Teljesítményelektronikai ötletek – 39.

Ma 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 dB_μV (200 μV) értékben limitálja 50 Ω forrásimpedancián, 1 MHz-es frekvenciával mérve. Ez 4 μA-es megengedhető áramot jelent. Ha a konverter 200 V_pp 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 V_RMS 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.

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 V_RMS 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.

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: