مرشح إدخال MIL-SPEC COTS EMC لمحولات DC-DC

قد يتسبب إجراء التبديل لمحولات DC-DC في ضعف الوضع العام وضوضاء الوضع التفاضلي، مما يؤدي إلى تداخل غير مقبول في العديد من النقاط في الطيف. تم تصميم مرشحات الواجهة الأمامية (أو خط الطاقة) لاستخدامها قبل محولات DC-DC لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI). يمكن تصميم هذه المرشحات الأمامية القابلة للتخصيص أو المتوفرة بسهولة لتتوافق مع المعايير التنظيمية للتوافق الكهرومغناطيسي (EMC) مع موردي مصادر الطاقة في وضع التبديل (SMPS) أو محولات DC-DC، مثل FCC، وETSI، وCISPR، وMIL-SPEC، إلخ.

يتم تخصيص هذه المرشحات الأمامية الجاهزة بناءً على الخصائص الكهرومغناطيسية لمعدات تحويل الطاقة. ومع ذلك، يجب أيضًا مراعاة قيود التصميم الكهربائية الأخرى (مثل ارتفاع الجهد والتموج) والميكانيكية (مثل الاهتزاز والصدمات) والبيئية (مثل الارتفاعات العالية) لتلبية احتياجات المعدات العسكرية. تتناول هذه المقالة اعتبارات التصميم للمرشحات الأمامية ومتطلبات الاختبار لوحدات طاقة التيار المستمر للمعدات العسكرية.

ما هو مرشح الواجهة الأمامية؟

يعد تصميم مرشح الإدخال هذا أمرًا بالغ الأهمية لتلبية معايير وأهداف التوافق الكهرومغناطيسي (EMC). تُستخدم مرشحات الواجهة الأمامية أو مرشحات الإدخال لأغراض مختلفة:

قمع الضوضاء والمسامير التي قد تدخل المرحلة الأولى من مصدر الطاقة

تقليل ضوضاء انبعاث التردد الأساسي (أي تردد التبديل) وتوافقياته

أصبح استخدام مصادر الطاقة في وضع التبديل في الأجهزة الإلكترونية شائعًا بشكل متزايد، مع محتوى طيفي غني يمكن نقله إلى أجزاء أخرى من الدائرة من خلال الاتصال الجسدي والتداخل مع الدوائر الحساسة القريبة. مع زيادة سرعة التبديل، تصبح الضوضاء مشكلة ذات أهمية متزايدة، خاصة عندما تسبب ترانزستورات التبديل السريع انقطاعًا في تدفق التيار (مما يؤدي إلى ارتفاع الجهد وضوضاء عالية التردد). يمكن العثور على هذه الانقطاعات الحالية عند مدخلات محول الخطوة إلى الأسفل، وإخراج محول الخطوة إلى الأعلى، بالإضافة إلى مدخلات ومخرجات محولات flyback وstep-down.

مصادر الضوضاء لمنظمات الجهد المختلفة

تحتوي محطة الإدخال الخاصة بمحول باك DC/DC على أجهزة تبديل سريعة للفتح والإغلاق السريع، مما يؤدي إلى ارتفاع وهبوط حاد في الحواف (ارتفاع di/dt) للتيار المتقطع على المكثف. سيؤدي هذا إلى عدم تلبية التردد الأساسي والعديد من التوافقيات (عادةً التوافقيات ذات الترتيب الأدنى) للمعايير. سوف يواجه محول التعزيز الذي يعمل في وضع التوصيل المستمر (CCM) EMI عند مخرجاته بسبب الحاجة إلى الاسترداد العكسي السريع للصمام الثنائي. على الرغم من أنه يقلل بشكل كبير من فقدان الطاقة، إلا أن التغيير الحالي (di/dt) يكون أكثر قوة، مما يؤدي إلى زيادة التداخل الكهرومغناطيسي. في وضع التوصيل المتقطع (DCM)، يكون تموج التيار الرئيسي أكبر. ستقوم التموجات بإنشاء إشارة متغيرة يتم إرسالها إلى أجزاء أخرى من النظام من خلال الموصلات ذات الاتصال المشترك.

EMI: الإشعاع والانبعاثات الموصلة

عادة، ترتبط الانبعاثات المنفذة بترددات أقل من 30 ميجا هرتز، في حين تقع الانبعاثات المشعة عادة ضمن نطاق الترددات فوق 30 ميجا هرتز (عادة من 50 إلى 300 ميجا هرتز). ومع ذلك، لا يزال هناك تداخل بين انبعاث التوصيل والإشعاع. عند تبديل مصادر الطاقة، عادةً ما تكون زيادات الجهد (dV/dt عالية) هي مصدر الضوضاء المشعة. كما ذكرنا سابقًا، تنشأ EMI التي يتم إجراؤها عادةً من تيارات متقطعة (عالية di / dt) ويمكن أن تتحلل إلى ضوضاء الوضع المشترك (CM) والوضع التفاضلي (DM).

ضجيج الوضع التفاضلي والمشترك

عادة ما يهيمن di/dt على تيار DM وسيتدفق بين خط الطاقة والدائرة؛ تهيمن ضوضاء DM على الترددات المنخفضة. عادة ما يكون من الصعب تغيير سلوك di/dt دون تغيير الدائرة بشكل أساسي. باستخدام مرشحات EMI منخفضة المرور السلبية (مثل مخمدات RC، LC، أقسام Pi، أقسام T، إلخ) لقمع التذبذبات الناجمة عن التيارات المتقطعة، يمكن تقليل di/dt.

عادةً ما يكون تيار CM دالة لـ dV/dt وسوف يتدفق بين كل خط كهرباء والأرض. عندما يقترن تيار CM بموصل أو كابل طويل، يمكن للكابل أن يعمل كهوائي، مما يجعل ضوضاء CM أكثر وضوحًا عند الترددات العالية. استنادًا إلى طول الكابل والمسافة بين الموصلات، بالإضافة إلى المستوى الأرضي المرجعي، قد تكون مساحة حلقة الدائرة العرضية كبيرة جدًا. يمكن لتصميم التخطيط الفعال أن يمنع CM بشكل كبير، مثل تحريك الموصلات بالقرب من المستوى الأرضي المرجعي، أو نشر مكثفات الأمان بعناية، أو حماية حزم الكابلات المتصلة، أو وضع ملفات CM الحثية في مسار CM الحالي. يوفر ملف مغو CM أيضًا مسار اتصال سلسلة مقاومة عالية، مما يسمح لتيار CM بالتدفق خارج المحول عبر المكثف Y لتشكيل مسار تحويل لأرض EMI.

سيساهم كل من DM وCM في EMI، وغالبًا ما يكون من الضروري قياس مكونات الضوضاء في DM وCM للامتثال لمعايير الصناعة EMC قبل تصميم مرشحات EMI. عادةً ما يتم قياس كمية EMI للإدخال باستخدام شبكة مستقرة لمقاومة الخط (LISN) عند إدخال الجهاز قيد الاختبار (DUT) ومحلل الطيف.

اعتبارات التصميم للمرشحات الأمامية

عادةً ما تكون تصفية EMI السلبية هي الطريقة الأكثر شيوعًا لقمع الضوضاء؛ ومع ذلك، قد يكون هذا صعبًا عندما ينتهي المرشح بممانعات حمل مختلفة ومصادر ضوضاء مختلفة لـ SMPS. عادة ما تكون هذه المرشحات عبارة عن ترتيبات مختلفة من المقاومات والمكثفات والمحاثات. تتمتع المكونات الأساسية والتوافقيات القليلة الأولى بأكبر قدر وستقدم أكبر مساهمة في الضوضاء الإجمالية، في حين أن سعة التوافقيات ذات الترتيب الأعلى سوف تتناقص تدريجيًا مع زيادة التردد. وتزداد أيضًا قدرة المرشحات على قمع مكونات الضوضاء هذه مع زيادة التردد، وبالتالي، فإن تقليل الضوضاء عند التردد الأساسي والتوافقيات ذات الترتيب المنخفض يمثل تحديًا بارزًا في التصميم.

عادة، يمكن للمرشحات السلبية الكبيرة أن تقلل من انبعاثات التردد المنخفض؛ ومع ذلك، نظرًا لخصائصه الطفيلية (مثل مقاومة السلسلة المكافئة وتحريض المكثفات، فضلاً عن السعة المتوازية للمحرِّضات)، قد يتطلب الانبعاث عالي التردد اعتبارات تصميم إضافية. تتضمن تقنيات ترشيح EMI الأخرى عادةً مكونات نشطة: إحدى التقنيات هي استخدام الطيف المنتشر أو الارتعاش لتعديل تردد التحويل لمصدر الطاقة، من أجل تقليل ذروة التوافقيات الأساسية والمنخفضة الترتيب الموجودة في مجال التردد. في نهاية المطاف، تعتمد التكنولوجيا المعتمدة على خصائص الضوضاء الفريدة لـ SMPS، بالإضافة إلى تكاليف التصميم والحجم والقيود التنظيمية.

بالإضافة إلى الامتثال للمعايير التنظيمية EMC، يمكن أن تشتمل مرشحات EMI أيضًا على القدرة على منع انتقال التيار العالي المنعكس من الحمل إلى مصدر طاقة إدخال SMPS. ستختلف الخصائص العابرة المتوقعة لكل SMPS، لذلك عادةً ما تكون التصميمات المخصصة مطلوبة لقمع الارتفاعات بشكل كامل. يعد هذا بلا شك أحد اعتبارات التصميم الإضافية لأجهزة الطاقة الإلكترونية MIL-SPEC. سيكون للمعدات العسكرية مجموعة من اعتبارات التصميم الكهربائية والميكانيكية والبيئية التي ستتطلب من الشركات المصنعة تصميم أجهزة الطاقة الإلكترونية بعناية من الأساسيات - يجب أن تستوفي متطلبات فحص المواد ومتطلبات الأداء الكهربائية والميكانيكية والبيئية القاسية.

