ตัวแปลงสัญญาณของคุณทำงานได้ดีบนโต๊ะทำงาน แต่พอไปถึงห้องปฏิบัติการ EMC การสแกนกลับล้มเหลว หรือแย่กว่านั้นคือ ระหว่างการจัดส่ง มันอาจไปปิดกั้นการเชื่อมต่อไร้สายที่อยู่ใกล้เคียงได้
คุณไม่สามารถมองว่าการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นเพียงการตรวจสอบขั้นสุดท้ายได้ ในการแปลงไฟ AC เป็น DC การลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าช่วยปกป้องสามสิ่งพร้อมกัน ได้แก่ การปฏิบัติตามกฎระเบียบ ความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ และความน่าเชื่อถือของระบบในระยะยาว ความล้มเหลวในการเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้ามักจะปรากฏให้เห็นในภายหลัง ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่การออกแบบใหม่มีค่าใช้จ่ายสูงที่สุด
เริ่มต้นด้วยหลักฟิสิกส์ ค้นหาแหล่งกำเนิดเสียงรบกวน ติดตามเส้นทางการเชื่อมต่อ จากนั้นเลือกตัวกรอง คู่มือนี้เหมาะสำหรับวิศวกรฮาร์ดแวร์และทีมพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่ต้องสร้างสมดุลระหว่างการออกแบบระดับบอร์ดกับข้อจำกัดด้านการผลิตในทุกๆ วัน
ประเด็นที่สำคัญ
ค้นหาแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนและเส้นทางการเชื่อมต่อก่อน จากนั้นจึงเลือกตัวกรองที่เหมาะสม
สัญญาณรบกวนแบบดิฟเฟอเรนเชียลโหมดต้องการตัวกรอง LC ส่วนสัญญาณรบกวนแบบคอมมอนโหมดต้องการโช้คและตัวเก็บประจุ Y
ติดตั้งตัวกรองสัญญาณขาเข้าที่ขั้วต่อ ต่อสายกราวด์ของตัวเก็บประจุ Y ให้สั้นที่สุดกับตัวเครื่อง
ลดการสั่นสะเทือนในทุกขั้นตอนของวงจร LC เพื่อป้องกันการเกิดเสียงก้องและรักษาเสถียรภาพของสัญญาณอินพุต
ทำการทดสอบเบื้องต้นก่อนการตรวจสอบมาตรฐาน เพื่อตรวจจับการปล่อยมลพิษก่อนที่จะส่งไปตรวจในห้องปฏิบัติการ
แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนในการแปลงกระแสสลับเป็นกระแสตรง
การแลกเปลี่ยนประสิทธิภาพการสลับ
ทุกขั้นตอนการแปลงกระแสสลับเป็นกระแสตรงล้วนมีการแลกเปลี่ยนระหว่างประสิทธิภาพและสัญญาณรบกวน การเพิ่มความถี่ในการสวิตช์จะทำให้หม้อแปลงมีขนาดเล็ลงและลดการสูญเสียในแกน แต่การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วนั้นก็สร้างการเปลี่ยนแปลงของแรงดันและกระแสที่สูงมากเช่นกัน การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วหมายถึง dv/dt และ di/dt ที่สูง และการเปลี่ยนแปลงเหล่านั้นจะก่อให้เกิดการปล่อยคลื่นรบกวนทั้งแบบนำไฟฟ้าและแบบแผ่รังสี
