תאימות אלקטרומגנטית: שיקולים בעבודה עם ספקי כוח ממותגים (Switching Power Supplies)

7 אוגוסט, 2014

מה הן הדרכים להפחתת הפרעות EMI וסוגי רעש נוספים המופקים על-ידי ספקי כוח ממותגים (Switching Power Supplies). מבוא בסיסי מאת הטכנולוג הראשי (CTO) של חברת CUI

המאמר בוחן את הכללים והתקנות השולטים בבקרה של הפרעות EMI ובסוגי הרעש המופקים על-ידי ספקי כוח ממותגים (Switching Power Supplies), במטרה לסייע בהפחתת הפרעות EMI הנובעות מהם.

מאת: Don Li, מנהל טכני בכיר (CTO) בחברת CUI

מקור ההפרעות בספקי כוח ממותגים

המונח "ספק כוח ממותג" (Switching Power Supplies) הוא מונח גנרי המתאר מקור מתח עם מעגל הממיר מתח ישר (DC) למתח חילופין (AC) שאותו ניתן להמשיך ולעבד למתח ישר אחר. ניתן לסווג את ספקי הכוח הממותגים לשני סוגים: ספקי כוח ממתח חילופין למתח ישר (ac-dc power supplies) שבהן כניסה של מתח חילופין, וממירי מתח ישר למתח ישר (dc-dc converters) שבהם יש  כניסת מתח ישר.

בשני הסוגים משולבת המרה של מתח ישר למתח חילופין לצורך שינוי של מתח. ספקי כוח ממותגים מפיקים הפרעות אלקטרומגנטיות המורכבות מאותות בתדירויות מרובות. ממיר DC-DC, ממיר את מתח הכניסה הישר למתח חילופין, שאותו אפשר להעלות או להוריד באמצעות שנאי.

ספקי מתח חילופין למתח ישר (Ac-dc power supplies ) משתמשים אף הם במעגלי תדר גבוה להמרת מתח.

אולם מתח החילופין הפנימי בשני המקרים אינו גל סינוס טהור, אלא לעתים קרובות הוא גל מרובע שאפשר לייצג אותו על-ידי טור פורייה המורכב מהסכום האלגברי של אותות גלי סינוס רבים עם תדירויות של הרמוניות. אותות אלו בריבוי תדירויות הם מקורות הפליטה בהולכה ובהקרנה אשר עלולים לגרום להפרעות, הן לציוד שבו מותקן ספק הכוח והן לציוד אחר המוצב בסמיכות.

חוקים, תקנות ושיתוף בינלאומי

הספקטרום האלקטרומגנטי משמש כתווך של מערכות תקשורת המבוססות על פליטה מכוונת של שדות אלקטרו-מגנטיים. כדי להגן על הספקטרום האלקטרומגנטי ולהבטיח תאימות של המערכות, נקבעו תקנים המגדירים הפרעות EMI מותרות בהולכה ובהקרנה בסביבת ציוד אלקטרוני.

אחד מהתקנים העיקריים באירופה הוא CISPR 22, שאומץ עלי-ידי רוב החברות בקהילה האירופית. גוף ההסדרה האמריקאי, ה-FCC, מסווג את הציוד האלקטרוני הדיגיטלי לשתי קבוצות: Class A הוא ציוד שמיועד לסביבות מסחריות, תעשייתיות ועסקיות.

Class B הוא ציוד שמיועד לסביבה ביתית. תקני הפליטה מעמידים הגבלות חמורות יותר בפני מוצרים המשתייכים ל- Class B, מפני שסביר יותר שאלו יימצאו בסמיכות להתקנים אלקטרוניים אחרים המשמשים בבית.

תקנות CISPR 22 הותאמו לתקני ועדת FCC, ואפשר להשתמש בהם עם חריגות קלות, לצורך אישור רשמי של ציוד אלקטרוני. ליצירת תיאום כזה, יש צורך להשתמש באותו התקן לפליטת הפרעות בהולכה ולפליטת הפרעות בהקרנה. את המדידות המבוצעות מעל ל-1GHz יש לבצע על-פי הכללים והמגבלות של ועדת FCC מכיוון שכללי CISPR 22 לא מגדירים מגבלות עבור תדירויות אלו. המגבלות המוגדרות עבור פליטת הפרעות בהולכה או בהקרנה בחלק 15 של תקני FCC וב-CISPR 22 נמצאות בהפרש של כמה dB אלו מאלו, על-פני התדירויות שבהגדרה.

בדיקות תאימות EMC ותאימות להפרעות

בדיקות של תאימות EMC ותאימות להפרעות אלקטרומגנטית מבוצעות על-פי תהליכי הבדיקה המוגדרים על ידי תקן ANSI, שאינו כולל מגבלות באשר לפליטה של הפרעות בהולכה או הפרעות בהקרנה שמיוחסות למוצר גנרי או מוצר מסוים. ראוי לציין שהבדיקות מבוצעות על מערכות שלמות ולא רק על מודולי אספקת המתח. גם ספקי כוח חיצוניים שעומדים בתאימות לתקנות כמוצרים עצמאיים צריכים להיבדק ביחד עם המערכת הסופית.

