GaN

Руководство по электромагнитной совместимости в DC-DC-преобразователях. Часть 1: стандарты и измерения

Данная статья является первой в цикле публикаций, посвященных вопросам ЭМС в промышленном и автомобильном оборудовании. В ней дается краткое описание используемых методов измерений. Так же в статье рассматривается схема измерений кондуктивных помех, которая включает эквивалент сети и приемник электромагнитного излучения (ЭМИ)
1035
В избранное

К современным источникам питания предъявляются жесткие требования электромагнитной совместимости (ЭМС). По этой причине разработчики должны делать все возможное для уменьшения кондуктивных и радиочастотных помех. Соответствие стандартам электромагнитной совместимости, например, CISPR 32 для мультимедийного оборудования [1] или CISPR 25 для автомобильной промышленности [2], оказывается чрезвычайно важной задачей, решение которой напрямую влияет на стоимость разработки и скорость вывода электронных устройств на рынок.

Увеличение частоты коммутаций в импульсных DC/DC-преобразователях дает ряд преимуществ, например, позволяет уменьшить габариты конденсаторов и дросселей, а следовательно, и всего источника питания в целом. С другой стороны, увеличение скорости переключений (dv/ dt и di/ dt) очень часто приводит к росту уровня помех, создавая проблемы для потребителей. Например, высокая скорость переключения силовых нитрид-галлиевых транзисторов (GaN) может приводить к увеличению уровня шумов на 10 дБ на высоких частотах [3].

Фильтры электромагнитных помех являются важной частью силовой электроники. На их долю приходится значительная часть общего объема и веса устройства. Таким образом, уменьшение уровня электромагнитных помех является крайнее важной задачей как с точки зрения соответствия нормативным требованиям ЭМС, так и с точки зрения снижения стоимости и увеличения плотности мощности источника питания.

Данная статья является первой в цикле публикаций, посвященных вопросам ЭМС в промышленном и автомобильном оборудовании. В ней дается краткое описание используемых методов измерений. Так же в статье рассматривается схема измерений кондуктивных помех, которая включает эквивалент сети и приемник электромагнитного излучения (ЭМИ).

Основное внимание в настоящей серии публикаций будет уделяться кондуктивным помехам, так как уменьшение кондуктивных помех является важной составляющей борьбы с высокочастотными радиопомехами.

В статьях рассматриваются следующие вопросы:

  • режимы распространения ЭМИ;
  • влияние паразитных параметров схемы на формы сигналов токов и напряжений (dv/dt и di/dt), генерируемых во время жестких коммутаций МОП-транзисторов, и связанные с ними ЭМИ;
  • методы подавления электромагнитных помех, причем особое внимание уделяется подключению микросхемы DC/DC-контроллера и компоновке печатной платы.

Для пояснения предлагаемых решений будут приведены практические примеры схем.

В таблице 1 перечислены наиболее часто используемые сокращения и термины, относящиеся к вопросам электромагнитной совместимости. Эти термины будут использоваться на протяжении всего цикла публикаций.

Таблица 1. Сокращения и термины, относящиеся к вопросам ЭМС

IEC (МЭК) Международная электротехническая комиссия
CISPR (СИСПР)  Специальный международный комитет по радиопомехам (в МЭК)
EN 55022  Европейский стандарт, адаптированный вариант CISPR 22, выполненный CENELEC и принятый Европейским союзом
FCC Part 15  Федеральная комиссия по связи; Часть 15 раздел B применяется к устройствам с непреднамеренным излучением
ANSI C63.4  Американский национальный институт стандартов
CENELEC  Европейский комитет электротехнической стандартизации, отвечающий за европейские стандарты в области электротехники
CE Mark  Специальный знак, наносимый на изделие, соответствующее основным требованиям директив и стандартов ЕС
ITE  Оборудование информационных технологий
EUT (ИО) Испытуемое оборудование
OATS (ОИП) Открытая испытательная площадка
ALSE  (ЗПАО) Закрытое помещение с абсорбционной облицовкой (ЗПАО)
SAC, FAR  Полубезэховая камера, Безэховая камера
LISN (ЭС) Эквивалент сети = схема стабилизации полного сопротивления линии (используется в американских стандартах)
AMN (ЭСП), AN (ЭС) Эквивалент сети питания, эквивалент сети
AE  Вспомогательное оборудование
CE, RE  Кондуктивные помехи, радиопомехи
CS, RS  Восприимчивость к кондуктивным помехам, восприимчивость к радиочастотным помехам
DM, CM  Дифференциальный режим, синфазный режим
RBW  Полоса пропускания (для приемников и анализаторов спектра)
FFT  Быстрое преобразование Фурье
PE, GW  Защитное заземление, зеленый провод
дБмкВ, дБмкА  0 дБмкВ = 1 мкВ, 20 дБмкА = 10 мкА

Нормативные требования ЭМС

ЭМС заключается в способности системы или ее составных частей совместно работать с окружающими электронными устройствами, не создавая для них недопустимо высокого уровня электромагнитных помех. Поскольку воздействие помех может приводить к серьезным последствиям, то вопросы ЭМС часто являются предметом национального и международного регулирования [4].

