magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 65 resz

Környezetünk tele van elektromágneses zavarforrásként működő kapcsolóüzemű tápegységekkel. A tervezőmérnök feladata az elektromágneses zavarsugárzás (EMI) csökkentése, amely megfelelő tervezési és eszközráfordításokkal érhető el. Robert sorozatának e havi cikke arra keres választ, hogyan valósíthatjuk ezt meg költségkímélő módon.

 

 

Minden termék esetében létezik egy egyensúly a költségek és a teljesítőképesség között, amire a tervezőnek törekednie kell. Tipikus példája ennek a mobiltelefon hálózati adaptere. Olyan EMI-szűrőt kell terveznünk, amelynek minimális az alkatrészköltsége, miközben a végtermék teljesíti a szigorú EMI kibocsátási követelményeket.
Az 1. ábrán egy példa látható az adapter EMI szűrője és teljesítményfokozata megoldására. Amint azt sorozatunk 46. és 47. részében már bemutattuk, a közös módusú áramokat azok a nagyfeszültségű hullámok okozzák, amelyek a szórt kapacitásokon keresztül jutnak ki a készülékből. Ezeket a kapacitásokat egyrészt könnyű elképzelni, mint a transzformátor primer és szekunder tekercse közötti kapacitást (C_Stray2), de nem ilyen könnyű elképzelni a transzformátor magja és a földelt alaplemez közötti kapacitásként, amelyet az 1. ábrán a C_Stray1 reprezentál. Ezek a közös módusú áramok mindenképpen a földelés felé folynak, akár szándékosan létrehozott fizikai csatlakozáson, akár a kapacitív csatoláson keresztül. Mivel az áram útja a bemenetre kapcsolt generátoron keresztül záródik, ez az áram végső soron azt eredményezheti, hogy a termék megbukik az EMI minősítési vizsgálaton.

1abra

1. ábra Az L1 közös módusú szűrőinduktivitás kis teljesítményeknél nem feltétlenül szükséges


A közös módusú zavarsugárzás csökkentésének tipikus módja az, hogy a transzformátoron folyó áram útját az 1. ábrán látható C1 kondenzátorral zárjuk, és az L1 induktivitás beépítésével korlátozzuk a bemenet felé folyó áramot. A problémát az jelenti, hogy a közös módusú induktivitás növeli a készülék méretét és anyagköltségét, amely különösen az olyan kis teljesítményű tömegtermékeknél nem kívánatos, mint egy mobiltelefon-tápegység.
A továbbiakban egy valódi tervezési folyamatot mutatunk be, amelyben lépésről lépésre javítottuk az EMI-szűrés megoldását annak érdekében, hogy kiküszöböljük a közös módusú induktivitást. A 2. ábra mutatja annak az első két EMI-alapmérésnek az eredményét, amelyen megjelenítettük a CISPR B-kategória határértékét is. A mérést az L1 induktivitás és a C1 közös módusú kapacitás eltávolítása után végeztük.

2abra

2. ábra A 4700 pF értékű C1 kondenzátor jelentősen javítja a zavarsugárzási tulajdonságokat

 

Az eredmény 30 dBµV értékkel haladja meg a specifikált maximumot, amelynek oka a C_Stray1 szórt kapacitáson átfolyó közös módusú áram. Ez az áram átjut a szekunder körbe, és a szórt kapacitáson keresztül a földelt alaplemez felé záródik. Amint az a diagramból is látható, 4700 pF-os C1 értéket választva a határértéket az előbb még 30 dBµV értékkel meghaladó zavarsugárzás jelentősen csökken. Ez a javulás abból származik, hogy a közös módusú áram nagy része a hozzáadott C1 kondenzátoron át záródik. A C1 beépítése egyben megváltoztatja a zavarsugárzás csúcsértékének frekvenciáját is. Ennek az emissziónak a forrása az, hogy a transzformátor induktivitása a MOSFET nyelőelektródáján rezonanciát ad a szórt kapacitások összesített értékével. Ha a C1 áramköre nyitott és nincs szekunderoldali földcsatlakozás, jelentős impedancia kapcsolódik sorba a C_Stray2 szórt kapacitással, emiatt az nem növeli meg jelentősen a nyelőelektródán mérhető szórt kapacitást. Az áramkörbe a C1-et beiktatva viszont a C_Stray2 hozzáadódik a teljes szórt kapacitáshoz, amely csökkenti a rezonanciafrekvenciát.
Ám az áramkör az emisszióvizsgálaton még a C1 beépítésével is megbukik. Ennek legnagyobb részt a C_Stray1 az oka, amely kapacitív csatolást létesít a földlemez felé bármivel, ami közvetlenül vagy kapacitív úton a MOSFET nyelőelektródájára csatolódik. Ez a NyÁK-huzalozás, a csillapítóáramkör alkatrészei, a transzformátor tekercselés kapacitásait, sőt, még a transzformátornak a nyelőelektródát kapacitíven terhelő vasmagjának hatását is magába foglalja.