המקורות הבסיסיים של הפרעות EMI/EMC

ניתן לסווג הפרעות EMI להפרעות בתופעות מעבר ולהפרעות רציפות. הפרעות EMI בתופעות מעבר מופיעות כאשר המקור שלהן פולט אות דופק (Pulse) של אנרגיה למשך זמן קצר, ולא אות רציף. המקורות האפשריים כוללים מעגלי מיתוג, פריקה אלקטרוסטטית (ESD), ברקים ונחשולים בקווי אספקת מתח ועוד. הפרעות EMI בתופעות מעבר חוזרות יכולות להיגרם על-ידי מנועים חשמליים, מערכות הצתה של מנועי בנזין ומיתוג רציף במעגלים ספרתיים. את ההפרעות הרציפות אפשר לחלק לפי התדירות: תדירויות בין כמה עשרות הרץ עד 20 קילו הרץ מסווגות כתדר שמע (אודיו), תדרים מעל 20 קילו הרץ נחשבים לתדרי רדיו (RFI).

צימוד הפרעות EMI

צימוד (Coupling) מתרחש דרך הולכה, קרינה או השראה. פליטת הפרעות EMI בהולכה נמדדת עד 30 מגה הרץ. זרמים בתדירויות מתחת ל-5 מגה הרץ מופיעים ברוב המקרים כזרמים הפרשיים, לעומת זרמים מעל 5 מגה הרץ, שהם בדרך-כלל משמשים בחיבור משותף (common mode).

זרם בחיבור הפרשי (differential mode current) הוא הזרם המצופה בזוג חוטים. כלומר הזרם יוצא מקצה החוט בצד המקור וחוזר בצד החוזר של הקו. הרעש נמדד בכל אחד מהקווים ביחס לנקודת הייחוס שנקבעה. זרמים הפרשיים זורמים בין ספק ממותג לבין מקור האספקה שלו או בין ספק ממותג לבין העומס, דרך מוליך ההספק, וזרמים אלו אינם מיוחסים להארקה.

בחיבור משותף (Common mode), זרמים זורמים באותו כיוון דרך מוליכי ההספק, וחוזרים למקור שלהם דרך ההארקה. במקרים רבים ההולכה של רעש בחיבור משותף נוצרת דרך קיבול פרזיטי במעגל, ולעתים דרך הקיבול שבין בית ההתקן להארקה.

צימוד באמצעות קרינה מתרחש כאשר המקור והקולט ("הקורבן") פועלים כאנטנות רדיו. המקור מקרין גל אלקטרומגנטי המתפשט במרחב שבין המקור לקורבן, והוא נקלט על-ידי הקורבן. צימוד השראי (חשמלי או מגנטי) הוא נדיר יותר בהשוואה לצימוד בהולכה או בקרינה, ומתקיים כאשר מפריד מרחק קצר מאוד בין המקור לקולט.

השראה חשמלית מתרחשת כאשר בין שני מוליכים סמוכים קיים שדה חשמלי משתנה, הגורם לשינוי במתח על פני המרווח. השראה מגנטית מתרחשת כאשר בין שני מוליכים מקבילים קיים שדה מגנטי משתנה, המשרה שינוי במתח על-פני המוליך הקולט.

כדי לאפיין את הבעיה של הפרעת EMI יש צורך בהבנה של מקור ההפרעה ושל האות, של נתיב הצימוד אל הקורבן ושל אופי הקורבן, מהבחינה החשמלית ומבחינת חשיבות התקלה. הסיכון הוא בדרך-כלל סטטיסטי באופיו; חלק גדול מהמאמץ המושקע באיפיון האיום ובקביעת התקנים מבוסס על הקטנת ההסתברות לשיבוש. כלומר, הפחתת הפרעת EMI לרמה מתקבלת על הדעת, ולא ביטול מוחלט של הופעתה.

הפרעות EMI בהולכה

כדי לשכך הפרעות המועברות בהולכה, חיוני להתמודד בנפרד עם הרעש ההפרשי ועם הרעש בחיבור המשותף. בדרך-כלל אפשר לדכא רעש הפרשי על-ידי חיבור קבלי מעקף (bypass capacitors) לביטול הצימוד בין קו אספקת המתח לקו החוזר. קווי אספקת המתח ממוקמים בכניסה או ביציאה של ספק הכוח הממותג לכן יש למקם את קבלי המעקף סמוך לחיבורי המקור המפיק את הרעש.