คุณกำลังเผชิญกับความขัดแย้งที่แท้จริงตรงนี้ ความถี่ในการสวิตช์ที่สูงขึ้นจะช่วยเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด แต่ในขณะเดียวกันก็ผลักพลังงานฮาร์มอนิกเข้าไปในย่านความถี่ที่ตัวกรองของคุณทำงานได้ไม่ดีเท่าที่ควร ขอบที่ช้าลงจะช่วยลดสเปกตรัม EMI แต่ก็ทำให้สิ้นเปลืองพลังงานในสวิตช์มากขึ้น คุณควรพิจารณาสิ่งนี้เป็นตัวแปรในการออกแบบไม่ใช่การตั้งค่าคงที่ เลือกความถี่ในการสวิตช์และแรงดันขับเกตไปพร้อมกัน จากนั้นตรวจสอบสเปกตรัมที่ได้ตั้งแต่เนิ่นๆ
การอ่านสัญญาณรบกวนด้วยการวิเคราะห์ฟูริเยร์
รูปคลื่นสวิตช์คือชุดพัลส์ที่เป็นคาบ การวิเคราะห์ฟูริเยร์จะแยกชุดพัลส์นั้นออกเป็นความถี่พื้นฐานและฮาร์โมนิกส์ แอมพลิจูดของฮาร์โมนิกส์จะลดลงตามความถี่ และความชันของซองสัญญาณจะขึ้นอยู่กับเวลาเพิ่มขึ้นและลดลง คุณสามารถใช้สิ่งนี้เพื่อคาดการณ์ว่าการปล่อยคลื่นรบกวนที่ร้ายแรงที่สุดจะเกิดขึ้นที่ใดก่อนที่คุณจะสร้างแผงวงจร
ความถี่รอยบากในสเปกตรัมเกิดจากการแปลงฟูริเยร์ของสัญญาณที่เข้ารหัสด้วยพัลส์ งานวิจัยชิ้นหนึ่งได้คำนวณสมการรอยบากเหล่านี้สำหรับชุดพัลส์เพียงอย่างเดียว ไม่ใช่สำหรับตัวแปลงสัญญาณทั้งหมด ความถี่รอยบากที่จำลองและวัดได้ตรงกับสมการที่ได้มาอย่างใกล้เคียง และผู้เขียนได้ละเว้นการคำนวณสำหรับตัวแปลงสัญญาณทั้งหมดไว้สำหรับงานวิจัยในอนาคต
บทความนี้เสนอการหาค่าความถี่รอยบากทางทฤษฎี โดยสมการที่ได้นั้นสอดคล้องกับการแปลงฟูริเยร์ของสัญญาณที่เข้ารหัสแบบพัลส์ แทนที่จะเป็นระบบตัวแปลงสัญญาณแบบสมบูรณ์ ความถี่รอยบากที่ได้จากการจำลองและการทดลองนั้นตรงกับสมการทางทฤษฎีที่ได้มาอย่างใกล้เคียง ในขณะที่การหาค่าความถี่รอยบากสำหรับตัวแปลงสัญญาณแบบสมบูรณ์นั้นจะดำเนินการในงานวิจัยต่อไป
โปรดใช้ผลลัพธ์นี้อย่างระมัดระวัง แบบจำลองชุดพัลส์ให้ค่าประมาณเบื้องต้นที่เป็นประโยชน์สำหรับการวางแผนลดเสียงรบกวนในตัวแปลง AC/DC แต่ไม่ได้ครอบคลุมทุกเรโซแนนซ์ในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด ดังนั้นควรตรวจสอบความถูกต้องของการคาดการณ์บนแท่นทดสอบ
กลไกการเชื่อมต่อหลักสำหรับ EMI
เสียงรบกวนต้องมีช่องทางจึงจะกลายเป็นปัญหาได้ เราสามารถแบ่งกลไกการเชื่อมต่อหลักที่ก่อให้เกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าออกเป็นสองกลุ่ม แต่ละกลุ่มทำงานในลักษณะเฉพาะของตัวเอง และแต่ละกลุ่มต้องการวิธีการแก้ไขที่แตกต่างกัน
เส้นทางนำไฟฟ้าและเส้นทางแผ่รังสี
การเชื่อมต่อแบบนำไฟฟ้าต้องอาศัยการสัมผัสโดยตรง แหล่งกำเนิดและตัวรับสัญญาณใช้สายไฟ สายเคเบิลลายวงจรพิมพ์หรือกล่องโลหะร่วมกัน สัญญาณรบกวนจะเคลื่อนที่ไปตามตัวนำนั้นในรูปของกระแสโหมดร่วมหรือโหมดต่าง การเชื่อมต่อแบบแผ่รังสีทำงานในอีกรูปแบบหนึ่ง แหล่งกำเนิดและตัวรับสัญญาณทำหน้าที่เหมือนเสาอากาศวิทยุ แหล่งกำเนิดส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกไปในที่โล่ง และตัวรับสัญญาณจะรับคลื่นนั้นเข้ามา
เส้นทางการเชื่อมต่อ | กลไก | ลักษณะสำคัญ |
|---|---|---|
เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า | เส้นทางการสัมผัสโดยตรงระหว่างแหล่งกำเนิดและตัวรับ | สัญญาณรบกวนเกิดขึ้นผ่านทางสายส่ง สายไฟ สายเคเบิล ลายวงจรพิมพ์ หรือกล่องโลหะ โดยจะปรากฏเป็นสัญญาณรบกวนแบบคอมมอนโหมดหรือดิฟเฟอเรนเชียลโหมดบนตัวนำ |
ฉายรังสี | แหล่งกำเนิดและตัวรับสัญญาณทำหน้าที่เหมือนเสาอากาศวิทยุ | แหล่งกำเนิดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายผ่านพื้นที่โล่งและถูกรับโดยเหยื่อ |
การเหนี่ยวนำทั้งแบบคาปาซิทีฟและแบบแม่เหล็กก็มีอยู่เช่นกัน ให้ถือว่ามันเกิดขึ้นได้ยากเมื่อเทียบกับเส้นทางการนำไฟฟ้าและการแผ่รังสี เมื่อคุณตรวจสอบหาสาเหตุของปัญหาในแผงวงจร ให้ตรวจสอบการแผ่รังสี การนำไฟฟ้า หรือการเหนี่ยวนำหรือการเหนี่ยวนำแบบคาปาซิทีฟ ตามลำดับ สองอย่างแรกอธิบายสาเหตุความล้มเหลวส่วนใหญ่ได้
เหตุใดการจัดวางรูปทรงจึงมีความสำคัญต่อการเชื่อมต่อ
รูปแบบการจัดวางวงจรกำหนดว่ากลไกการเหนี่ยวนำ EMI แต่ละแบบจะมีความแรงมากน้อยเพียงใด การสัมมนาทางเทคนิคได้ใช้ตัวแปลง DC/DC ที่วัดผลจริงมาแสดงให้เห็นถึงเรื่องนี้รูปแบบการจัดวาง PCB ที่แตกต่างกัน จะเปลี่ยนลักษณะเฉพาะของ EMI ในตัวแปลงโดยตรง การจัดวางและการเลือกใช้ส่วนประกอบแบบพาสซีฟก็ส่งผลต่อประสิทธิภาพ EMC ด้วยเช่นกัน การสัมมนาเดียวกันนี้ยังนำเสนอวิธีการกรองเพื่อให้เป็นไปตามข้อจำกัด CISPR32 Class B ตั้งแต่ 150 kHz ถึง 1 GHz ช่วงความถี่ดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าการเหนี่ยวนำที่ขับเคลื่อนด้วยรูปแบบการจัดวางวงจรจะต้องได้รับการจัดการควบคู่ไปกับการกรอง
ความใกล้ชิดของส่วนประกอบมีความสำคัญภายในตัวกรองเอง:
การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กในระยะใกล้ระหว่างโช้ค PFC และ CM อาจทำให้การสูญเสียการแทรกของตัวกรอง EMI ลดลง
การจัดวาง การป้องกัน และการออกแบบโช้ค CM ช่วยลดการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กในระยะใกล้และลดเสียงรบกวน