В течение долгого времени на территории Европейского союза действовали стандарты EN 55022/ CISPR 22, которые определяли требования к уровню кондуктивных и радиопомех для источников питания оборудования информационных технологий [5]. При этом источник питания должен иметь знак CE и декларацию соответствия (DoC), чтобы показать выполнение требований директивы ЕС по ЭМС 2014/ 30/ EU [6,7].

Устройства, разработанные для североамериканских рынков, должны соответствовать ограничениям, установленным FCC, часть 15. В то же время, основополагающими стандартами с точки зрения ЭМС являются:

  • IEC 61000-6-3 – Стандарт электромагнитной эмиссии для жилых, коммерческих и легких промышленных обстановок [8];
  • IEC 61000-6-4 – Стандарт электромагнитной эмиссии для промышленных обстановок [9].

В настоящий момент новый стандарт EN 55032 заменяет и объединяет несколько устаревших стандартов ЭМС:

  • EN 55022 – оборудование информационных технологий,
  • EN 55013 – широкополосные приемники и сопутствующее оборудование,
  • EN 55103-1 – аудио и студийное оборудование.

Этот новый стандарт вступает в силу в качестве единого согласованного стандарта в соответствии с директивой [10]. В частности, любой продукт, ранее прошедший сертификацию согласно EN 55022 и поставляемый в ЕС после 2 марта 2017 года, теперь должен соответствовать требованиям EN 55032.

Поскольку EN 55022 отозван и заменен на EN 55032, производители и поставщики блоков питания должны обновить свою декларацию соответствия (DoC) до нового стандарта, чтобы иметь право размещать логотип CE на маркировке товара. На рис. 1 показаны ограничения EN 55022/32 для устройств класса A и класса B по уровню пиковых и средних кондуктивных помех в диапазоне частот от 150 кГц до 30 МГц.

Ограничения EN 55022/32 для устройств класса A и класса B по уровню пиковых и средних кондуктивных помех в диапазоне частот от 150 кГц до 30 МГц

Рис. 1. Ограничения EN 55022/32 для устройств класса A и класса B по уровню пиковых и средних кондуктивных помех в диапазоне частот от 150 кГц до 30 МГц

Что касается автомобильного оборудования, то основным стимулом для соответствия требованиям ЭМС в будущем, безусловно, будут автономные транспортные средства, связанные между собой беспроводной связью. Стандарт CISPR 25 уже сейчас предъявляет жесткие требования к уровню кондуктивных помех для «защиты бортовых приемников», особенно в FM-диапазоне (от 76 МГц до 108 МГц).

Новая декларация UNECE Regulation No. 10, [7, 10], заменившая директиву ЕС Automotive EMC Directive 2004/104/EC в ноябре 2014 года, требует, чтобы производители выполняли официальную сертификацию с установлением класса устройства для всех транспортных средств, электронных узлов, компонентов и отдельных узлов.

Согласно CISPR 25 измерения помех проводятся в диапазоне частот от 150 кГц до 108 МГц в определенных полосах частот. Используемые диапазоны и их характеристики приведены в таблице 2 и на рис. 2. На этом же рисунке представлены предельно допустимые значения кондуктивных помех для устройств класса 5 (наиболее строгие требования в CISPR 25).

Таблица 2. Частотные диапазоны CISPR 25 и их характеристики

Диапазон Частота , МГц PK, дБмкВ QP, дБмкВ AVG, дБмкВ Тип
ДВ 0.15–0.3 70 57 50 Широковещательные системы
СВ 0.53–1.8 54 41 34
КВ 5.9–6.2 53 40 33
УКВ ЧМ 76–108 38 25 18
Телевизионный диапазон 41–88 34 24
CB 26–28 44 31 24 Мобильные системы
ДМВ 30–54 44 31 24
68–87 38 25 18

Предельно допустимые значения кондуктивных помех для устройств класса 5 (CISPR 25)

Рис. 2. Предельно допустимые значения кондуктивных помех для устройств класса 5 (CISPR 25)

В промежутках между регламентированными полосами частот уровень шумов не нормируется, однако производители могут самостоятельно определить предельные значения в соответствии со своими внутренними стандартами ЭМС [11]. Часто эти внутренние фирменные стандарты основываются на международных стандартах МЭК, и суть их остается практически неизменной, за исключением некоторых параметров.