להנחתת זרמים בחיבור משותף בתדירויות הנמוכות (סביב תדירות המיתוג הבסיסית של המקור) דרושים קבלי מעקף בעלי ערך גבוה בהרבה, וקבל קרמי לא יתאים לכך. קבלים קרמיים עד 22 מיקרו פאראד מתאימים לשימוש רק לסינון ביציאות המתח הנמוך של ספקי כוח ממותגים, אך לא בספקים שבהם עלולים להופיע נחשולי מתח של 100 וולט. לכן יש להשתמש בקבלים אלקטרוליטיים בעלי ערכי קיבול ומתח גבוהים יותר.

על-מנת להנחית זרם במצב הפרשי בתדירות המיתוג הבסיסית ובהרמוניות הגבוהות יותר, מסנני הכניסה מורכבים משילוב של קבלים אלקטרוליטיים וקבלים קרמיים. ניתן לקבל דיכוי נוסף של הזרמים באמצעות הוספת משרן (סליל) בטור לקו הזנת המתח הראשי, כדי ליצור מסנן L-C מעביר נמוכים בדרגה יחידה. בחיבור משותף ניתן לדכא ביעילות זרמי הולכה על-ידי חיבור קבלי מעקף בין קווי המתח של ספק הכוח הממותג לבין ההארקה.

אפשר להשיג דיכוי נוסף של זרמים בחיבור משותף על ידי הוספת זוג משרני סליל צמודים המחוברים בטור לכל אחד מקווי אספקת המתח הראשי. העכבה (Impedance) הגבוהה של משרני הסליל בצימוד, מאלצת את הזרמים בחיבור משותף לעבור דרך קבלי ביטול הצימוד.

הפרעות EMI בקרינה

ניתן לדכא הפרעות EMI מוקרנות על-ידי הקטנת העכבה בתדר רדיו (RF) והקטנת שטח לולאת האנטנה. את הקטנת השטח אפשר להשיג על ידי הקטנה עד למינימום של השטח הסגור בלולאה הנוצרת על ידי קו המתח ונתיב קו ההחזרה שלו.

את ההשראות של קווי המוליכים במעגל המודפס (PCB) ניתן להקטין למינימום באמצעות יצירת מוליכים רחבים ככל האפשר במקביל לנתיב ההחזרה שלהם. באופן דומה, מאחר שהעכבה של לולאת מוליך תלויה בשטח הכולל שהיא מקיפה, הקטנת המרחק בין קו אספקת המתח לבין קו ההחזרה תקטין את העכבה שלה. במעגלים מודפסים אפשר להקטין את השטח הזה בצורה הטובה ביותר על-ידי העברת קו אספקת המתח וקו ההחזרה שלו אחד מעל השני, בשכבות סמוכות של המעגל המודפס.

הקטנת שטח הלולאה שבין קו אספקת המתח לבין קו ההחזרה שלו גם מגבילה את היעילות של האנטנה, מפני ששטח הלולאה המוקטן מפיק שדה אלקטרומגנטי קטן יותר. בנוסף, הוספת משטח הארקה במשטחים החיצוניים של המעגל מדכאת משמעותית את הפרעות ה-EMI בהקרנה, במיוחד אם המשטח הזה ממוקם ישירות מתחת למקור המפיק את הרעש.

אפשר גם להשתמש בסיכוך מתכתי כדי להקטין עוד יותר את הרעש המוקרן, על-ידי הצבת מקור הרעש בתוך כלוב עשוי ממוליך מוארק (grounded conductive housing), וחיבורו אל הסביבה החיצונית הנקייה דרך מסנני קו. במקרה כזה, יש צורך לחבר גם את קבלי ביטול צימוד בחיבור משותף בקו חוזר אל ההארקה בבית המוליך.

שיכוך הפרעות EMI ברמת המערכת

למרות שרוב הספקים הממותגים מתוכננים לעמוד בתקני EMI כמודולים עצמאיים, יש לתכנן גם את המערכת שבה הם משולבים להפקת פרופיל EMI מזערי. הדבר כולל הוספת אמצעי שיכוך הפרעות EMI בקווי האותות, במעגלים המודפסים (PCB) וברכיבי הסמיקונדקטור.

סיכום

ספקי כוח ממותגים מפיקים הפרעות EMI כתוצאה מהמבנה הפנימי שלהם. גופי התקינה מגדירים את רמת ההפרעות המותרת בתקנים דוגמת Part 15 של ה-FCC ו-CISPR 22. מודולי הספק הם רכיבים כשאר הרכיבים במערכת, והדרישות לעמידה בתקני הפרעות EMI, בהקרנה ובהולכה חלות על המערכת האלקטרונית כולה. מאחר שדרישות EMI ישימות למערכת כולה, יש להשקיע מאמץ משמעותי בתכנון המערכת על-מנת להגביל את הרעש.

More information:

Ac-Dc Power Supplies

Dc-Dc Converters

www.cui.com

פורסם בקטגוריות: ANALOG , חדשות , ציוד בדיקה , תוכנה ותכנון אלקטרוני

פורסם בתגיות: featured