การต่อพ่วงระหว่างตัวเก็บประจุแบบขนานสองตัวจะเปลี่ยนพฤติกรรมของตัวกรอง การต่อพ่วงร่วมเชิงลบสามารถชดเชยค่า ESL ของตัวเก็บประจุได้
ในวงจรกรอง CLC การปรับสมดุลการเหนี่ยวนำและการเก็บประจุแบบปรสิตระหว่างตัวเก็บประจุจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพให้เหมาะสมที่สุด
ในตัวกรองสองขั้นตอน วิธีการรวมตัวเหนี่ยวนำแบบอนุกรมใช้ประโยชน์จากการเชื่อมต่อสนามใกล้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ DM ความถี่ต่ำ
การออกแบบที่ดีช่วยลดการปล่อยมลพิษก่อนที่จะติดตั้งตัวกรองใดๆ แก้ไขรูปทรงเรขาคณิตก่อน จากนั้นค่อยปรับแต่งตัวกรอง
สัญญาณรบกวนแบบดิฟเฟอเรนเชียลโหมดเทียบกับสัญญาณรบกวนแบบคอมมอนโหมด
การกำหนดความหมายของสัญญาณรบกวน DM และ CM
คุณไม่สามารถแก้ไขปัญหาเสียงรบกวนได้จนกว่าคุณจะรู้ว่าโหมดใดเป็นต้นเหตุของปัญหา โหมดทั้งสองแตกต่างกันในทิศทาง เส้นทาง และวิธีการแก้ไข
โหมดทั่วไป (Common mode) หมายถึงสัญญาณหรือสัญญาณรบกวนที่ไหลไปในทิศทางเดียวกันในสายคู่หนึ่ง ส่วนโหมดแตกต่าง (Differential mode หรือ Normal mode) หมายถึงสัญญาณหรือสัญญาณรบกวนที่ไหลไปในทิศทางตรงกันข้ามในสายคู่หนึ่ง
สัญญาณรบกวนแบบดิฟเฟอเรนเชียลจะไหลออกไปทางตัวนำเส้นหนึ่งแล้วกลับมาทางเส้นทางส่งกลับ ในขณะที่สัญญาณรบกวนแบบคอมมอนจะไหลไปในทิศทางเดียวกันบนทั้งสองสายแล้วกลับผ่านกราวด์หรือตัวถัง ความแตกต่างนี้จะเป็นตัวกำหนดว่าคุณควรเลือกใช้ตัวกรองแบบใด
แง่มุม | สัญญาณรบกวนโหมดต่าง | เสียงรบกวนโหมดทั่วไป |
|---|---|---|
คำนิยาม | เสียงรบกวนถูกส่งผ่านตัวนำสองตัว ตัวหนึ่งเป็นตัวนำขาออก และอีกตัวเป็นตัวนำขากลับ | กระแสเสียงรบกวนที่เข้ามาไม่ว่าจะผ่านทางออก/ทางกลับใด และไหลไปในทิศทางเดียวกันผ่านตัวนำทั้งสอง |
ทิศทางปัจจุบัน | ทิศทางตรงข้าม (กระแสหักล้างกัน) เรียกอีกอย่างว่าโหมดปกติ | ทิศทางเดียวกันตลอดตัวนำทั้งสอง |
การเผยแผ่ | อยู่ภายในคู่สายไฟ/สายสัญญาณ | ครอบคลุมพื้นที่กว้างขวาง แม้ว่าจะใช้แรงดันไฟฟ้าต่ำก็ตาม |
แหล่งกำเนิดทั่วไป | กระแสไฟเลี้ยงและกระแสสัญญาณ | เสียงรบกวนที่แผ่กระจายออกมาจากตัวเครื่องโลหะหรือพื้นเข้าไปในอุปกรณ์อื่นๆ |
การปราบปราม | ตัดด้วยตัวกรอง LC (ตัวเหนี่ยวนำ + ตัวเก็บประจุ) | ตัวกรอง LC ใช้ไม่ได้ผล ต้องใช้ตัวกรองโหมดร่วมบวกกับตัวเก็บประจุที่ส่วนอินพุต |
ตัวกรอง LC เพียงอย่างเดียวไม่สามารถหยุดสัญญาณรบกวนแบบ Common Modeได้ คุณต้องใช้ตัวเหนี่ยวนำ Common Mode และตัวเก็บประจุที่อินพุตด้วย