Требования CISPR 25 оказываются достаточно жесткими. Для примера можно привести значения допустимых помех в УКВ-диапазоне (FM). В нем предельное значение 18 дБмкВ при измерительном сопротивлении 50 Ом соответствует шумовому току всего 159 нА.

Измерение кондуктивных помех

Эквивалент сети (ЭС) или схема стабилизации полного сопротивления линии (line impedance stabilization network, LISN) помогает измерять уровень помех, генерируемых испытуемым оборудованием (ИО). ЭС включается между ИО и источником питания и обеспечивает повторяемость и сопоставимость измерений электромагнитных помех [12, 13]. На рис. 3 показана стандартная 50 мкГ схема ЭС, в соответствии со стандартами CISPR 16-1-2 [14] и ANSI C63.4 [15].

ЭС обеспечивает:

  • Стабильное и откалиброванное сопротивление источника в заданном диапазоне частот;
  • Изоляцию испытуемого устройства и измерительного оборудования от источника входного питания в этом частотном диапазоне;
  • Безопасное и правильное подключение измерительного оборудования;
  • Отдельное измерение общего уровня шума в обеих линиях, обозначенных как L и N на рис. 3.

Если говорить кратко, то с помощью ЭС удается получать воспроизводимые результаты. Обратите внимание, что ЭС может содержать одну или несколько отдельных цепей стабилизации.

Измерение кондуктивных помех с помощью эквивалента сети (LISN) V-типа

Рис. 3. Измерение кондуктивных помех с помощью эквивалента сети (LISN) V-типа

ЭС представляет собой цепочку пи-фильтров. Через LC-фильтры нижних частот ИО подключается к входным силовым линиям питания L и N, как показано на рис. 3. Значения индуктивностей в схеме ЭС выбирается, исходя из ожидаемой индуктивности линий питания конечной системы, в которой предполагается устанавливать тестируемое изделие.

CISPR 16 и ANSI C63.4 задают индуктивность 50 мкГн – значение, которое совпадает с индуктивностью проводной системы питания длиной около 50 м, работающей в составе телекоммуникационного оборудования. CISPR 25 определяет значение индуктивности 5 мкГ, чтобы соответствовать приблизительной индуктивности автомобильного жгута проводов.

ЭС создает четко определенный импеданс для шумовых сигналов. Изготовитель ЭС обычно предоставляет калибровочный график, содержащий информацию о номинальном сопротивлении в назначенном диапазоне частот. Допустимое отклонение в соответствии с CISPR 16-1-2 составляет ± 20% по амплитуде и ± 11,5 ° по фазе.

Прежде чем шумовой сигнал поступает на приемник ЭМИ или анализатор спектра, он проходит через фильтр верхних частот (рис. 3). Этот фильтр состоит из конденсаторов 0,1 мкФ и резисторов 1 кОм, которые оказываются включенными параллельно терминатору 50 Ом на входе измерительного оборудования. На рис. 4 показан график частотной зависимости импеданса и фазы ЭС (50 мкГн + 5 Ом) || 50 Ом в диапазоне частот от 150 кГц до 30 МГц

Частотная зависимость импеданса и фазы ЭС

Рис. 4. Частотная зависимость импеданса и фазы ЭС (50 мкГн + 5 Ом) || 50 Ом в диапазоне частот от 150 кГц до 30 МГц

Схема испытаний для автомобильных приложений (CISPR 25)

На рисунке 5 показана рекомендуемая схема измерений кондуктивных помех согласно CISPR 25. Этот стандарт определяет расположение испытуемого оборудования, а также протоколы измерений и измерительное оборудование. Для обозначения эквивалента сети в CISPR 25 вместо LISN используется аббревиатура AN (artificial network). Если длина обратного провода линии питания транспортного средства превышает 200 мм, то выполняется выносное заземление ИО, кроме того требуются два ЭС: один для положительной линии питания и один для обратного провода. И наоборот, если длина обратного провода линии питания транспортного средства не превышает 200 мм, то выполняется местное заземление ИО, и для согласования требуется только один эквивалент сети.

Рекомендуемая схема измерений кондуктивных помех согласно CISPR 25

Рис. 5. Рекомендуемая схема измерений кондуктивных помех согласно CISPR 25

ЭС монтируются непосредственно на пластину заземления. Корпуса ЭС соединяются с пластиной заземления. Обратный провод линии питания также подключается к пластине заземления между источником питания и ЭС. Подключение приемника ЭМИ к измерительному порту соответствующего ЭС обеспечивает правильное измерение кондуктивных помех на обеих линиях питания. На измерительных выходах также должны присутствовать 50 Ом терминаторы.

