magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 7 reszSok előnye miatt a kapcsolóüzemű tápegységeket ma már nem nélkülözhetjük. Azonban szembe kell néznünk egy hátrányukkal, az általuk okozott – a lineáris tápegységekénél összehasonlíthatatlanul nagyobb – elektromágneses interferenciával (EMI). Ennek minimalizálására ad ötleteket a cikksorozat alábbi fejezete.

.


 

Ha nem tudod megszüntetni az EMI-t, kend szét!

 

Előfordult már, hogy egy kapcsolóüzemű tápegység EMI-mérése közben bármit csinált a szűréssel, a berendezés néhány dB-lel „kilógott” a specifikációból? Nos, ismertetünk egy módszert, ami segíthet teljesíteni az EMI-követelményeket, vagy azzal egyszerűsítheti a szűrőtervezést, hogy csökkenti a szűrővel szembeni elvárásokat. Ennek a módszernek az a lényege, hogy moduláljuk a kapcsolófrekvenciát annak érdekében, hogy a fix kapcsolási frekvenciájú változatok által kibocsátott keskenysávú zavarójel-energiát az oldalsávokba kényszerítjük, amelynek következtében a harmonikusok csúcsértékei jelentősen lecsökkennek. Ne feledkezzünk meg arról, hogy ettől a teljes elektromágneses zavaróenergia mennyisége nem csökken, csupán másképp oszlik el a frekvenciatartományban.

 

Szinuszos moduláció esetén két változó paramétert választhatunk szabadon: a moduláló frekvenciát (fm) és azt, hogy milyen mértékben térjen el a tápegység kapcsolási frekvenciája a középértéktől (Δf). A modulációs index (ß) ezek arányával számítható:

 

texas-powertips_7_egyenlet

 

Az 1.a ábra azt mutatja, hogy szinuszos jelalak esetén hogyan hat a modulációs index megválasztása a jel frekvenciaspektrumára. ß =0 esetén nincs frekvenciamoduláció, és a spektrum egyetlen vonal a kapcsolási frekvenciánál. ß =1 esetén a frekvenciaspektrum kiszélesedik, és a közepes frekvencia 20%-kal csökken. Ha ß=2, a spektrum tovább szélesedik, és a legnagyobb amplitúdójú frekvenciakomponens már csak 60%-a az eredeti, modulálatlan esetben mérhetőnek.  


texas-powertips_7_abra_1

1. ábra A tápegység kapcsolási frekvenciájának modulálása „szétteríti“ az elektromágneses zavar spektrumát

 

A frekvenciamoduláció elmélete lehetővé teszi, hogy számszerűen fejezhessük ki az energia frekvencia szerinti eloszlását. A Carson-szabály azt az eredményt adja, hogy az energia túlnyomó része a 2×(Δf + fm) sávba esik. Az 1.b. ábra még nagyobb modulációs indexek esetén mutatja a közepes frekvenciájú komponens amplitúdójának változását, és a diagramból az olvasható ki, hogy az elektromágneses interferencia akár 12 dB-lel is csökkenthető.

A moduláló frekvencia és a frekvencialöket megválasztása gondos megfontolást igényel. Először is, a moduláló frekvenciának nagyobbnak kell lennie az EMI-mérővevő sávszélességénél, így a vevőkészülék nem képes egyszerre mérni a két oldalsávot. Ha viszont túl nagy frekvenciát választunk, előfordulhat, hogy a tápegységben megvalósított szabályozóhurok nem lesz képes megfelelően követni a változásokat, amelynek az lehet a következménye, hogy a kimenőfeszültség a frekvenciamoduláció ütemében változik. Ráadásul a moduláció hatása a tápegységben hallható akusztikus zajt is eredményezhet. Ezek szerint tehát a moduláló frekvenciát érdemes úgy megválasztani, hogy ne legyen sokkal több a vevő sávszélességénél, de kívül essen a hallható hangok tartományán. Nyilvánvalóan az 1.b. ábrából az a következtetés vonható le, hogy a működési frekvencia jelentős megváltozása kedvezően hat az EMI-spektrum képére. Viszont fontos észrevenni, hogy ennek jelentős kihatásai vannak a tápegység tervezésére. Nevezetesen a mágneses alkatrészeket a legalacsonyabb frekvenciához kell megválasztani, és a kimeneti kondenzátornak is nagyobb váltakozó áramú komponenseket kell kezelnie az átlagosan alacsonyabb frekvenciájú működés miatt.

A 2. ábra az EMI-teljesítményt hasonlítja össze a frekvenciamodulációval és anélkül. A modulált esetben a modulációs index 4, és amint az várható, az EMI-csillapítás 8 dB nagyságrendű a közepes frekvencián. De más fontos szempontokat is figyelembe kell vennünk. A harmonikusok frekvenciasávokká „kenődnek szét” a fokszámuktól függő szélességben. Például a 3. harmonikus háromszor olyan széles sávra oszlik szét, mint az alapharmonikus. Ez megismétlődik a magasabb harmonikus frekvenciákon, amelynek eredményeképpen a zajszint jelentősen megnövekszik a fix frekvenciájú megoldáshoz képest. Következésképpen ez a módszer nem használható kis zajú rendszereknél. Ezzel szemben viszont sok rendszer tervezője előnyt kovácsolhat ebből a megoldásból azzal, hogy könnyebben teljesíti a specifikációs követelményeket, és csökkenti az EMI-szűrő költségeit.

 

texas-powertips_7_abra_2

2. ábra A váltakozó kapcsolási frekvencia csökkenti a zavarjel alapharmonikusának amplitúdóját, de növeli a zajt

 

Köszönet illeti John Rice és Mike Segall kollégáimat a Texas Instrumentsnél, hogy a tárgyban szerzett tapasztalataikat megosztották velem. Kérem, kövessék a következő lapszámra tervezett folytatásunkat, amelyben az alkatrészek felmelegedésével foglalkozunk.

IRODALOM

[1] “Reduction of Power Supply EMI Emissions by Switching Frequency Modulation,” Feng and Chen, IEEE Transactions on Power Electronics, 1994.
[2] “EMI Filter Design, SEM1500, Topic 1”:

http://focus.ti.com/docs/training/catalog/events/event.jhtml?sku=SEM403002

 

www.power.ti.com
http://www.ti.com/ww/hu/cikkek-szakirodalom.html

 

 

A cikksorozat korábbi részei:

 

1. rész

2. rész

3. rész

4. rész

5. rész

6. 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.