Teljesítményelektronikai ötletek – 68

Egy egyszerű figyelmetlenség is romba döntheti az EMI-védettséget

Az elektromágneses „összeférhetőség” (EMC) a jól tervezett készülék képessége, hogy bizonyos mértékű zavarást el tudjon viselni, ugyanakkor maga se bocsásson ki olyan zavarójeleket, amely már egy másik, jól tervezett készüléket képes megzavarni. „Együttélési szabályként” tehát alapvetően fontos. Az „idill” megzavarásához azonban sokszor egy jelentéktelennek tűnő tervezési hiba is elegendő.

Amint azt sorozatunk 39. cikkében megállapítottuk, egy kis értékű parazita kapacitás (100 femtoFarad) a kapcsolt pont és a bemeneti vezetékek között képes megakadályozni az elektromágneses zavarkibocsátásra (Electro Magnetic Interference – EMI) vonatkozó követelmények teljesülését. De hogy is néz ki egy100 fF-os kapacitás? Valószínű, hogy ilyet nem akart eddig vásárolni egy elektronikai alkatrész-kereskedőtől. Az ilyen kapacitásnak – lévén parazitahatás eredménye – rendkívül széles a tűréstartománya. Ha kereskedőnél nem is, az általunk tervezett tápegységekben elég könnyen találhatunk 100 fF-os – parazita – kapacitásokat. Vegyük észre, hogy – amennyiben EMI-szempontból megfelelő tápegységre van szükségünk – ezekkel is foglalkoznunk kell.
Az 1. ábrán példát láthatunk az ilyen akaratlanul „beépített” kapacitásokra.
A kép jobb oldalán egy, a NyÁK-ra merőlegesen beépített kapcsolófet látható, ehhez tartozik a kapcsolt csomópont. Ettől felfelé egy vágóáramkör alkatrészei helyezkednek el. A bemeneti csatlakozás a kép bal oldalán lép be, és kb. 1 cm-nyi vezeték köti össze a kapcsolófet nyelő (drain) kivezetésével.
Ez a problematikus pont, ahol a feten mérhető jel – az EMI-szűrő megkerülésével – a bemenetre tud csatolódni. Látható, hogy van egy bizonyos árnyékolás a drainkivezetés és a bemeneti vezeték között, amit a bemeneti kondenzátor biztosít. A kondenzátor fémháza az elsődleges földelési pontra csatlakozik, és ezzel utat nyit a közös módusú áramoknak, hogy a földpont felé záródhassanak.
Ez a parányi – akaratlanul is jelen levő – kapacitás elegendő ahhoz, hogy a tápegység EMI-sugárzása meghaladja a specifikációban megadott maximumot, amint az a 2. ábrán látható. Ez egy érdekes diagram, mivel több dolgot is mutat:

• a kisebb frekvenciájú zavarójel kibocsátást, amely nyilvánvalóan túllépi a specifikált maximumot,

• az 1 és 2 MHz közé eső összetevőket, ahol rendszerint magától értetődő a közös módusú problémák jelentkezése, és végül

• a csökkenő amplitúdójú, sin(x)/x burkológörbéjű nagyobb frekvenciájú összetevőket.

1. ábra A kapcsolt csomópont és a bemeneti csatlakozópont közelsége rontja az EMI-tulajdonságokat

2. ábra A parazita nyelőelektróda-kapacitás a specifikált határértéket meghaladó EMI-kibocsátást okoz

További munka szükséges tehát ahhoz, hogy a zavarkibocsátást a specifikált érték alá vigyük. A zavaró kapacitás csökkentése érdekében használjuk ki a kapacitást meghatározó egyenletben rejlő lehetőséget:

Semmit sem tudunk tenni a dielektromos állandóval (permittivitás – ?), sőt a fegyverzetek területével (A) sem, mivel ez utóbbit már korábban minimalizáltuk. Megváltoztathatjuk viszont a fegyverzetek közti távolságot (d). Amint az a 3. ábrán látható, háromszorosára növeltük a bemenetet és a kapcsoló alkatrészeit elválasztó távolságot. Végül pedig egy nagyobb földelt fóliafelülettel további árnyékoló hatást építettünk be az áramkörbe. 

3. ábra A felülvizsgált NyÁK-elrendezés megnöveli a távolságot, és árnyékolást is biztosít

Erőfeszítéseink eredményét a 4. ábra mutatja. A legkényesebb ponton 6 dB-es tartalékot értünk el az EMI-specifikációhoz képest. Ráadásul jelentősen csökkentettük a teljes elektromágneses zavarkibocsátást. Mindezt úgy értük el – pusztán az elrendezés megváltoztatásával –, hogy az áramkört magát nem változtattuk meg. Megjegyezzük, hogy nagy kapcsolófeszültségű áramkörök tervezésénél különös gondossággal kell eljárnunk, és az árnyékolási távolság helyes megválasztásával tartsuk ellenőrzésünk alatt a nehézségeket okozó paramétereket.

4. ábra Az EMI-kibocsátás árnyékolással és megnövelt alkatrésztávolsággal csökkenthető

Összefoglalás

A kapcsolt pont és a bemenet között akár 100 fF kapacitás is elegendő ahhoz, hogy egy offline tápegységen a specifikációt meghaladó elektromágneses zavarkibocsátást okozzon. Ekkora kapacitást pusztán a NyÁK-vezetőcsíkok is képezhetnek, ha a kapcsolófet nyelőelektródája közel van a bemeneti csatlakozópontokhoz. A probléma tehát gyakran a távolság megnövelésével és árnyékoló NyÁK-felület betervezésével megoldható. Ha további csökkentésre lenne szükség, további szűrésre vagy az áramköri hullámformák lassítására is szükség lehet.

Sorozatunk következő cikkében egy többkimenetes kapcsolóüzemű tápegység visszacsatoló feszültségosztójának súlyozási kérdéseivel foglalkozunk.

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat részei: