magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 39 reszMa már a legtöbb elektronikai eszközt kapcsolóüzemű tápegységek látják el tápfeszültségekkel. Mivel azonban ezek a tápegységek nemcsak egyenfeszültséget, hanem tetemes – és széles frekvenciasávot lefedő – elektromágneses zavarójelet is termelnek, számos készülék működése „áll vagy bukik” azon, mennyire sikerült ezt a zajt „kordában tartani”. Az egyik lehetséges zajforrást, a közös módusú áramok hatását elemzi sorozata újabb folytatásában a szerző. 

 

Közös módusú áramok szigeteletlen tápegységekben

Fordult-e már elő, hogy elvetette azt a lehetőséget, hogy egy szigeteletlen tápegység közös módusú áramai az elektromágneses interferencia (EMI) potenciális forrásai lehetnek? Nagyfeszültségű tápegységekben (olyanokban például, amilyeneket a ledes fényforrásokban használnak), rá fog jönni, hogy ezt nem teheti meg. Ránézésre ezek nem is különböznek a szigetelt tápegységektől. A földelt pont és a kapcsolt pontok közötti szórt kapacitások közös módusú áramokat generálnak. 

Az 1. ábra egy olyan feszültségcsökkentő, ledvilágitási tápegységet mutat, amelynél a  tápegységben folyó közös módusú áramok fő okozója a parazita kapacitás. Ez a kapacitás a földelt pont és az elektronikus kapcsoló kapcsolt pontja között mérhető. Meglepő, hogy milyen kicsi tud lenni ez a kapacitásérték, és mégis problémát okoz. A háztartási berendezésekre vonatkozó CISPR Class B szabvány a vezetett zavarkibocsátás mértékét 46 dBμV (200 μV) értékben limitálja 50 Ω forrásimpedancián, 1 MHz-es frekvenciával mérve. Ez 4 μA-es megengedhető áramot jelent. Ha a konverter 200 Vpp csúcsfeszültségű négyszögjelet kapcsol 100 kHz-es frekvenciával a Q2 MOS-tranzisztor nyelőelektródáján, az alapharmonikusnak nagyjából 120 V a csúcsértéke. Mivel a harmonikusok amplitúdója a frekvenciával fordítottan arányos, ez az érték 1  MHz-en 9 VRMS effektív értékű. Ebből kiszámítható, hogy a kapcsolóponttól a földelés felé a megengedhető kapacitás (az 1. ábrán C_Stray1) legfeljebb 0,1 pF (vagy 100 fF, amely 2 MΩ impedanciát képvisel 1 MHz-en). Ekkora kapacitás pedig nagyon is elképzelhető az adott pontok között. Az áramkör többi része és a földpont között is mérhető valamekkora kapacitás, amelyen át a közös módusú áramok áramköre záródik. Ezt a kapacitást az 1. ábrán C_Stray2-vel jelöltük.

 

Texas PowerTips39 Fig1

1. ábra A vizsgált tápegység a szórt kapacitások megjelölésével


Egy ledes világtástechnikai alkalmazásban nincs testpont (földelt készülékváz vagy más hordozó), csak a fázis- és a nullavezeték áll rendelkezésre, ezért a közös módusú EMI-szűrés problémát okoz. Ennek az oka az, hogy az áramkör nagy impedanciát képvisel. Helyettesítő képe egy 9 VRMS feszültségű feszültségforrás, amely – amint a 2. ábrán látható – sorba kapcsolódik egy 2 MΩ-os kapacitív reaktanciával. Nincs reális lehetőség további impedanciát adni az áramkörhöz, amellyel csökkenteni lehetne az áramot. Ha az 1 MHz-en mérhető zavarkibocsátást csökkenteni akarjuk, akkor vagy a feszültséget, vagy a szórt kapacitást kell csökkentenünk. A feszültség kétféle módon csökkenthető: a kapcsolási frekvencia változtatásával annak érdekében, hogy szétszórjuk a spektrumot (dithering), vagy a felfutási idő szabályozásával. A dithering-módszer részleteit az [1] irodalomban is megtalálja. A felfutási idő szabályozása lassítja a tápegység kapcsolóelemének kapcsolási sebességét. Ez korlátozza a spektrum nagyfrekvenciás tartományát, és jobban megfelel az EMI-követelményeknek 10 MHz felett. A kapcsolt pont szórt kapacitásának csökkentése a NyÁK-mintázat megfelelő alakításával vagy árnyékolással valósítható meg. Az a kapacitás, amely a kapcsolt pont és az egyenirányított hálózati feszültség vezetékeinek valamelyike között nem okoz közös módusú áramot, ezért a vezetéket „eltemethetjük” a többrétegű NyÁK rétegei közé, amely jelentősen csökkenti a nemkívánatos kapacitást. Ezt azonban teljesen mégsem szüntethetjük meg, mivel megmarad a fet nyelőelektródája és az induktivitás közötti kapacitás. A 2. ábrán látható diagram végigvezet az EMI-spektrum számításának lépésein. Az első lépés, hogy meghatározzuk a feszültségjelalak spektrumát (az ábrán pirossal jelölve). Ezt megvalósíthatjuk úgy is, hogy kiszámítjuk a nyelőelektródán mérhető feszültség-hullámalak Fourier-sorának tagjait, vagy még egyszerűbben az alapharmonikus értékét, és közelítéssel meghatározzuk a har­monikusok – alapharmonikushoz viszonyított – relatív értékének burkológörbéjét. Egy további javítást is végeztünk a nagy frekvenciájú tartományban (1/π×felfutási idő), amint az az ábrán 7 MHz felett látható. A következő lépésben ezt a feszültséget osztjuk a szórt kapacitás reaktanciájával (a zavaróáram meghatározásához – A szerk. megj.). Érdekes módon a kibocsátott, kis frekvenciájú zavarjelek spektruma egészen addig állandó, amíg a felfutási idő által meghatározott pólus frekvenciáját át nem lépjük. Végül pedig ábrázoltuk a CISPR Class B szabványban meghatározott korlátozásokat. Ha csak 0,1 pF a szórt kapacitás, és nagyfeszültségű bemenetet dolgozunk fel, a zavarkibocsátás máris a megengedett maximum közelében van.

 

Texas PowerTips39 Fig2

2. ábra Csupán 100 fF kapacitás a kapcsolási pont és a föld között elegendő ahhoz, hogy túllépjük az EMI-korlátozásokat


További EMI-problémák keletkezhetnek nagyobb frekvenciákon az áramköri rezonanciák és a bemeneti kábelezés rezonanciái által okozott zavarsugárzás következtében. A közös módusú szűrés segíthet ezeken a problémákon, mert a C_Stray2 szórt kapacitás jelentős kapacitásértéket képviselhet. Ha például ennek értéke 20 pF, az impedanciája 5 MHz-en 2 kΩ-nál kisebb. Elegendően nagy impedanciájú, közös módusú induktivitásokat is beépíthetünk az áramkörbe, amely egy 50 Ω-os vizsgáló-ellenállással együtt csökkenti a mért emisszióértéket. Ez nagy frekvenciákon is igaz.
Összegezve: nagyfeszültségű, szigeteletlen tápegységeknél a közös módusú áramok a szabvány által meghatározott korlátozásokat meghaladó EMI-kibocsátást okozhatnak. Kétvezetékes csatlakozású áramköröknél (ahol nincs földelt csatlakozási pont), ezeket különösen nehéz kezelni az áramkörben található nagy impedanciák miatt. Ezt a problémát a legjobb a szórt kapacitás minimalizálásával és a kapcsolási frekvencia modulációjával (dithering) kezelni. Nagyobb frekvenciákon, ahol az áramkör többi részének szórt kapacitásának már kicsi az impedanciája, közös módusú induktivitásokkal lehet csökkenteni a sugárzott és vezetett zavarkibocsátást egyaránt.

Következő folytatásunkban a DDR-memóriák tápellátásának sajá­tos problémáival foglalkozunk.

 


IRODALOM

[1]  Teljesítményelektronikai ötletek – 7. 

 

www.ti.com/power-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

 

 

 

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.