Bộ lọc đầu vào MIL-SPEC COTS EMC dành cho bộ chuyển đổi DC-DC

Hoạt động chuyển mạch của bộ chuyển đổi DC-DC có thể gây ra nhiễu ở chế độ chung và chế độ vi sai kém, tạo ra nhiễu không thể chấp nhận được ở nhiều điểm trong quang phổ. Bộ lọc mặt trước (hoặc đường dây điện) được thiết kế để sử dụng trước bộ chuyển đổi DC-DC nhằm giảm nhiễu điện từ (EMI). Các bộ lọc giao diện người dùng có sẵn hoặc có thể tùy chỉnh này có thể được thiết kế để tuân thủ các tiêu chuẩn quy định về khả năng tương thích điện từ (EMC) với các nhà cung cấp bộ cấp nguồn chế độ chuyển đổi (SMPS) hoặc bộ chuyển đổi DC-DC, chẳng hạn như FCC, ETSI, CISPR, MIL-SPEC, vân vân.

Các bộ lọc mặt trước làm sẵn này được tùy chỉnh dựa trên đặc tính điện từ của thiết bị chuyển đổi năng lượng. Tuy nhiên, các hạn chế về thiết kế về điện (như điện áp tăng vọt, gợn sóng), cơ học (như rung, sốc) và môi trường (như độ cao) cũng phải được xem xét để đáp ứng nhu cầu của thiết bị quân sự. Bài viết này thảo luận về những cân nhắc trong thiết kế cho các bộ lọc ngoại vi và các yêu cầu thử nghiệm đối với mô-đun nguồn DC của thiết bị quân sự.

Bộ lọc giao diện người dùng là gì?

Thiết kế của bộ lọc đầu vào này rất quan trọng để đáp ứng các tiêu chuẩn và mục tiêu tương thích điện từ (EMC). Bộ lọc giao diện người dùng hoặc đầu vào được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau:

Ngăn chặn tiếng ồn và đột biến có thể xảy ra ở giai đoạn đầu tiên của nguồn điện

Giảm tiếng ồn phát ra của tần số cơ bản (tức là tần số chuyển mạch) và các sóng hài của nó

Việc sử dụng nguồn điện ở chế độ chuyển mạch trong các thiết bị điện tử ngày càng trở nên phổ biến, với nội dung quang phổ phong phú có thể được truyền đến các bộ phận khác của mạch thông qua tiếp xúc vật lý và gây nhiễu cho các mạch nhạy cảm gần đó. Khi tốc độ chuyển mạch tăng lên, nhiễu ngày càng trở thành một vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt khi các bóng bán dẫn chuyển mạch nhanh gây ra sự gián đoạn dòng điện (dẫn đến tăng vọt điện áp và nhiễu tần số cao). Những sự gián đoạn dòng điện này có thể được tìm thấy ở đầu vào của bộ chuyển đổi giảm dần, đầu ra của bộ chuyển đổi tăng cường, cũng như đầu vào và đầu ra của bộ chuyển đổi flyback và step-down.

Nguồn ồn của các bộ điều chỉnh điện áp khác nhau

Đầu vào của bộ chuyển đổi DC/DC có các thiết bị chuyển mạch nhanh để đóng và mở nhanh, dẫn đến các cạnh tăng và giảm đột ngột (di/dt cao) của dòng điện không liên tục trên tụ điện. Điều này sẽ dẫn đến tần số cơ bản và một số sóng hài (thường là sóng hài bậc thấp) không đáp ứng được tiêu chuẩn. Bộ chuyển đổi tăng áp hoạt động ở chế độ dẫn liên tục (CCM) sẽ gặp EMI ở đầu ra do nhu cầu phục hồi ngược nhanh chóng của diode. Mặc dù nó làm giảm đáng kể tổn thất điện năng nhưng sự thay đổi hiện tại (di/dt) mạnh hơn, làm tăng EMI. Ở chế độ dẫn điện không liên tục (DCM), gợn sóng dòng điện chính lớn hơn. Các gợn sóng sẽ tạo ra tín hiệu thay đổi được truyền đến các bộ phận khác của hệ thống thông qua các dây dẫn tiếp xúc chung.

EMI: Bức xạ và phát thải dẫn truyền

Thông thường, phát xạ dẫn truyền có liên quan đến tần số dưới 30 MHz, trong khi phát xạ bức xạ thường nằm trong dải tần trên 30 MHz (thường là 50 đến 300 MHz). Tuy nhiên, vẫn có sự chồng chéo giữa sự phát xạ dẫn và bức xạ. Trong việc chuyển đổi nguồn điện, điện áp tăng vọt (dV/dt cao) thường là nguồn gây ra nhiễu bức xạ. Như đã đề cập trước đó, EMI dẫn truyền thường bắt nguồn từ dòng điện không liên tục (di/dt cao) và có thể được phân tách thành nhiễu chế độ chung (CM) và chế độ vi sai (DM).

