EN
Быстрые ссылки
В электронных устройствах на входе переменного тока обычно устанавливается фильтр. Это связано с тем, что в электронном оборудовании, содержащем импульсный источник питания, основным источником электромагнитных помех (ЭМП) является сам блок питания. Источники ЭМП разнообразны: к ним относятся природные явления, такие как молнии и магнитное поле Земли, а также искусственные источники, например, электродвигатели, радиочастотные (РЧ) технологии и цифровые/аналоговые сигналы, которые могут создавать помехи. Фильтры являются незаменимыми компонентами, предотвращающими распространение этих помех за пределы устройства или их воздействие на другое близко расположенное электронное оборудование. В данной статье рассматриваются причины возникновения электромагнитных помех и меры по их устранению.
1- Типы помех и их возникновение
Помехи в электронных устройствах — это нежелательные электрические сигналы, присутствующие в устройстве. Эти сигналы представляют собой неизбежные колебания напряжения или тока. При чрезмерном уровне помех могут наблюдаться следующие явления:
① Появление шума в радиоприемниках или мультимедийных устройствах, не связанного с воспроизводимым звуком.
② Отображение искаженных или зашумленных изображений на экранах телевизоров помимо исходного контента.
③ Цифровые устройства могут запускаться некорректно или работать со сбоями.
④ Средства связи могут быть неспособны передавать нормальные сигналы.
⑤ Другие эффекты, мешающие правильной работе электронных устройств.
По этим причинам страны и регионы установили соответствующие требования и нормативы для электронного оборудования, предписывающие, что уровень создаваемых устройствами помех не должен превышать определенного предела. Производители обязаны обеспечивать контроль ЭМП, генерируемых их продукцией, в пределах установленных норм.
В последние годы электронные устройства широко применяют цифровые и импульсные технологии. Как только продукт использует эти технологии, он неизбежно будет генерировать сигналы ЭМП. Использование фильтров — эффективный способ удерживать эти помехи в пределах установленных норм. Пределы допустимых помех могут различаться в зависимости от страны или региона, что означает, что характеристики требуемых фильтров также будут отличаться. Ниже показаны примеры фильтра силовой линии, используемого внешним образом для промышленного оборудования, и внутреннего фильтра (дроссель синфазных помех, дроссель дифференциальных помех), установленного внутри источника питания.
Рисунок 1 (слева): Внешний промышленный фильтр сетевого питания
Рисунок 2 (справа): Внутренний фильтр импульсного источника питания (дроссель синфазных помех)
В импульсном источнике питания переключающий транзистор, высокочастотный выпрямительный диод и импульсный трансформатор создают более высокий уровень помех. Рабочие формы сигналов в импульсном источнике питания обычно представляют собой прямоугольные или треугольные волны (основные формы сигналов). Эти формы сигналов содержат высокочастотные составляющие, кратные основной частоте. Когда эти высокочастотные сигналы распространяются наружу, они становятся сигналами помех.
Кроме того, скорость переключения транзисторов чрезвычайно высока. Например, ток 2 А при напряжении 12 В может включаться/выключаться с частотой около 300 кГц. Как показано на диаграмме ниже, в переходном состоянии переключения скорость изменения тока (di/dt) очень велика. Поскольку индуктивность присутствует не только в катушке индуктивности, но и в виде паразитной индуктивности на печатной плате (PCB), быстрое изменение тока может генерировать помеховые напряжения, которые влияют на окружающую среду или другие электронные компоненты. Эти помеховые сигналы распространяются не только по проводникам на плате, но также излучаются наружу в виде электромагнитных волн и через провода. Частота этих ЭМП не является фиксированной; в одном цикле переключения присутствует множество составляющих di/dt, что приводит к широкому спектру генерируемых помеховых напряжений.
Рисунок 3: Эквивалентная схема
Рисунок 4: Модель сигнала помехового напряжения
Рисунок 5: Сигнал помехового напряжения
Рисунок 6: Сигнал помехового тока
Рисунок 7: Модель тока короткого замыкания при выключении диода
Помехи возникают не только в импульсных источниках питания; мы можем в целом классифицировать места их возникновения в электронном устройстве на основе пути прохождения напряжения/тока. Как показано на схеме ниже, помехи, возникающие в дифференциальном режиме и в общем режиме, называются соответственно дифференциальными и синфазными помехами.
Рисунок 8: Схема модели сигнала помех
Помехи, возникающие между проводами силового кабеля переменного тока или между положительным и отрицательным выводами выхода постоянного тока, называются дифференциальными помехами. В отличие от них, синфазные помехи — это компонент сигнала помех, возникающий между любым проводом в цепи и заземлённой линией (то есть относительно земли). Помехи, генерируемые силовыми цепями, почти всегда изначально являются дифференциальными. Однако по мере распространения дифференциального сигнала в другие цепи его баланс импеданса относительно земли может нарушаться под воздействием электромагнитных или электростатических факторов, что приводит к его преобразованию в синфазный сигнал. В конечном итоге значительная часть помех становится синфазной.