การวัดสัญญาณรบกวนด้วย LISN
วงจรปรับเสถียรภาพอิมพีแดนซ์สายส่งจะให้ค่าอ้างอิงที่คงที่สำหรับการวัดสัญญาณรบกวนของตัวแปลง AC/DC วงจรนี้จะแสดงอิมพีแดนซ์ที่กำหนดไว้ให้กับตัวแปลงและแยกกระแสไฟหลักออก วงจรจะให้แรงดันสองค่า ค่าหนึ่งบนสายเฟส (Vp) และอีกค่าหนึ่งบนสายกลาง (Vn) ค่าเหล่านี้สัมพันธ์กับกระแสโหมดโดย Vp = 50(ICM + IDM) และ Vn = 50(ICM − IDM) โดยที่ 50 มีหน่วยเป็นโอห์ม เมื่อบวกค่าเอาต์พุตทั้งสองเข้าด้วยกัน ค่าส่วนต่างจะหักล้างกัน เหลือค่าแรงดันโหมดร่วมเป็นสองเท่า เมื่อลบค่าเอาต์พุตทั้งสองออกจากกัน ค่าโหมดร่วมก็จะหักล้างกัน เหลือค่าแรงดันโหมดส่วนต่างเป็นสองเท่า ควรทำขั้นตอนนี้ก่อนการวัด เนื่องจากเครื่องวิเคราะห์จะสูญเสียข้อมูลเฟสไป
ลำดับขั้นตอนที่เหมาะสมจะช่วยได้:
โปรดจำไว้ว่า LISN วัดผลรวมของทั้งสองโหมดและไม่สามารถแยกโหมดใดโหมดหนึ่งได้เพียงอย่างเดียว
ใช้โพรบวัดกระแส RF หนีบสายไฟและสายกลางเข้าด้วยกันเพื่อวัดกระแสโหมดร่วม
เดินสายไฟทั้งสองเส้นในทิศทางตรงข้ามผ่านโพรบเพื่ออ่านค่ากระแสในโหมดดิฟเฟอเรนเชียล ค่าที่ได้จะสูงกว่าปกติ 6 เดซิเบล
อย่าใช้กระแสไฟเกินพิกัดสูงสุดของหัววัด
เปรียบเทียบค่าที่วัดได้ทั้งสองค่าเพื่อดูว่าโหมดใดเด่นกว่าจากนั้นจึงกำหนดขนาดของตัวกรอง
ขั้นตอนนี้จะบอกคุณว่าควรเพิ่มตัวเหนี่ยวนำ DM หรือตัวเก็บประจุ X หรือไม่ นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นว่าการปล่อยคลื่นรบกวนแบบนำไฟฟ้ามาจากเส้นทางโหมดร่วมหรือไม่
การเลือกตัวกรอง EMI สำหรับอินพุต DC/DC
เมื่อเลือกตัวกรอง EMI สำหรับอินพุต DC/DC ขั้นแรกให้ถามว่าคุณต้องการความถี่มุมเท่าใด ตั้งค่าความถี่มุม LC ให้ประมาณหนึ่งในสิบของความถี่สวิตช์ ตัวแปลง 1 MHz จะต้องการความถี่มุม 100 kHz ด้วยช่องว่างนั้น ตัวกรอง EMI แบบโลว์พาสอันดับสองในอุดมคติจะให้การลดทอนประมาณ 40 dB ที่ความถี่พื้นฐาน แผงวงจรจริงจะให้การลดทอนน้อยกว่านั้น มักจะอยู่ที่ประมาณ 30 dB เนื่องจาก ESL ของตัวเก็บประจุและความเหนี่ยวนำของเส้นทางทำให้เส้นโค้งแบนลง
พารามิเตอร์ | เป้าหมาย (Target) | หมายเหตุการปฏิบัติ |
|---|---|---|
ความถี่ในการตัด | ประมาณ 1/10 ของความถี่ในการสลับ | การลดทอนที่เหมาะสมควรอยู่ที่ประมาณ 40 dB ที่ความถี่พื้นฐาน |
ความชันการลดทอน | 40 เดซิเบล/ทศวรรษ ในอุดมคติ | ปรสิตลดความชันที่แท้จริงลง |
ค่าตัวเหนี่ยวนำ | 0.47 µH ถึง 22 µH | ค่าความเหนี่ยวนำที่ต่ำลงจะช่วยลดค่า DCR และขนาดลงได้ |
1 µF ถึง 100 µF | ตรวจสอบพิกัดแรงดันไฟฟ้าและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ | |
ค่าหน่วง Q | เพื่อ 0.5 0.8 | เพิ่มตัวเก็บประจุหน่วงที่มีค่า 3–4 เท่าของตัวเก็บประจุอินพุต |
หลักการพื้นฐานของวงจร LC และการลดลงของแรงดันไฟฟ้า
วงจรกรองความถี่ต่ำแบบ LC ขั้นเดียวเป็นตัวเลือกที่ง่ายที่สุด วงจรกรองความถี่แบบ π หรือวงจรหลายขั้นเหมาะสำหรับช่วงความถี่ที่แคบกว่า หรืออิมพีแดนซ์แหล่งกำเนิดที่เปลี่ยนแปลงมาก การเพิ่มขั้นตัวเก็บประจุจะช่วยลดการลดทอนความถี่สูงได้ดีขึ้น แต่จะทำให้กระแสไฟกระชากสูงขึ้นและเปลี่ยนแปลงการหน่วง ควรตรวจสอบเสถียรภาพอีกครั้งหลังจากเพิ่มแต่ละขั้น
สังเกตการลดลงของแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงคร่อมตัวเหนี่ยวนำ ค่า DCR จะลดค่า headroom และชิ้นส่วนที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับกระแสสูงสุดอาจยังคงอิ่มตัวได้ในกรณีเสียบปลั๊กขณะร้อน ควรเลือกขนาดตัวเหนี่ยวนำให้เหมาะสมกับกระแสสูงสุด ไม่ใช่กระแสเฉลี่ย รักษาวงจรที่มีค่า di/dt สูงให้สั้น: วางตัวเหนี่ยวนำไว้ใกล้กับขาอินพุตของตัวแปลงและส่งกระแสกลับผ่านเส้นทางที่แคบ
การลดแรงสั่นสะเทือนเพื่อความเสถียรและการลดค่า CM
ตัวกรองแบบไม่หน่วงจะส่งเสียงก้อง อิมพีแดนซ์เอาต์พุตของตัวกรองต้องต่ำกว่าอิมพีแดนซ์อินพุตของตัวแปลงสัญญาณตลอดช่วงแบนด์วิดธ์ของวงจรควบคุม นี่คือเกณฑ์ของ Middlebrook และการละเลยเกณฑ์นี้จะทำให้เกิดแรงดันตกอย่างมาก แรงดันเกินเป็นเวลานาน และการสั่นของอินพุต คุณสามารถตรวจสอบและเลือกตัวกรอง EMIโดยใช้กฎนี้ก่อนที่จะเริ่มบัดกรี
มีตัวเลือกการลดแรงสั่นสะเทือนหลายแบบ:
วัสดุแม่เหล็กที่มีการสูญเสียสูง (Micrometals Mix-41, 44 และ 73) ช่วยลดทอนการสั่นพ้องของตัวกรองในขณะที่กระแสพื้นฐานไหลผ่าน
วงจรแดมเปอร์จะรักษาระดับสูงสุดของสัญญาณรบกวนที่ความถี่ตัดให้อยู่ต่ำกว่า 2–3 dB ซึ่งจะหยุดการขยายสัญญาณรบกวนในการทดสอบต่างๆ เช่น MIL-STD-461F/G CS101
วงจรสนับเบอร์ RC และการหน่วงด้วยตัวต้านทานในตัวเก็บประจุของฟิลเตอร์ช่วยทำให้การตอบสนองมีความเสถียรมากขึ้น
ระบบลดแรงสั่นสะเทือนแบบแอคทีฟเป็นอีกทางเลือกหนึ่งเมื่อชิ้นส่วนแบบพาสซีฟใช้พื้นที่บนแผงวงจรมากเกินไป