Tiếng ồn chế độ vi sai và chung

Dòng điện DM thường bị di/dt chi phối và sẽ chạy giữa đường dây điện và mạch điện; Tiếng ồn DM chiếm ưu thế ở tần số thấp hơn. Thông thường rất khó để thay đổi hành vi của di/dt mà không làm thay đổi cơ bản mạch điện. Bằng cách sử dụng các bộ lọc EMI thông thấp thụ động (chẳng hạn như bộ giảm chấn RC, phần LC, Pi, phần T, v.v.) để triệt tiêu các dao động gây ra bởi dòng điện không liên tục, có thể giảm di/dt.

Dòng điện CM thường là hàm của dV/dt và sẽ chạy giữa mỗi đường dây điện và mặt đất. Khi dòng điện CM được ghép với dây dẫn hoặc cáp dài, cáp có thể hoạt động như một ăng-ten, làm cho nhiễu CM nổi bật hơn ở tần số cao. Dựa trên chiều dài của cáp và khoảng cách giữa các dây dẫn cũng như mặt phẳng đất chuẩn, diện tích vòng lặp của mạch sự cố có thể rất lớn. Thiết kế bố trí hiệu quả có thể ngăn chặn CM rất nhiều, chẳng hạn như di chuyển dây dẫn đến gần mặt đất tham chiếu hơn, triển khai cẩn thận các tụ điện an toàn, che chắn các bó cáp được kết nối hoặc đặt cuộn dây cảm ứng CM trong đường dẫn dòng điện CM. Cuộn dây cảm ứng CM cũng cung cấp đường dẫn nối tiếp có trở kháng cao, cho phép dòng điện CM chạy ra khỏi bộ chuyển đổi qua tụ điện Y để tạo thành đường dẫn song song cho mặt đất EMI.

Cả DM và CM đều sẽ đóng góp vào EMI và thường cần định lượng các thành phần nhiễu của DM và CM để tuân thủ các tiêu chuẩn EMC của ngành trước khi thiết kế bộ lọc EMI. EMI đầu vào thường được định lượng bằng cách sử dụng Mạng ổn định trở kháng đường dây (LISN) ở đầu vào của Thiết bị đang được kiểm tra (DUT) và máy phân tích phổ.

Cân nhắc thiết kế cho bộ lọc mặt trước

Thông thường, lọc EMI thụ động là phương pháp phổ biến nhất để khử nhiễu; Tuy nhiên, điều này có thể khó khăn khi bộ lọc kết thúc với các trở kháng tải khác nhau và các nguồn nhiễu SMPS khác nhau. Những bộ lọc này thường là sự sắp xếp khác nhau của điện trở, tụ điện và cuộn cảm. Các thành phần cơ bản và một số sóng hài đầu tiên có cường độ lớn nhất và sẽ đóng góp lớn nhất vào tiếng ồn tổng thể, trong khi biên độ của các sóng hài bậc cao sẽ giảm dần khi tần số tăng. Khả năng của các bộ lọc để triệt tiêu các thành phần nhiễu này cũng tăng lên khi tần số tăng, do đó, việc giảm nhiễu ở tần số cơ bản và các sóng hài bậc thấp là một thách thức thiết kế nổi bật.

Thông thường, các bộ lọc thụ động lớn có thể giảm phát xạ tần số thấp; Tuy nhiên, do các đặc tính ký sinh của nó (chẳng hạn như điện trở và độ tự cảm nối tiếp tương đương của tụ điện, cũng như điện dung song song của cuộn cảm), phát xạ tần số cao có thể cần phải xem xét thêm về thiết kế. Các kỹ thuật lọc EMI khác thường liên quan đến các thành phần hoạt động: một kỹ thuật là sử dụng trải phổ hoặc jitter để điều chỉnh tần số chuyển mạch của nguồn điện, nhằm giảm đỉnh của sóng hài cơ bản và bậc thấp được tìm thấy trong miền tần số. Cuối cùng, công nghệ được áp dụng phụ thuộc vào đặc tính tiếng ồn riêng của SMPS, cũng như chi phí thiết kế, kích thước và các giới hạn quy định.

Ngoài việc tuân thủ các tiêu chuẩn quy định EMC, bộ lọc EMI còn có thể bao gồm khả năng triệt tiêu các dòng điện quá độ cao phản ánh từ tải tới nguồn điện đầu vào SMPS. Các đặc tính nhất thời được dự đoán của mỗi SMPS sẽ khác nhau, do đó, thường cần phải có các thiết kế tùy chỉnh để triệt tiêu hoàn toàn các đột biến. Đây chắc chắn là một điểm cần cân nhắc thiết kế bổ sung cho các thiết bị điện tử công suất MIL-SPEC. Thiết bị quân sự sẽ có nhiều cân nhắc về thiết kế điện, cơ khí và môi trường, đòi hỏi các nhà sản xuất phải thiết kế cẩn thận các thiết bị điện tử công suất từ ​​những điều cơ bản - chúng phải đáp ứng các yêu cầu về sàng lọc vật liệu cũng như các yêu cầu về hiệu suất điện, cơ khí và môi trường khắc nghiệt.

