MIL-SPEC COTS DC-DC 컨버터용 EMC 입력 필터

DC-DC 컨버터의 스위칭 동작으로 인해 열악한 공통 모드 및 차동 모드 잡음이 발생하여 스펙트럼의 여러 지점에서 허용할 수 없는 간섭이 발생할 수 있습니다. 프런트 엔드(또는 전력선) 필터는 전자기 간섭(EMI)을 줄이기 위해 DC-DC 변환기 앞에 사용되도록 설계되었습니다. 이러한 사용자 정의 가능하거나 쉽게 사용할 수 있는 프런트 엔드 필터는 SMPS(스위치 모드 전원 공급 장치) 또는 FCC, ETSI, CISPR, MIL-SPEC 등 DC-DC 컨버터 공급업체의 전자기 호환성(EMC) 규제 표준을 준수하도록 설계할 수 있습니다. 등.

이러한 기성품 프런트엔드 필터는 전력 변환 장비의 전자기적 특성을 기반으로 맞춤 제작되었습니다. 그러나 군사 장비의 요구 사항을 충족하려면 기타 전기적(예: 전압 스파이크, 리플), 기계적(예: 진동, 충격) 및 환경적(예: 높은 고도) 설계 제한 사항도 고려해야 합니다. 이 기사에서는 프런트 엔드 필터의 설계 고려 사항과 군용 장비 DC 전원 모듈의 테스트 요구 사항에 대해 설명합니다.

프런트엔드 필터란 무엇입니까?

이 입력 필터의 설계는 전자기 호환성(EMC) 표준 및 목표를 충족하는 데 중요합니다. 프런트 엔드 또는 입력 필터는 다양한 목적으로 사용됩니다.

전원 공급 장치의 첫 번째 단계에 들어갈 수 있는 노이즈 및 스파이크를 억제합니다.

기본 주파수(예: 스위칭 주파수) 및 고조파의 방출 잡음을 줄입니다.

전자 장치에서 스위치 모드 전원 공급 장치의 사용은 점점 보편화되고 있으며, 풍부한 스펙트럼 콘텐츠는 물리적 접촉을 통해 회로의 다른 부분으로 전송되고 근처의 민감한 회로를 방해할 수 있습니다. 스위칭 속도가 증가함에 따라 잡음은 점점 더 심각한 문제가 되고 있으며, 특히 빠른 스위칭 트랜지스터가 전류 흐름을 방해할 때(전압 스파이크 및 고주파 잡음 발생) 더욱 중요해집니다. 이러한 전류 중단은 강압 컨버터의 입력, 승압 컨버터의 출력, 플라이백 및 강압 컨버터의 입력 및 출력에서 ​​찾을 수 있습니다.

다양한 전압 조정기의 노이즈 소스

DC/DC 벅 컨버터의 입력 단자에는 빠른 개폐를 위한 빠른 스위칭 장치가 있어 커패시터의 간헐 전류의 날카로운 상승 및 하강 에지(높은 di/dt)가 발생합니다. 이로 인해 기본 주파수와 여러 고조파(일반적으로 낮은 차수의 고조파)가 표준을 충족하지 못하게 됩니다. CCM(연속 전도 모드)에서 작동하는 부스트 컨버터는 다이오드의 빠른 역회복이 필요하기 때문에 출력에서 ​​EMI를 경험하게 됩니다. 전력 손실을 크게 줄이기는 하지만 전류 변화(di/dt)가 더 공격적이어서 EMI가 증가합니다. 불연속 전도 모드(DCM)에서는 주 전류 리플이 더 큽니다. 잔물결은 공통 접촉하는 도체를 통해 시스템의 다른 부분으로 전송되는 변화하는 신호를 생성합니다.

EMI: 방사선 및 전도 방출

일반적으로 전도 방출은 30MHz 미만의 주파수와 관련이 있는 반면, 복사 방출은 일반적으로 30MHz 이상의 주파수 범위(보통 50~300MHz)에 속합니다. 그러나 전도 방출과 복사 방출 사이에는 여전히 중복이 있습니다. 스위칭 전원 공급 장치에서 전압 서지(높은 dV/dt)는 일반적으로 방사 노이즈의 원인입니다. 앞서 언급한 것처럼 전도 EMI는 일반적으로 간헐적인 전류(높은 di/dt)에서 발생하며 공통 모드(CM) 및 차동 모드(DM) 잡음으로 분해될 수 있습니다.

