Teljesítményelektronikai ötletek (65. rész) – Csökkentsük költséghatékonyan egy hálózati tápegység zavarsugárzását

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.

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.

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.

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.

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

 {article 1903}[text]{/article}