قطعات غیرفعال برای مسدود کردن (جذب یا حذف) هدایت سیگنال‌های تداخلی، مانند ترکیب سیم‌پیچ‌های حالت عمومی، سیم‌پیچ‌های حالت تفاضلی، خازن‌های X و خازن‌های Y جهت سرکوب تداخلات رسانشی.

2.2 استفاده از سیم‌پیچ‌های توان با مهره‌های فریتی یا ساختارهای محافظ مغناطیسی به منظور جلوگیری از انتشار سیگنال‌های تداخلی تشعشعی به بیرون.

برای مقابله با EMI رسانشی، کدکا مجموعه‌ای از سیم‌پیچ‌های حالت عمومی برای خطوط سیگنال (سری SPRHS، سری CSTP، سری VSTCB و غیره)، سیم‌پیچ‌های حالت عمومی برای خطوط تغذیه (سری TCB، سری SQH، سری TCMB) و سیم‌پیچ‌های حالت تفاضلی (سری SPRH، سری PRD و سایر سیم‌پیچ‌های توان که می‌توانند به عنوان سیم‌پیچ حالت تفاضلی استفاده شوند) ارائه می‌دهد. این سیم‌پیچ‌های حالت عمومی و حالت تفاضلی به دستگاه‌های الکترونیکی کمک می‌کنند تا در برابر تداخل الکترومغناطیسی خارجی مقاومت کنند و همچنین از انتشار EMI تولید شده درون دستگاه جلوگیری می‌کنند.

اثربخشی سرکوب تداخل به امپدانس سلف مرتبط است. لطفاً برای اطلاعات بیشتر به جداول مشخصات و نمودارهای مشخصه فرکانسی زیر مراجعه کنید.

جدول اول: مشخصات سلف های مونتاژی کومون مد کدوکا جدول

توجه: این جدول تنها مجموعه‌ای از مدل‌های سلف را نشان می‌دهد. برای اطلاعات بیشتر، لطفاً به وب‌سایت رسمی کدوکا مراجعه کنید.

شکل 9: نمودار مشخصه امپدانس-فرکانس برای سلف‌های مونتاژی کومون مد خط سیگنال

شکل 10: نمودار مشخصه امپدانس-فرکانس برای سلف‌های مونتاژی کومون مد خط تغذیه

برای راه‌حل‌های EMI تشعشعی، می‌توان از دانه‌های فریتی استفاده کرد. در برخی مدارهای با فرکانس بالا، مانند مدارهای RF و نوسان‌ساز، لازم است یک دانه فریتی در بخش ورودی تغذیه اضافه شود. کدوکا مجموعه‌ای از دانه‌های فریتی از جمله سری‌های RHD، RHV، SMB و UUN ارائه می‌دهد.

جدول 2: جدول مشخصات دانه فریتی

توجه: این جدول تنها مجموعه‌ای از مدل‌ها را نشان می‌دهد. برای اطلاعات بیشتر، لطفاً به وب‌سایت رسمی کدوکا مراجعه کنید.

همان‌طور که قبلاً اشاره شد، سیم‌پیچ‌های توان مغناطیسی محافظت‌شده می‌توانند انتشار تداخل تابشی را نیز مسدود کنند. در مورد تداخل الکترومغناطیسی تابشی، کوداکا مجموعه‌ای از قطعات محافظت‌شده مغناطیسی ارائه می‌دهد که شامل سیم‌پیچ‌های قالب‌گیری‌شده، سیم‌پیچ‌های جریان بالا، سیم‌پیچ‌های آمپلی‌فایر دیجیتال و سیم‌پیچ‌های تراشه‌ای است. این سیم‌پیچ‌های توان می‌توانند در خطوط تغذیه منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده شوند. ساختار محافظت مغناطیسی به‌طور مؤثری از انتشار بیرونی تداخل ایجادشده توسط سیم‌پیچ جلوگیری می‌کند و همچنین سیم‌پیچ را در برابر تداخل تابشی خارجی محافظت می‌کند. این سیم‌پیچ‌های محافظت‌شده همچنین در راه‌حل‌های تداخل حالت تفاضلی برای خطوط سیگنال و توان استفاده می‌شوند.

جدول 3: جدول مشخصات سیم‌پیچ‌های محافظت‌شده مغناطیسی

توجه: این جدول تنها مجموعه‌ای از مدل‌ها را نشان می‌دهد. برای اطلاعات بیشتر، لطفاً به وب‌سایت رسمی کدوکا مراجعه کنید.

شکل 11: منحنی‌های افزایش دما و جریان اشباع، مشخصات اندوکتانس-فرکانس و امپدانس-فرکانس برای VSHB0421-4R7MC

3- نتیجه‌گیری

با افزایش یکپارچگی و پیچیدگی محصولات الکترونیکی، محیط EMI/EMC که این محصولات در آن کار می‌کنند نیز با چالش‌های قابل توجهی مواجه است. برای کمک به دستگاه‌های الکترونیکی در حل مسائل EMI/EMC، کوداکا سری‌های مختلفی از سلف حالت عمومی خط سیگنال , چوک مد مشترک خط برق ثانیه سیم‌پیچ‌های حالت تفاضلی، خردبات فریتی و انواع مختلف سرنشین‌های توان مغناطیسی محافظت‌شده . مهندسان می‌توانند بر اساس نیازهای خاص طراحی مدار توان خود، سیم‌پیچ‌های مناسب حالت مشترک، سیم‌پیچ‌های حالت تفاضلی یا سرنشین‌های توان استاندارد شده کوداکا را انتخاب کنند.