차동 및 공통 모드 잡음

DM 전류는 일반적으로 di/dt에 의해 지배되며 전력선과 회로 사이에 흐릅니다. DM 노이즈는 낮은 주파수를 지배합니다. 일반적으로 회로를 근본적으로 변경하지 않고 di/dt의 동작을 변경하는 것은 어렵습니다. 수동 저역 통과 EMI 필터(예: RC 댐퍼, LC, Pi 섹션, T 섹션 등)를 사용하여 간헐 전류로 인한 진동을 억제함으로써 di/dt를 줄일 수 있습니다.

CM 전류는 일반적으로 dV/dt의 함수이며 각 전력선과 접지 사이에 흐릅니다. CM 전류가 긴 도체나 케이블에 결합되면 케이블이 안테나 역할을 하여 고주파수에서 CM 잡음이 더욱 두드러지게 됩니다. 케이블 길이와 도체 사이의 거리, 기준 접지면에 따라 사고 회로의 루프 영역이 매우 클 수 있습니다. 효과적인 레이아웃 설계는 도체를 기준 접지면에 더 가깝게 이동하고, 안전 커패시터를 조심스럽게 배치하고, 연결된 케이블 번들을 차폐하거나 CM 전류 경로에 CM 유도 코일을 배치하는 등 CM을 크게 억제할 수 있습니다. CM 인덕터 코일은 또한 고임피던스 직렬 연결 경로를 제공하여 CM 전류가 Y 커패시터를 통해 컨버터 밖으로 흘러 EMI 접지를 위한 션트 경로를 형성할 수 있도록 합니다.

DM과 CM은 모두 EMI에 영향을 미치며, EMI 필터를 설계하기 전에 업계 EMC 표준을 준수하기 위해 DM과 CM의 잡음 구성 요소를 정량화해야 하는 경우가 많습니다. 입력 EMI는 일반적으로 DUT(Device Under Test) 입력의 LISN(Line Impedance Stable Network)과 스펙트럼 분석기를 사용하여 정량화됩니다.

프런트 엔드 필터에 대한 설계 고려 사항

일반적으로 수동 EMI 필터링은 잡음 억제를 위한 가장 일반적인 방법입니다. 그러나 필터가 SMPS의 다양한 부하 임피던스와 다양한 잡음 소스로 종료되는 경우 이는 어려울 수 있습니다. 이러한 필터는 일반적으로 저항기, 커패시터 및 인덕터의 다양한 배열입니다. 기본 구성 요소와 처음 몇 개의 고조파는 가장 큰 크기를 가지며 전체 잡음에 가장 큰 영향을 미치는 반면, 고차 고조파의 진폭은 주파수가 증가함에 따라 점차 감소합니다. 이러한 잡음 성분을 억제하는 필터의 능력은 주파수가 증가함에 따라 증가하므로 기본 주파수와 저차 고조파에서 잡음을 줄이는 것은 중요한 설계 과제입니다.

일반적으로 대형 수동 필터는 저주파 방출을 줄일 수 있습니다. 그러나 기생 특성(예: 커패시터의 등가 직렬 저항 및 인덕턴스, 인덕터의 병렬 정전 용량)으로 인해 고주파수 방출에는 추가적인 설계 고려 사항이 필요할 수 있습니다. 다른 EMI 필터링 기술에는 일반적으로 능동 구성 요소가 포함됩니다. 한 가지 기술은 주파수 영역에서 발견되는 기본 및 저차 고조파의 피크를 줄이기 위해 확산 스펙트럼 또는 지터를 사용하여 전원 공급 장치의 스위칭 주파수를 변조하는 것입니다. 궁극적으로 채택되는 기술은 SMPS의 고유한 잡음 특성은 물론 설계 비용, 크기 및 규제 제한에 따라 달라집니다.

EMC 규제 표준을 준수하는 것 외에도 EMI 필터에는 부하에서 SMPS 입력 전원 공급 장치로 반사되는 고전류 과도 현상을 억제하는 기능도 포함될 수 있습니다. 각 SMPS의 예측된 과도 특성은 다양하므로 일반적으로 스파이크를 완전히 억제하려면 맞춤형 설계가 필요합니다. 이는 의심할 여지 없이 MIL-SPEC 전력 전자 장치에 대한 추가적인 설계 고려 사항입니다. 군용 장비에는 제조업체가 전력 전자 장치를 기본부터 신중하게 설계해야 하는 다양한 전기, 기계 및 환경 설계 고려 사항이 있습니다. 즉, 재료 검사 및 전기, 기계 및 가혹한 환경 성능 요구 사항을 충족해야 합니다.

