TME-FLUKE-get-gift-2024-Apr16-Apr30_MEweb

Samsung-Passive-MLCC-2024-Apr7-May7-MEweb

DigiKey-Amphenol-Max-M12-Conn-2024-Apr-MEweb

Arrow-ADI-Increase the Efficiency-18-April-2024

AC/DC átalakítók optimalizálása EMC követelményekre

Megjelent: 2022. március 21.

A váltakozóáram-, egyenáram-átalakítók (AC/DC konverterek) optimalizálása elengedhetetlen ahhoz, hogy megfeleljenek az elektromágneses összeférhetőségi követelmények széles körének.

A váltakozó áram-, egyenáram-átalakítós tápegységek tervezőire folyamatos nyomás nehezedik a piaci versenyben, hogy csökkentsék az árat, a tervezési időt és a méretet, egyúttal javítsák a hatásfokot, és a tervezett tápegységek megfeleljenek az általános elektromágneses összeférhetőségi (EMC) követelményeknek. Emellett a tápegységeknek a bemeneti váltakozó feszültségek (és olykor egyenfeszültségek) széles tartományában meg kell tartaniuk a hatásfokukat és teljesítményüket is, tág hőmérséklet-tartományok között kell működniük, és kimeneti rövidzár- és túláramvédelemmel kell védeniük a készülékek és a felhasználók biztonságát.
A rugalmas, több felhasználási területre alkalmas tápegységek tervezése időigényes és idegölő feladat, amely különleges felkészültséget igényel. Ezeknek a követelményeknek a teljesítése még azoknál is jelentősen megnövelheti a piacra kerülési időt, akik rendelkeznek ezzel a felkészültséggel. Bár a piacon beszerezhetők készen kapható, adott teljesítményjellemzőkkel rendelkező modulok, ha a követelmények megváltoznak, a tervezőknek más modul után kell nézniük. Ennek a problémának a megoldására a tervezők használhatnak kártyára szerelt váltakozó áram-, egyenáram-átalakítókat, amelyek megfelelnek a jogszabályi előírásoknak, valamint a méretre és a teljesítményre vonatkozó főbb elvárásoknak, és egyben megkönnyítik a változó követelményekhez való alkalmazkodást, nagyfokú testreszabhatóságot téve lehetővé. Ez a cikk a kis teljesítményű eszközök tápegységeinek tervezésével kapcsolatos problémákat járja körül. Ezután bemutatja a Mornsun cég néhány kis méretű váltakozó áram-, egyenáram-átalakítóját, valamint azt, hogy milyen egyszerűen lehet azokat testre szabni, hogy megfeleljenek a különböző felhasználási területekre. Ismerteti, hogy ezen optimalizálások révén hogyan alakíthatnak ki a tervezők a költségeket minimálisra csökkentő, a hatásfokot maximálisra növelő és a lehető legkisebb méretű, többféle felhasználásra alkalmas váltakozó áram- és egyenáram-átalakítókat, amelyek mindegyike szavatolja a használók és a készülékek biztonságát, és adott szintű elektromágneses összeférhetőséget kínál.

A kis teljesítményű tápegységek tervezési követelményei

Az elektromágneses összeférhetőségre (EMC) vonatkozó követelmények – mind az elektromágneses zajkibocsátást (EMI), mind az elektromágneses védettséget (EMS) illetően – az egyes háztartási készülékeken alkalmazott minimális mértékű szűréstől az olyan ipari rendszerekig és kültéri helyszínekig terjednek, amelyeknek meg kell felelniük a CISPR32/EN55032 B osztálynak, az EMI (zajkibocsátás) és az IEC/EN61000 szabvány szerinti 4. szintnek az EMS (védettség) tekintetében (1. táblázat). Ezenkívül ezeknek a váltakozó áram-, egyenáram-átalakítóknak meg kell felelniük a hatásfokra vonatkozó szabványok 6. szintjének, tág hőmérsékleti tartományban kell működniük, rendelkezniük kell kimeneti rövidzár- és túláramvédelemmel, valamint kis méretűeknek és alacsony költségűeknek kell lenniük.

1. táblázat A Mornsun váltakozó áram-, egyenáram-átalakítói (AC–DC-átalakítói) külső alkatrészekkel kiegészítve testre szabhatók, hogy megfeleljenek a különféle felhasználási területekre vonatkozó elektromágneses zajkibocsátási és védettségi követelményeknek (táblázat: Mornsun)

Miközben mindegyik felhasználási terület esetében szükség lehet olyan tápegység tervezésére vagy kiválasztására, amely megfelel az adott terület speciális követelményeinek, ezt meg kell fizetni tervezési időben, költségben és leltárkészletben. Ennél költség- és erőforrás-takarékosabb megoldás egy olyan szabványos tápegységmodul használata, amely számos felhasználási terület teljesítménytartományán belül van, és egyszerűen optimalizálható a megcélzott felhasználási terület követelményeihez.

Testreszabás több felhasználási területre

Ha ezt a megoldást választják a tervezők, kezdetnek használhatják a Mornsun LS-R3 sorozatú, kártyára szerelt váltakozó áram-, egyenáram-átalakítóit, amelyek számos elektromágneses zajkibocsátásra és elektromágneses védettségre vonatkozó követelménynek megfelelnek. Az alapszintű alapkártya 3–10 W kimenő teljesítménnyel kapható, a mérete pedig 28 mm × 14,73 mm × 11 mm, 43%-kal kisebb, mint a hasonló teljesítményű átalakítók (1. ábra).

1. ábra Az LS-R3 sorozatú váltakozó áram-, egyenáram-átalakítók nagyon megbízható visszafutásos áramátalakítók, amelyeket úgy terveztek, hogy az elektromágneses zajkibocsátási és elektromágneses védettségi (EMI/EMS) szintek széles körének megfeleljenek (kép: Mornsun)

Az áramátalakító egyszerűen testreszabható, hogy számos elektromágneses zajkibocsátásra és elektromágneses védettségre (EMI/EMS) vonatkozó követelménynek megfeleljen, egészen az elektromágneses zajkibocsátásra vonatkozó CISPR32/EN55032 B osztálynak megfelelő szintig, valamint ±4 kV gyors villamos átmenet (EFT) és ±2 kV feszültséglökés elleni védettséget elérve az IEC/EN61000-4-4 szabvány szerint az elektromágneses védettségre vonatkozó 4. szintig. A tervezők az elektromágneses zajkibocsátás és elektromágneses védettség szintjeinek optimalizálásával olyan, több felhasználási területen használható váltakozó áram-, egyenáram-átalakítókat hozhatnak létre, amelyek minimálisra csökkentik a költségeket és az eszköz méretét.
Az LS-R3 sorozat IEC/EN/UL62368 biztonsági tanúsítással rendelkezik, és megfelel a hatásfokra vonatkozó szabványok 6. szintjének, kimeneti rövidzár- és túláramvédelemmel van ellátva, és tág, –40 ˚C-tól +85 ˚C-ig terjedő hőmérséklet-tartományban használható. A több felhasználási területre történő testreszabás az alapszintű biztosítékkiválasztási és szűrési igényekkel kezdődik. Miközben az LS-R3 sorozat bemeneti feszültségtartománya 85–305 V váltakozó feszültség (vagy 70–430 V egyenfeszültség), a különféle készülékek adott hálózati feszültségről, például 110 V, 230 V vagy 277 V váltakozó feszültségről működnek, ami ennek megfelelő értékű biztosítékok használatát teszi szükségessé (2. táblázat). Az LS05-13B12R3 változathoz például, amelynek a kimenő feszültsége 12 V egyenfeszültség 420 mA áramleadás mellett, 277 V váltakozó áramról működő készülékek esetén használható a Littelfuse cég 36911000000 jelű biztosítéka.

2. táblázat Az LS-R3 sorozat bemenő feszültségtartománya 85–305 V váltakozó feszültség. Annak a villamos hálózatnak megfelelő biztosítékot kell választani hozzá, amelyikről az áramátalakítót használni szeretnék (táblázat: Mornsun)

Amint már szó volt róla, az LS-R3 sorozat a 3 W-os átalakítóktól – mint az LS03-13B03R3, amelynek a kimenő feszültsége 3,3 V egyenfeszültség – a 10 W-os, LS10-13B24R3 típusjelű átalakítóig terjed – amelynek a kimenő feszültsége 24 V egyenfeszültség. Mindhárom – 3, 5 és 10 W-os – teljesítményváltozat 3,3–24 V kimenő egyenfeszültséget szolgáltató változatokban kapható. Az alábbiakban ismertetett tervezési példák az LS05-13BxxR3 sorozat 5 W-os változataira épülnek.
Az alapeszköz a biztosítékkal kezdődik, és ehhez adódik egy tekercselt huzalellenállás – például a Vishay cég 12 Ω-os, 3 W-os, AC03000001209JAC00 jelű terméke –, hogy csökkentse a bekapcsolási túláramot, és nyújtson valamilyen korlátozott áramlökés-védelmet, valamint egy bemeneti kondenzátor – mint a Rubycon cég 450BXW22MEFR12.5X20 jelű, 22 μF-os, 450 V-os alkatrésze – és egy alapszintű kimeneti szűrőkondenzátor – amilyen a Nichicon RS81C271MDN1 jelű, 270 µF, 16 V névleges értékű kondenzátora (2. ábra).

2. ábra A legköltségkímélőbb, alapszintű kialakítású eszköz megfelel az elektromágneses védettségre vonatkozó 3. szintnek, és négy külső alkatrészt (biztosíték – a fekete alkatrész balra; bemeneti kondenzátor – a fekete henger középen; bemeneti ellenállás – a bemeneti kondenzátortól balra; és egy kimeneti szűrőkondenzátor – a fehér henger jobbra) tartalmaz (kép: Mornsun)

Ez az alapszintű kialakítás megfelel ugyan az elektromágneses védettségre vonatkozó 3. szintnek, de az elektromágneses zajkibocsátásra és elektromágneses védettségre vonatkozó komolyabb előírásoknak nem, mivel csak a legköltségkímélőbb, nagyon alapszintű teljesítményigényt kielégítő eszközökbe szánták. A használt biztosítékoktól függően működhet 85–305 V-os váltakozó feszültségről, és leválasztott egyenáramú kimenetet szolgáltat. Ha csak minimális kimeneti szűréssel látják el, nem felel meg az elektromágneses zajkibocsátásra és elektromágneses védettségre vonatkozó legtöbb előírásnak, és viszonylag nagy a kimeneti búgófeszültsége.
Erősebb kimeneti szűrést és kisebb elektromágneses zajkibocsátást megkövetelő eszközök létrehozásához még három alkatrészt lehet hozzáadni az eddigiekhez (3. ábra). Az átalakító primer és szekunder oldala közé kötött „Y” kondenzátor jelentősen csökkenti a zajt és az elektromágneses zajkibocsátást. Megjegyzés: a háztartási berendezésekre vonatkozó IEC/EN60335 szabványnak való megfelelés érdekében szükség lehet egy második „Y” kondenzátor hozzáadására.
Egy π-szűrő használatával jelentősen csökkenthető a kimeneti búgófeszültség. Ez megvalósítható az alapeszközben használt kimeneti kondenzátorhoz egy elektrolitkondenzátort – például a Rubycon cég 35THV47M6.3X8 jelű, 47 μF, 35 V névleges értékű termékét – és egy induktivitást (tekercset) hozzáadva.

3. ábra Ebben a második szintű eszközben hozzáadtunk egy „Y” kondenzátort
(a kék alkatrész) a primer és a szekunder oldal közé kötve, hogy tovább csökkentsük a zajt és az elektromágneses zajkibocsátást, valamint egy π-szűrőt (amely az eredeti fehér kimeneti kondenzátorból és egy hozzáadott elektrolitkondenzátorból – a fekete alkatrész a jobb felső részen – áll) és egy tekercset (induktivitást,a szürke alkatrész az elektrolitkondenzátor alatt), hogy csökkentsük a kimeneti búgófeszültséget (kép: Mornsun)

Az LS-R3 alapszintű nyomtatott áramköri kártyával meg lehet valósítani A és B osztályú elektromágneses zajkibocsátást és 4. szintű elektromágneses védettséget megkövetelő eszközöket is (4. ábra). Ha egy különbségi üzemmódban működő tekercset (induktivitást) helyezünk el a bemeneten, akkor az eszköz megfelel az A osztályú elektromágneses zajkibocsátási követelményeknek.

4. ábra Az A osztályú elektromágneses zajkibocsátás korlátait meg lehet tartani egy különbségi üzemmódú tekercs (induktivitás) – L1, a fekete henger a nyomtatott áramköri lap alján – hozzáadásával. A B osztályú elektromágneses zajkibocsátás elérhető, ha ezenfelül még egy „X” kondenzátorral – CX1, a sárga alkatrész balra középen – egészítjük ki az eddigi alkatrészeket, emellett a 4. szintű elektromágneses védettség pedig úgy, ha hozzáadunk még egy varisztort – MOV1, a kék alkatrész balra fent – a váltakozó áramú bemenethez (kép: Mornsun)

A B osztályú elektromágneses zajkibocsátás korlátainak egy „X” kondenzátor – például a TDK cég B32671Z6104K000 jelű terméke, egy 0,1 μF, 630 V névleges értékű radiális rétegkondenzátor – hozzáadásával lehet megfelelni. A 4. szintű elektromágneses védettség egy varisztor – például a TDK cég B72214S0351K101 jelű fém-oxid varisztora (MOV) – hozzáadásával valósítható meg.
Az 5. ábrán egy olyan teljes áramkör látható, amely megfelel a (CISPR32/EN55032 szerinti) B osztályú elektromágneses zajkibocsátási szintnek, valamint az elektromágneses védettség terén eléri az IEC/EN61000 szerinti, ±4 kV-os gyors villamos átmenet (EFT) és ±2 kV-os feszültséglökés elleni védettséget.

5. ábra Az ábrán egy olyan teljes áramkör rajza látható, amely megfelel a (CISPR32/EN55032 szerinti) B osztályú elektromágneses zajkibocsátási szintnek, valamint az elektromágneses védettség terén eléri az IEC/EN61000 szerinti, ±4 kV-os gyors villamos átmenet (EFT) és ±2 kV-os feszültséglökés elleni védettséget (kép: Mornsun)

Az 5. ábrán a CY2, a korábban említett második „Y” kondenzátor, amelyre a háztartási berendezésekre vonatkozó IEC/EN60335 szabvány előírásainak teljesítéséhez van szükség. Az LDM a különbségi induktivitás (tekercs).

Az áramköri lap elrendezési szempontjai

Miután elkészül az LS-R3 eszközre épülő felhasználásspecifikus terv, ideje megtervezni a nyomtatott áramköri lap elrendezését a rajta lévő külső alkatrészekkel. Az LS-R3 alapszintű áramköri kártya megfelel az IEC/EN61558, az IEC/EN60335 és az IEC/EN/UL62368 szabvány előírásainak, és úgy van kialakítva, hogy bele lehessen dugni a külső eszközöket tartalmazó nyomtatott áramköri lapba.
A külső alkatrészeket tartalmazó nyomtatott áramköri lap kialakításának két kulcsfontosságú szempontja a vezető rézcsíkok helyes méretének és tömegének meghatározása, valamint a biztonsági követelmények teljesítéséhez megkövetelt kúszóáramutak és légrések kellő méretének szükségessége. A rézcsíkok legkisebb szélességét, vastagságát és tömegét az általuk vezetett áram erősségének és a réz megengedett legmagasabb hőmérséklet-emelkedésének függvényében kell kiszámolni. Az IPC 2221A – a nyomtatott áramköri lapok tervezésének általános szabványa – tájékoztatást ad a jól elrendezett nyomtatott áramköri lapok kialakításának követelményeiről, beleértve azt is, hogyan kell kiszámolni a rézzel kapcsolatos adatokat.
A kúszóáramutak és a légrések kiszámításakor az EC 60335-1 vagy az IEC 60950-1 szabványt kell figyelembe venni. A legfeljebb 250 V-os egyfázisú váltakozó feszültségről működő háztartási és egyéb hasonló villamos berendezések esetében az IEC 60335-1, míg az informatikai (IT) berendezések esetében az IEC 60950-1 szabvány az irányadó.
A légrés a két vezető alkatrész közötti legrövidebb távolság a levegőben. Az IEC 60950-1 a szigorúbb szabvány, 4,0 mm légrést követel meg megerősített szigetelés és 150–300 V üzemi feszültség esetén, míg az IEC 60335-1 esetében a követelmény 3,5 mm.
A kúszóáramút a két vezető alkatrész közötti legrövidebb távolság valamilyen szilárd szigetelőanyag felülete mentén. Ebben a tekintetben az IEC 60335-1 a szigorúbb, 8,0 mm kúszóáramutat követel meg megerősített szigetelés és 250–300 V üzemi feszültség esetén, míg az IEC 60950-1 által megkövetelt kúszóáramút mindössze 6,4 mm. Ha az üzemi feszültség 200–250 V, mindkét szabvány 5 mm kúszóáramutat ír elő.

Előre megtervezett nyomtatott áramköri lapok

Esetenként szükség lehet a külső alkatrészek számára tervezett egyedi nyomtatott áramköri lapra, de ha a bedobozolási követelmények nem nagyon szigorúak, arra az esetre a Mornsun kínál előre megtervezett nyomtatott áramköri lapokat is. Az LS05-13BxxR3 sorozatra épülő bemutatott tervezési példákhoz a Mornsun 11 előre megtervezett nyomtatott áramköri lapot kínál: kettőt az alapeszközhöz, hármat a B osztályú elektromágneses zajkibocsátáshoz (EMI) és 3. szintű elektromágneses védettséghez (EMS), továbbá hármat az A osztályú elektromágneses zajkibocsátáshoz és 4. szintű elektromágneses védettséghez, valamint hármat a B osztályú elektromágneses zajkibocsátáshoz és a 4. szintű elektromágneses védettséghez.
Mindegyik külső eszközhöz tervezett nyomtatott áramköri lap elrendezéséhez csatolva vannak az adott nyomtatott áramköri lap mechanikai követelményeinek megfelelő alkatrészek is. Például a fentebb tárgyalt, a 4. szintű elektromágneses védettség és B osztályú elektromágneses zajkibocsátás követelményeit teljesítő LS05-13BxxR3-megoldáshoz a tervezők három előre megtervezett NYÁK-lap-elrendezés (és a hozzájuk való alkatrészek) közül választhatnak:

A legkisebb magasságra optimalizált változat: 48,5 mm hosszú, 32,2 mm széles és 17 mm magas,
a csaknem azonos hossz- és szélességi méretre optimalizált változat: 40,5 mm hosszú, 37,5 mm széles és 23 mm magas,
a legkisebb szélességre optimalizált változat: 55 mm hosszú, 25,3 mm széles és 23 mm magas.