Кроме того, внешние помехи, поступающие в оборудование из естественной среды, как правило, являются синфазными, поскольку их возникновение почти всегда связано с Землёй (землёй). Более того, когда синфазные помехи проникают в цепь, они могут также преобразовываться в дифференциальные помехи при различных условиях и под влиянием различных устройств, что может негативно и напрямую влиять на работу цепи.
В электронных устройствах или силовых цепях необходимо учитывать и применять меры защиты как от синфазных, так и от дифференциальных помех, которые по своей природе совершенно различны.
2- Меры защиты от электромагнитных помех
С точки зрения распространения помех сигналов, помехи в целом можно разделить на проводимые и излучаемые. С точки зрения типов сигналов помех их можно разделить на синфазные и дифференциальные помехи. Существует два основных подхода к подавлению сигналов помех:
① Предотвращение возникновения сигналов помех.
② Блокирование, поглощение или устранение распространения сигналов помех.
Современные электронные устройства в основном используют импульсные источники питания и цифровые технологии. Устройства, использующие эти технологии, неизбежно генерируют сигналы помех, которые трудно подавить исключительно за счёт технологических усовершенствований. В настоящее время большинство решений сосредоточено на блокировании или ослаблении распространения сигналов помех.
2.1 Использование пассивных компонентов для блокировки (поглощения или устранения) проводимых помех, например, сочетание дросселей синфазных помех, дросселей дифференциальных помех, конденсаторов типа X и конденсаторов типа Y для подавления кондуктивных помех.
2.2 Использование силовых дросселей с ферритовыми кольцами или магнитными экранирующими конструкциями для предотвращения распространения излучаемых помех во внешнюю среду.
Для решения проблемы кондуктивных ЭМП Codaca предлагает серию дросселей синфазных помех для сигнальных линий (серии SPRHS, CSTP, VSTCB и другие), дросселей синфазных помех для силовых линий (серии TCB, SQH, TCMB), а также дросселей дифференциальных помех (серии SPRH, PRD и другие силовые дроссели, которые могут использоваться как дроссели дифференциальных помех). Эти дроссели синфазных и дифференциальных помех помогают электронным устройствам противостоять внешним электромагнитным помехам, а также предотвращают излучение внутренне генерируемых ЭМП устройствами.
Эффективность подавления помех тесно связана с импедансом дросселя. Подробную информацию см. в приведённых ниже таблицах технических характеристик и графиках частотных характеристик.
Таблица 1: Характеристики дифференциальных дросселей Codaca Стол
Примечание: в данной таблице показан только выбор моделей дросселей. За дополнительной информацией обращайтесь на официальный сайт Codaca.
Рисунок 9: График зависимости импеданса от частоты для дифференциальных дросселей сигнальных линий
Рисунок 10: График зависимости импеданса от частоты для дифференциальных дросселей силовых линий
Для решения задач подавления излучаемых ВЧ-помех могут применяться ферритовые вставки. В некоторых высокочастотных цепях, например в ВЧ и генераторных схемах, необходимо устанавливать ферритовую вставку на входе питания. Компания Codaca предлагает серию ферритовых вставок, таких как серии RHD, RHV, SMB и UUN.
Таблица 2: Таблица характеристик ферритовых вставок
Примечание: в данной таблице показан только выбор моделей. За дополнительной информацией обращайтесь на официальный сайт Codaca.
Как упоминалось ранее, экранированные магнитные силовые дроссели также могут блокировать распространение излучаемых помех. Для подавления излучаемых ЭМП компания Codaca предлагает серию экранированных магнитных компонентов, включая литые дроссели, дроссели высокого тока, дроссели для цифровых усилителей и чип-дроссели. Эти силовые дроссели могут использоваться в цепях питания импульсных источников питания. Конструкция магнитного экрана эффективно предотвращает излучение помех, генерируемых дросселем, наружу, а также защищает дроссель от внешних излучаемых помех. Такие экранированные дроссели также применяются в решениях по подавлению дифференциальных помех в сигнальных и силовых линиях.
Таблица 3: Таблица характеристик экранированных магнитных дросселей
Примечание: в данной таблице показан только выбор моделей. За дополнительной информацией обращайтесь на официальный сайт Codaca.
Рисунок 11: Кривые температурного подъёма и тока насыщения, характеристики индуктивности-частоты и импеданса-частоты для VSHB0421-4R7MC
3 - Заключение
С ростом интеграции и сложности электронных изделий, электромагнитная среда, в которой они работают, также сталкивается с серьезными вызовами. Чтобы помочь электронным устройствам решать проблемы ЭМП/ЭМС, компания Codaca разработала различные серии стандартизированных дроссели синфазных помех для сигнальных линий , дроссель общего режима для силовой линии с , дросселей синфазных помех, ферритовые бусины , и различных мagnetically shielded power inductors . Инженеры могут выбрать подходящие стандартизированные дроссели синфазных помех, дифференциальные дроссели или силовые катушки индуктивности от Codaca в зависимости от конкретных требований их конструкции силовой цепи.