Tiêu chuẩn quân sự chung cho nguồn điện

MIL-STD-461 đặt ra các giới hạn dẫn truyền và phát xạ bức xạ cho thiết bị điện để hướng dẫn đo EMI chính xác. Nếu SMPS vượt quá các giới hạn này - điều này thường xảy ra - thì nó sẽ yêu cầu bộ lọc EMI để "đưa nó trở lại thông số kỹ thuật". Tuy nhiên, việc chọn bất kỳ bộ lọc EMI làm sẵn nào cũng không nhất thiết dẫn đến việc nguồn điện đột ngột đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn; Thiết bị có thể rất ồn, đến mức việc gắn bất kỳ bộ lọc EMI nào vào đầu vào vẫn sẽ khiến thành phần đó bị lỗi. Bạn có thể tìm thấy các yêu cầu và mô tả khác nhau của MIL-STD-461 trong Bảng 1. Các thiết bị điện tử tuân thủ MIL-STD-461 thường liệt kê thông tin chi tiết đáp ứng các yêu cầu CE, CS và RE cụ thể.

EMI không phải là yếu tố duy nhất được xem xét về tính chính xác, độ tin cậy và an toàn của các thiết bị điện tử. Bộ nguồn cũng phải có khả năng hoạt động trong các điều kiện điện áp khác nhau, bao gồm phân cực ngược, xung điện áp và xung điện áp. Tiêu chuẩn MIL-STD-1275E cung cấp các điều kiện thử nghiệm được áp dụng cho đầu vào của hệ thống cấp điện 28V, cũng như các thông số hiệu suất dự kiến ​​của thiết bị. Những hệ thống này dự kiến ​​sẽ được sử dụng cho các phương tiện quân sự mặt đất, phương tiện địa hình dân sự và các thiết bị hạng nặng quân sự và dân sự.

Các tiêu chuẩn quân sự khác, chẳng hạn như MIL-STD 704F cho đặc tính điện của máy bay và DO-160G cho thiết bị trên không, sẽ chỉ định các điều kiện môi trường và quy trình thử nghiệm để mô phỏng đầy đủ các điều kiện điện áp khác nhau. Tiêu chuẩn MIL-STD-810 bao gồm các điều kiện và yêu cầu thử nghiệm đối với thiết bị sẽ chịu tác động cơ học, độ rung và độ cao. Đây cũng có thể là yếu tố cần cân nhắc để đảm bảo tuổi thọ và độ tin cậy của nguồn cung cấp trong môi trường khắc nghiệt. Bộ nguồn hoạt động trong các phương tiện quân sự và hệ thống trên không có thể cần phải đáp ứng tất cả các khía cạnh của MIL-STD-1275E/MIL-STD 704F, MIL-STD-461 và MIL-STD-810 thì mới được coi là phù hợp để sử dụng. P-Duke cung cấp nhiều bộ lọc ngoại vi tiêu chuẩn quân sự MCF có thể phù hợp với các bộ chuyển đổi DC/DC đã chọn để đáp ứng tất cả các yêu cầu về thông số kỹ thuật này.

Dòng P-DUKE MCF

Dòng MCF cung cấp tính năng lọc EMI và bảo vệ nhất thời để tuân thủ các yêu cầu về phát xạ dẫn truyền, cảm biến dẫn truyền và phát xạ bức xạ của tiêu chuẩn MIL-STD-461G, các yêu cầu về đột biến/tăng vọt trong nhiều tiêu chuẩn quân sự và các yêu cầu về độ cao/va chạm/rung trong MIL -STD-810 (Bảng 2).

Bộ lọc MCF có thể được đơn giản hóa và tích hợp vào các hệ thống quân sự

Bộ lọc EMI không thể được chọn ngẫu nhiên một cách đơn giản để đảm bảo rằng nguồn điện đáp ứng các tiêu chuẩn và quá trình thiết kế các bộ lọc này có thể rất phức tạp với chi phí kỹ thuật không lặp lại (NRE) cao. Điều này đặc biệt đúng trong thiết bị quân sự, nơi các hệ thống con trên xe quân sự và máy bay được cung cấp năng lượng từ pin 24V hoặc máy phát điện 28V, vốn có những yêu cầu nghiêm ngặt về nhiều mặt. Thiết bị COTS và các giải pháp tùy chỉnh có thể không khả thi. P-DUKE cung cấp bộ chuyển đổi DC-DC có công suất từ ​​15W đến 250W, kết hợp với các bộ lọc ngoại vi MCF có liên quan, để đáp ứng các yêu cầu quân sự về EMC và triệt tiêu đột biến.