전원 공급 장치에 대한 공통 군사 표준

MIL-STD-461은 EMI의 올바른 측정을 안내하기 위해 전기 장비에 대한 전도 및 방사선 방출 제한을 설정합니다. SMPS가 이러한 제한을 초과하는 경우(종종 그렇습니다), "사양으로 되돌리기" 위해 EMI 필터가 필요합니다. 그러나 기성 EMI 필터를 선택한다고 해서 전원 공급 장치가 갑자기 표준 요구 사항을 충족하는 것은 아닙니다. EMI 필터를 입력에 연결하면 여전히 구성 요소에 오류가 발생할 정도로 장치의 소음이 매우 클 수 있습니다. MIL-STD-461의 다양한 요구 사항과 설명은 표 1에서 확인할 수 있습니다. MIL-STD-461을 준수하는 전자 장치에는 일반적으로 특정 CE, CS 및 RE 요구 사항을 충족하는 자세한 정보가 나열되어 있습니다.

EMI는 전자 장치의 정확성, 신뢰성 및 안전성에 대한 유일한 고려 사항이 아닙니다. 또한 전원 공급 장치는 역극성, 전압 스파이크, 전압 스파이크 등 다양한 전압 조건에서도 작동할 수 있어야 합니다. MIL-STD-1275E 표준은 28V 전력 공급 시스템의 입력에 적용할 테스트 조건과 장비의 예상 성능 매개변수를 제공합니다. 이러한 시스템은 군용 지상 차량, 민간용 오프로드 차량, 군용 및 민간 중장비에 사용될 것으로 예상됩니다.

항공기 전기 특성에 대한 MIL-STD 704F 및 항공 장비에 대한 DO-160G와 같은 기타 군사 표준에서는 다양한 전압 조건을 완전히 시뮬레이션하기 위한 환경 조건 및 테스트 절차를 지정합니다. MIL-STD-810 표준에는 기계적 충격, 진동 및 높은 고도를 경험하는 장비에 대한 테스트 조건 및 요구 사항이 포함되어 있습니다. 이는 열악한 환경에서 공급 장치의 수명과 신뢰성을 보장하기 위해 필요한 고려 사항일 수도 있습니다. 군용 차량 및 항공 시스템에서 작동하는 전원 공급 장치는 MIL-STD-1275E/MIL-STD 704F, MIL-STD-461 및 MIL-STD-810의 모든 측면을 충족해야 사용하기에 적합한 것으로 간주될 수 있습니다. P-Duke는 이러한 모든 사양 요구 사항을 충족하기 위해 선택된 DC/DC 변환기와 일치할 수 있는 다양한 MCF 군용 표준 프런트 엔드 필터를 제공합니다.

P-DUKE MCF 시리즈

MCF 시리즈는 MIL-STD-461G 표준의 전도 방출, 전도 감지 및 복사 방출 요구 사항, 다양한 군사 표준의 서지/스파이크 요구 사항 및 MIL의 높이/충격/진동 요구 사항을 준수하기 위한 EMI 필터링 및 과도 보호 기능을 제공합니다. -STD-810(표 2).

MCF 필터를 단순화하고 군용 시스템에 통합할 수 있습니다.

EMI 필터는 전원 공급 장치가 표준을 충족하는지 확인하기 위해 단순히 무작위로 선택할 수 없으며 이러한 필터를 설계하는 프로세스는 높은 비반복 엔지니어링 비용(NRE)으로 인해 매우 복잡할 수 있습니다. 이는 군용 차량 및 항공기의 온보드 하위 시스템이 24V 배터리 또는 28V 발전기로 구동되는 군용 장비의 경우 특히 그렇습니다. 이는 여러 측면에서 엄격한 요구 사항을 갖습니다. COTS 장비 및 맞춤형 솔루션은 실현 가능하지 않을 수 있습니다. P-DUKE는 EMC 및 서지 억제에 대한 군사 요구 사항을 충족하기 위해 관련 MCF 프런트 엔드 필터와 쌍을 이루는 15W~250W 범위의 DC-DC 컨버터를 제공합니다.