المعايير العسكرية المشتركة لإمدادات الطاقة

يحدد MIL-STD-461 حدود التوصيل وانبعاث الإشعاع للمعدات الكهربائية لتوجيه القياس الصحيح للتداخل الكهرومغناطيسي. إذا تجاوز SMPS هذه الحدود - وهو ما يحدث غالبًا - فسوف يتطلب الأمر مرشح EMI "لإعادته إلى المواصفات". ومع ذلك، فإن اختيار أي مرشح EMI جاهز لا يؤدي بالضرورة إلى تلبية مصدر الطاقة للمتطلبات القياسية فجأة؛ قد يكون الجهاز صاخبًا للغاية، إلى الحد الذي يؤدي فيه توصيل أي مرشح EMI إلى الإدخال إلى فشل المكون. يمكن العثور على المتطلبات والأوصاف المختلفة لـ MIL-STD-461 في الجدول 1. عادةً ما تدرج الأجهزة الإلكترونية المتوافقة مع MIL-STD-461 معلومات تفصيلية تلبي متطلبات CE وCS وRE المحددة.

EMI ليس هو الاعتبار الوحيد لصحة الأجهزة الإلكترونية وموثوقيتها وسلامتها. يجب أن يكون مزود الطاقة أيضًا قادرًا على العمل في ظل ظروف الجهد المختلفة، بما في ذلك القطبية العكسية، وارتفاع الجهد، وارتفاع الجهد. يوفر معيار MIL-STD-1275E شروط الاختبار التي سيتم تطبيقها على مدخلات نظام إمداد الطاقة الكهربائية بجهد 28 فولت، بالإضافة إلى معلمات الأداء المتوقعة للمعدات. ومن المتوقع أن يتم استخدام هذه الأنظمة للمركبات البرية العسكرية، والمركبات المدنية للطرق الوعرة، والمعدات الثقيلة العسكرية والمدنية.

ستحدد المعايير العسكرية الأخرى، مثل MIL-STD 704F للخصائص الكهربائية للطائرات وDO-160G للمعدات المحمولة جواً، الظروف البيئية وإجراءات الاختبار لمحاكاة ظروف الجهد المختلفة بشكل كامل. يتضمن معيار MIL-STD-810 شروط ومتطلبات الاختبار للمعدات التي ستتعرض لتأثيرات ميكانيكية واهتزازات وارتفاعات عالية. قد يكون هذا أيضًا أحد الاعتبارات الضرورية لضمان طول عمر وموثوقية العرض في البيئات القاسية. قد يحتاج مصدر الطاقة الذي يعمل في المركبات العسكرية والأنظمة الجوية إلى تلبية جميع جوانب MIL-STD-1275E/MIL-STD 704F وMIL-STD-461 وMIL-STD-810 حتى يعتبر مناسبًا للاستخدام. تقدم P-Duke مجموعة من المرشحات الأمامية القياسية العسكرية MCF والتي يمكن مطابقتها مع محولات DC/DC مختارة لتلبية جميع متطلبات المواصفات هذه.

سلسلة P-DUKE MCF

توفر سلسلة MCF تصفية EMI وحماية عابرة للتوافق مع متطلبات الانبعاثات والاستشعار والانبعاثات المشعة لمعيار MIL-STD-461G ومتطلبات الاندفاع/الارتفاع في العديد من المعايير العسكرية ومتطلبات الارتفاع/التأثير/الاهتزاز في MIL -STD-810 (الجدول 2).

يمكن تبسيط مرشحات MCF ودمجها في الأنظمة العسكرية

لا يمكن اختيار مرشحات EMI بشكل عشوائي للتأكد من أن مصدر الطاقة يلبي المعايير، ويمكن أن تكون عملية تصميم هذه المرشحات معقدة للغاية، مع تكاليف هندسية عالية غير متكررة (NRE). وينطبق هذا بشكل خاص على المعدات العسكرية، حيث يتم تشغيل الأنظمة الفرعية الموجودة على متن المركبات العسكرية والطائرات بواسطة بطاريات 24 فولت أو مولدات 28 فولت، والتي لها متطلبات صارمة لجوانب متعددة. قد لا تكون معدات COTS والحلول المخصصة مجدية. توفر P-DUKE محولات DC-DC تتراوح من 15 وات إلى 250 وات، مقترنة بمرشحات الواجهة الأمامية MCF ذات الصلة، لتلبية المتطلبات العسكرية لـ EMC ومنع زيادة التيار.