Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Analiza przewodzonych zakłóceń elektromagnetycznych: współbieżne i różnicowe

ghost666 21 Jun 2022 14:19 759 0
e-mierniki
  • Zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) z przetwornic impulsowych dzielą się na emisje promieniowane i przewodzone. W poniższym artykule skupiono się na tych drugich, które można podzielić na dwie kategorie: szum współbieżny (CM) i różnicowy (DM).

    Skąd rozróżnienie CM-DM? Techniki ograniczania zakłóceń EMI, które są skuteczne w przypadku szumu współbieżnego, niekoniecznie będą miarodajne w kwestii różnicowego i odwrotnie. Toteż identyfikacja źródła zakłóceń przewodzonych może zaoszczędzić czas i pieniądze na ich tłumienie. W artykule przedstawiono praktyczną metodę rozdzielania CM i DM z całkowitej emisji przewodzonej dla stabilizatora impulsowego, opartego na sterowniku LTC7818. Wiedza o miejscu występowania szumu CM i DM w widmie zakłóceń elektromagnetycznych umożliwia projektantom zasilaczy efektywne stosowanie technik tłumienia EMI, co w dłuższej perspektywie oszczędza czas podczas projektowania i koszty w zakresie zestawienia komponentów.

    Analiza przewodzonych zakłóceń elektromagnetycznych: współbieżne i różnicowe
    Rys.1. Ścieżka szumu CM i DM w przetwornicy o topologii buck.


    Rysunek 1 przedstawia ścieżki CM i DM dla typowej przetwornicy o topologii buck. Szum różnicowy jest wytwarzany między linią zasilającą a powrotną. Podczas gdy współbieżny jest generowany między liniami zasilającymi a płaszczyzną uziemienia (np. miedzianym stołem testowym w trakcie określania zgodności z normami emisji EMI) za pośrednictwem pojemności rozproszonej CSTRAY. Układ do pomiaru jest umieszczony pomiędzy zasilaczem a przetwornicą buck. On sam, jednakże nie może być użyty do bezpośredniego pomiaru CM i DM. Gdyż weryfikuje jedynie szum linii zasilającej i powrotnej — odpowiednio V1 i V2 widoczne na rysunku 1. Napięcia te są mierzone na rezystorach 50 Ω. Z definicji szumu CM i DM przedstawionej na rysunku 1, V1 i V2 można wyrazić odpowiednio jako sumę i różnicę napięcia CM (VCM) i DM (VDM). To pozwala na obliczenie VCM ze średniej napięć V1 i V2, a VDM jako połowę różnicy między V1 i V2.

    Pomiar szumu CM i DM

    Sumator mocy typu T to pasywne urządzenie, które łączy dwa sygnały wejściowe w jednym wyjściu portu. Sumator 0° tworzy sumę wektorów sygnałów wejściowych na porcie wyjściowym, a 180° wytwarza wektorową różnicę. Dlatego też 0° może być używany do produkowania VCM, a 180° do generowania VDM.

    Dwa sumatory: ZFSC-2-1W+ (0°) oraz ZFSCJ-2-1+ (180°) z Mini-Circuits, pokazane na rysunku 2, zostały wykorzystane do określenia VCM i VDM w zakresie częstotliwości od 1 MHz do 108 MHz. W przypadku tych urządzeń błąd pomiaru wzrasta dla wartości poniżej 1 MHz. Do weryfikacji niższych częstotliwości należy użyć innych sumatorów, takich jak ZMSC-2-1+ (0°) i ZMSCJ-2-2 (180°).

    Analiza przewodzonych zakłóceń elektromagnetycznych: współbieżne i różnicowe
    Rys.2. Sumatory 0° i 180°.


    Analiza przewodzonych zakłóceń elektromagnetycznych: współbieżne i różnicowe
    Rys.3. Konfiguracja układu do pomiaru (a) VCM i (b) VDM.


    Analiza przewodzonych zakłóceń elektromagnetycznych: współbieżne i różnicowe
    Rys.4. Układ testowy do pomiaru szumu CM i DM.


    Schemat konfiguracji symulacji pokazano na rysunku 3. Sumator mocy jest dodawany do standardowej konfiguracji testu zakłóceń elektromagnetycznych. Wyjścia układu pomiarowego (LISN) dla linii zasilającej i powrotnej są podłączone odpowiednio do portu wejściowego 1 i 2 sumatora. Dla 0° napięcie wyjściowe wynosi: VS_CM = V1 + V2, podczas gdy dla 180° jest to: VS_DM = V1 - V2.

    Sygnały wyjściowe sumatorów VS_CM i VS_DM muszą zostać przetworzone w odbiorniku testowym w celu wytworzenia VCM i VDM. Po pierwsze, sumatory mocy mają pewne, określone straty, które muszą być kompensowane w odbiorniku. Po drugie, ponieważ: VCM = 0,5 VS_CM i: VDM = 0,5 VS_DM, odbiornik testowy odejmuje dodatkowe 6 dBµV od odebranego sygnału. Po skompensowaniu tych dwóch czynników zmierzone CM i DM są w nim odczytywane.