ใช้การวิเคราะห์การตอบสนองความถี่เพื่อตรวจสอบการหน่วง ไม่ใช่การทดสอบในโดเมนเวลาเพียงอย่างเดียว ข้อแลกเปลี่ยนหนึ่งที่ต้องให้ความสนใจคือ การเพิ่มอัตราขยายของวงจรป้อนกลับจะช่วยลดเสียงรบกวนและกรอง EMI ได้ดีขึ้น แต่ก็อาจลดระยะขอบเฟสได้หากไม่ชดเชยอย่างเหมาะสม สำหรับโหมดร่วม ให้เพิ่มโช้คและตัวเก็บประจุแบบ Y ที่อินพุต วงจร LC เพียงอย่างเดียวจะไม่สามารถหยุดมันได้ ตัวกรอง EMI ประเภทเหล่านี้ทำงานร่วมกัน และการผสมผสานที่เหมาะสมจะช่วยให้การปล่อยคลื่นต่ำกว่าขีดจำกัด
การออกแบบวงจรหน้า AC/DC เพื่อลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)
การแก้ไขกระแสไฟ ตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ และการจำกัดกระแสไฟกระชาก
ส่วนหน้าของอุปกรณ์จะกำหนดระดับเสียงรบกวนสำหรับทุกส่วนหลังจากนั้น เริ่มจากตัวเก็บประจุ ขนาดใหญ่ ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่มีประจุจะทำหน้าที่เหมือนไฟลัดวงจร DC เมื่อคุณเปิดเครื่อง ไฟลัดวงจรนั้นจะดึงกระแสไฟกระชากขนาดใหญ่ และกระแสไฟกระชากนี้จะสร้างความเครียดให้กับตัวเรียงกระแส ฟิวส์ ขั้วต่อ และตัวเก็บประจุเอง ขนาดของตัวจำกัดกระแสไฟกระชากควรเหมาะสมกับพลังงานที่สะสมและจำนวนครั้งที่เกิดซ้ำ ไม่ใช่แค่การเสียบปลั๊กครั้งแรกเท่านั้น
ค่า ESR ของตัวเก็บประจุเปลี่ยนแปลงได้มากกว่าแค่ค่าริปเปิล ค่า ESR ที่ต่ำมากอาจทำให้กระแสสูงสุดของวงจรเรียงกระแสสูงขึ้น ดังนั้นควรเลือกชิ้นส่วนให้สมดุลกับรูปแบบการจัดวางและค่าความต้านทานอนุกรมขนาดเล็ก แทนที่จะเชื่อมั่นในตัวเก็บประจุเพียงอย่างเดียว เมื่อเปลี่ยนชิ้นส่วน ควรตรวจสอบค่า ESR เทียบกับความถี่และค่าลดทอนกระแสริปเปิล ค่ากระแสริปเปิลและค่า ESR จะเป็นตัวตัดสินว่าชิ้นส่วนนั้นจะใช้งานได้หรือไม่ ไม่ใช่แค่ค่าความจุและแรงดันไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว
พารามิเตอร์ / ตัวเลือก | ผลกระทบต่อระลอกคลื่น | ผลกระทบต่อแรงดันกระชาก/ความเครียดของวงจรเรียงกระแส | หมายเหตุการออกแบบ |
|---|---|---|---|
ค่า ESR ของตัวเก็บประจุ (ต่ำเกินไป) | ปรับเปลี่ยนสัญญาณรบกวนขาออก; ทำงานร่วมกับ ESL สำหรับการเชื่อมต่อสัญญาณฮัม/เสียงรบกวน | ค่า ESR ที่ต่ำมากอาจทำให้กระแสสูงสุดของวงจรเรียงกระแสเพิ่มขึ้น | ปรับสมดุลด้วยการจัดวางและตัวต้านทานอนุกรมขนาดเล็กเสริม |
ค่า ESR ของตัวเก็บประจุ (แตกต่างจากค่าเดิม) | เปลี่ยนแปลงค่าความผันผวนของเอาต์พุตและความเสถียรของวงจรควบคุม | เปลี่ยนแปลงพฤติกรรมการพุ่งเข้า | ตรวจสอบค่า ESR เทียบกับความถี่และค่าลดทอนระลอกคลื่น |
การจัดอันดับกระแสริปเปิล | วัสดุทดแทนที่มีคุณภาพต่ำกว่าอาจร้อนกว่าและเสื่อมสภาพเร็วกว่า | - | กระแสริปเปิลและ ESR เป็นตัวกำหนดความอยู่รอด |