На рис. 6 показана экранированная камера и экранированная комната для проведения измерений кондуктивных помех согласно CISPR 25 [13]. В данном случае эквиваленты сети (LISN) имеют вид синих прямоугольных блоков. За ними расположена литий-ионный автомобильный аккумулятор. Слева от ЭС на изоляционном материале размещен испытуемый DC/DC-преобразователь. Для выполнения измерений при других уровнях напряжения питания, например, 13,5 В, может использоваться внешний источник напряжения, вынесенный за пределы экранированной камеры. Измерения шумовых сигналов производятся как на прямой, так и на обратной линии питания через их соответствующие эквиваленты сети.

 В соответствии с CISPR 25 измерения кондуктивных помех проводятся с помощью медной заземляющей пластины и двух эквивалентов сети (LISN)

Рис. 6. В соответствии с CISPR 25 измерения кондуктивных помех проводятся с помощью медной заземляющей пластины и двух эквивалентов сети (LISN)

На рис. 7 представлен типовой спектр электромагнитных помех, полученный при выполнении измерений согласно CISPR 25. Желтым цветом показаны пиковые значения шумов, а синим средние значения. Как видно из графиков, тестируемый DC-DC-преобразователь работает достаточно «тихо», уровень его кондуктивных помех намного ниже, чем самые строгие требования, предъявляемые к устройства класса 5. Техника измерения изменяется на частотах выше 30 МГц, так как полоса частот приемника ЭМИ настраивается от 9 кГц до 120 кГц и может привести к изменению минимального уровня шума при измерении.

 Типовой спектр электромагнитных помех, полученный при выполнении измерений согласно CISPR 25

Рис. 7. Типовой спектр электромагнитных помех, полученный при выполнении измерений согласно CISPR 25

Заключение

Преобразование электромагнитной энергии всегда сопровождается возникновением помех, воздействующих на окружающее оборудование. По этой причине при проектировании электронных устройств, разработчики стремятся уменьшить уровень генерируемых шумов.

Многочисленные стандартизирующие и надзорные организации по всему миру следят за соблюдением допустимого уровня кондуктивных помех и излучаемых помех радиочастотного диапазона. Существующие методы измерения позволяют определять уровень помех и предпринимать необходимые шаги для достижения соответствия нормативным требованиям.

Требования ЭМС, как правило, относятся к законченным системам, в то время как DC-DC-преобразователь является лишь частью системы, и для него не существует определенных пределов ЭМИ. Однако отдельное тестирование импульсных регуляторов имеет смысл, чтобы убедиться, что при работе в составе системы не возникнет проблем с ЭМС.

Литература

  1. CISPR 32:2015, 2nd edition (or EN 55032:2015), “Electromagnetic compatibility of multimedia equipment – Emission requirements.”
  2. CISPR 25:2016, 4th edition (or EN 55025:2017), “Vehicles, boats and internal combustion engines – Radio disturbance characteristics – Limits and methods of measurement for the protection of on-board receivers.”
  3. “Trade-off between switching loss and common mode EMI generation of GaN devices – analysis and solution” by D. Han, APEC 2017, pp. 843-847.
  4. List of common EMC test standards, Wikipedia.
  5. CISPR 22:2008, 6th edition (or EN 55022:2011), “Information technology equipment – Radio disturbance characteristics – Limits and methods of measurement.”
  6. EMC DIRECTIVE 2014/30/EU.
  7. “EMC for Product Designers, Fifth Edition” by Tim Williams, Newnes, 2016.
  8. IEC 61000-6-3:2006, “Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 6-3: Generic standards – Emission standard for residential, commercial and light-industrial environments.”
  9. IEC 61000-6-4:2006, “Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 6-4: Generic standards – Emission standard for industrial environments.”
  10. UN ECE Regulation No.10, “Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to electromagnetic compatibility.”
  11. “EMC Online,” information regarding electromagnetic compatibility requirements for Ford Motor Company, web page accessed Nov. 17, 2017.
  12. “Understanding LISNs is Essential to EMI Pre-Compliance Testing” by Kevin Parmenter and James Spangler. How2Power Today, October 2017.
  13. “Understanding EMI and Mitigating Noise in DC/DC Converters” by Timothy Hegarty, Robert Loke, and David Pace, Texas Instruments TI Training webinar, May 11, 2017.
  14. CISPR 16-1-2:2014, “Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods – Part 1-2: Radio disturbance and immunity measuring apparatus – Coupling devices for conducted disturbance measurements.”
  15. IEEE/ANSI C63.4-2014, “American national standard for methods of measurement of radio-noise emissions from low-voltage electrical and electronic equipment in the range of 9 kHz to 40 GHz.”

Сравнение позиций

  • ()