    Eksperymentalna weryfikacja pomiarów szumu współbieżnego i różnicowego

    Do zbadania opisanej powyżej metody używana jest standardowa płytka demonstracyjna z podwójną przetwornicą typu buck. Częstotliwość przełączania wynosi 2,2 MHz, napięcie wejściowe (VIN) to 12 V, podczas gdy dwa wyjściowe (VOUT1 i VOUT2) stanowią odpowiednio 3,3 V oraz 5 V. Prąd wyjściowy dla obu wyjść ustawiono z pomocą obciążeń na 10 A. Rysunek 4 uwidacznia konfigurację testu w komorze EMI.

    Ilustracje 5 oraz 6 obrazują wyniki. Na wykresie 5 wyższa krzywa EMI prezentuje całkowite napięcie zakłóceń, zmierzone przy standardowej konfiguracji zgodnej z normą CISPR 25. Podczas gdy niższa krzywa emisji przedstawia oddzielony CM, weryfikowany przez dodanie sumatora 0°. Na rysunku 6 wyższa krzywa ukazuje całkowitą emisję współbieżną, w czasie gdy dolna obrazuje wydzielony DM, mierzony przez dodanie sumatora 180°. Wyniki tych testów są zgodne z analizą teoretyczną, sugerując, że szum różnicowy dominuje w niższym zakresie częstotliwości, a współbieżny w wyższym.

    Analiza przewodzonych zakłóceń elektromagnetycznych: współbieżne i różnicowe
    Rys.5. Zmierzony CM w funkcji szumu całkowitego.


    Analiza przewodzonych zakłóceń elektromagnetycznych: współbieżne i różnicowe
    Rys.6. Zmierzony DM w funkcji szumu całkowitego.


    Dostosowana tablica demonstracyjna przechodzi CISPR 25, klasa 5

    Zgodnie z rezultatem całkowita emisja szumu przekracza limit wyznaczany przez normę CISPR 25 Class 5 w zakresie od 30 MHz do 108 MHz. Po oddzieleniu pomiarów CM i DM wydaje się, że wysokie zakłócenia przewodzone w danym ujęciu są spowodowane szumem współbieżnym. Nie ma sensu dodawać lub ulepszać filtra zakłóceń różnicowych bądź w inny sposób niwelować tętnienia wejściowego, ponieważ te techniki nie zmniejszyłyby problematycznego CM w tym zakresie.

    Dlatego na płytce demonstracyjnej zaimplementowano metody adresujące konkretnie szum współbieżny. Jednym ze źródeł zakłóceń tego rodzaju są sygnały o wysokim dV/dt w obwodzie przełączającym. Zmniejszenie nachylenia dV/dt poprzez zwiększenie rezystancji bramki może zredukować poziom szumu współbieżnego. Jak wcześniej wspomniano, CM przechodzi przez układ LISN przez rozproszoną pojemność CSTRAY. Im ona mniejsza, tym niższy będzie CM mierzony poprzez LISN. Aby ograniczyć pojemność CSTRAY, obszar miedziany węzła przełącznika redukuje się na płytce demonstracyjnej. Ponadto na wejściu przetwornika dodawany jest filtr EMI, aby uzyskać wysoką impedancję dla zakłóceń CM, zmniejszając w ten sposób poziom szumu współbieżnego docierającego do układu pomiarowego. Wdrażając te metody, szum o częstotliwości w zakresie od 30 MHz do 108 MHz jest wystarczająco zredukowany, aby zapewnić zgodność z wymaganiami normy CISPR 25 klasa 5, jak pokazano na rysunku 7.

    Analiza przewodzonych zakłóceń elektromagnetycznych: współbieżne i różnicowe
    Rys.7. Całkowity szum układu po wprowadzeniu do niego poprawek minimalizujących zakłócenia przewodzone.


    Podsumowanie

    W artykule przedstawiono praktyczny sposób pomiaru i oddzielenia szumu współbieżnego i różnicowego od całkowitej emisji przewodzonej, zweryfikowany na podstawie wyników badań.

    Jeśli projektant może rozdzielić CM i DM, możliwe jest wdrożenie specjalnych rozwiązań ukierunkowanych na każdy rodzaj tych zakłóceń, aby skutecznie tłumić EMI w układzie. Ogólnie rzecz biorąc, opisana metoda pomaga szybko znaleźć podstawową przyczynę powstawania zakłóceń EMI, oszczędzając czas przy projektowaniu spełniającego normy emisji urządzenia.

    Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/separating-common-mode-and-differential-mode-emissions-in-conducted-emissions-testing.html

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11099 posts with rating 9415, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • e-mierniki