3abra

3. ábra A T1 csillapítása csökkenti a nyelőelektródán a feszültséglengést és ezzel a zavarsugárzást


A továbbiakban a zavarjelforrás intenzitását csökkentjük az áramkörünkben. A 3. ábra két feszültség időfüggvényét mutatja a Q1 nyelőelektródáján. A viszonyítási alap a nagyobb lengést mutató idődiagram, és ehhez képest a kisebb lengésű jel mutatja a transzformátor szekunder tekercsére csatlakoztatott csillapító-áramkörrel kiegészített kapcsolás viselkedését (1. ábra). Az időtartománybeli vizsgálat alapján a zavarsugárzás egyértelműen csökkent. A 4. ábra mutatja a mért emissziót, amely nagyjából 6 dB-lel csökkent, és a zavarspektrum csúcsértéke a kisebb frekvenciák felé tolódott el. A további csillapítás további emisszió-csökkenést eredményez, viszont ettől fogva már a tápegység hatásfokára gyakorolt befolyással is számolnunk kell.
A transzformátor árnyékolása ugyancsak kedvező hatású. Az ötlet lényege, hogy árnyékolást helyezünk a nagyfeszültségű primer tekercs és a szekunder oldalra kapcsolt áramkörök közé, és az árnyékolást vagy a visszavezetéssel, vagy a primer tekercs felső oldalával kapcsoljuk össze. Ez megakadályozza, hogy közös módusú áram folyhasson a szekunder tekercsbe és onnan az alaplemezbe. Az árnyékolás megvalósítása utáni mérésünk szerint az áramkör már teljesíti a zavarsugárzásra vonatkozó követelményeket, és további 6 dB-es javulást érünk el.

4abra

4. ábra A Q1 nyelőelektródájának csökkentett feszültséglengése tovább csökkenti az elektromágneses zavarsugárzást

Összegzés

A közös módusú zavarokat azok a nagyfeszültségű hullámok okozzák, amelyek kapacitív úton csatolódnak a földelt alaplemezre, és áramútjuk a bemeneti hálózati tápcsatlakozó áramkörén át záródik. A zavarsugárzás magától értetődő módja a kapcsolófeszültség maximumának csökkentése, az áramút eltérítése árnyékolással vagy kondenzátorral és/vagy soros impedancia hozzáadásával. A cikkben az első két megoldást alkalmaztuk annak demonstrálására, hogyan lehet egy kis teljesítményű hálózati adaptert megvalósítani úgy, hogy közös módusú induktivitás nélkül teljesítse a zavarsugárzásra vonatkozó követelményeket.
Ezúton mondunk köszönetet a GCi Technologies vállalatnak, hogy a projektet számos transzformátorváltozat elkészítésével támogatta, amelyek végül is lehetővé tették számunkra, hogy áramkörünk megfeleljen az EMI-követelményeknek.
A sorozat következő cikkében szinkron egyenirányítót keresünk nem folytonos üzemű flyback tápegységekhez.

Kövesse a TI Power Lab Notes blogot (www.ti.com/powerlab082013-ca), amely tervezői szempontból foglalkozik a tápegység-megoldásokkal.


Robert Kollman
 – Texas Instruments

www.ti.com/power-ca és www.ti.com/powerhouse-ca

 

A cikksorozat korábbi részei:

1. rész

2. rész

3. rész

4. rész

5. rész

6. rész

7. rész

8. rész

9. rész

10. rész

11. rész

12. rész

13. rész

14. rész

15. rész

16. rész

17. rész

18. rész

19. rész

20. rész

21. rész

22. rész

23. rész

24. rész

25. rész

26. rész

27. rész

28. rész

29. rész

30. rész

31. rész

32. rész

33. rész

34. rész

35. rész

36. rész

37. rész

38. rész

39. rész

40. rész

41. rész

42. rész

43. rész 

44. rész

45. rész

46. rész

47. rész

48. rész

49. rész

50. rész

51. rész

52. rész

53. rész

54. rész

55. rész

56. rész

57. rész

58. rész

59. rész

60. rész

61. rész

 62. rész  63. rész  64. rész  

A szerző

robert_kollmanRobert Kollman, a Texas Instruments műszaki állományának kiemelt tagja, vezető alkalmazástechnikai mérnök. Több mint 30 év tapasztalattal rendelkezik a teljesítményelektronikában és egy ideig induktív alkatrészeket tervezett az 1 W alattitól a csaknem 1 MW-ig terjedő teljesítménytartományú elektronikus áramkörökhöz, egészen a megahertzes kapcsolási frekvenciákig. Robert Kollman a Texas A&M Egyetemen BSEEdiplomát, majd a Déli Metodista Egyetemen Master-fokozatot (MSEE) szerzett. A cikksorozattal kapcsolatban a powertips@list.ti.com címen érhető el.