ความจุจำนวนมาก | - | แบตเตอรี่อิเล็กโทรไลต์ที่ไม่มีประจุจะดูเหมือนไฟลัดวงจร DC ตอนเปิดเครื่อง | ใช้ NTC, ตัวจำกัดสัญญาณแบบแอคทีฟ หรือตัวต้านทาน/รีเลย์แบบพรีชาร์จ |
การวางตำแหน่งตัวเรียงกระแส/จุดส่งกลับ | การวางตัวเก็บประจุไว้ใกล้กับตัวเรียงกระแสจะช่วยลดการเหนี่ยวนำของระลอกคลื่น | - | การต่อสายดินแบบดาวและการกรอง RC/LC ช่วยปกป้องรางไฟฟ้าที่ไวต่อสัญญาณรบกวน |
การต่อตัวเก็บประจุแบบขนาน | เพิ่มความสามารถในการสร้างคลื่นรบกวนและลดค่า ESR ที่มีประสิทธิภาพ | - | การเดินสายทองแดงแบบสมมาตรและพื้นที่วงจรที่เข้าคู่กันจะกระจายกระแสไฟฟ้าอย่างเท่าเทียมกัน |
วางตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ไว้ใกล้กับวงจรเรียงกระแสและจุดต่อกลับ การต่อลงดินแบบสตาร์และการใช้ตัวกรอง RC หรือ LC บนรางที่ไวต่อสัญญาณรบกวนจะช่วยลดเสียงฮัมและสัญญาณรบกวนอื่นๆ การต่อตัวเก็บประจุแบบขนานจะเพิ่มความสามารถในการรับคลื่นรบกวนและลดค่า ESR ที่มีประสิทธิภาพ ตราบใดที่คุณเดินสายทองแดงอย่างสม่ำเสมอและจับคู่พื้นที่วงจรเพื่อให้กระแสไฟฟ้ากระจายอย่างเท่าเทียมกัน
สำหรับการเกิดกระแสไฟกระชาก เทอร์มิสเตอร์ NTC นั้นราคาถูกและใช้งานง่าย แต่จะเกิดความร้อนสูงและสิ้นเปลืองพลังงานหลังจากสตาร์ทเครื่อง การจำกัดกระแสไฟแบบแอคทีฟมีราคาแพงกว่าและต้องใช้ตรรกะควบคุม แต่จะช่วยลดการสูญเสียในสภาวะคงที่ได้ ควรพิจารณาความสามารถในการระบายความร้อนเทียบกับต้นทุนวัสดุและความซับซ้อนในการประกอบก่อนตัดสินใจ
ตัวเก็บประจุ PFC, Y และตัวเหนี่ยวนำ CM
วงจร PFC จะเพิ่มสัญญาณรบกวนจากการสวิตช์เข้าไปอีกชั้นหนึ่ง นอกเหนือจากสัญญาณรบกวนจากตัวแปลงหลัก ความถี่ในการสวิตช์และฮาร์โมนิกส์ของมันจะไปรบกวนตัวกรองอินพุต ดังนั้นควรพิจารณา PFC และตัวกรองเป็นปัญหาการออกแบบเดียวกัน ตรวจสอบค่ามุมของตัวกรองเทียบกับความถี่ในการสวิตช์ของ PFC จากนั้นตรวจสอบค่าการลดทอนบนโต๊ะทดสอบ
ตัวเก็บประจุเพื่อความปลอดภัยจะอยู่ในตัวกรอง EMI ที่ส่วนหน้าของแหล่งจ่ายไฟ มักจะอยู่ข้างๆ โช้คเฟอร์ไรต์บนสายเคเบิลขาเข้า และโช้คโหมดร่วมหรือโหมดต่างในขั้นตอนการกรอง ตัวเก็บประจุคลาส Y จัดการกับสัญญาณรบกวนโหมดร่วมโดยการให้จุดขนานร่วมไปยังกราวด์ สำหรับอินพุต AC ไปยังแหล่งจ่ายไฟ DC ตัวเก็บประจุ Y หนึ่งตัวจะเชื่อมต่อสายไฟกับกราวด์ และอีกตัวหนึ่งจะเชื่อมต่อสายกลางกับกราวด์
ตัวเก็บประจุแบบ Y ถูกออกแบบมาเพื่อกรองสัญญาณรบกวนแบบ common-mode และเชื่อมต่อระหว่างสายไฟกับตัวเครื่อง ผลิตภัณฑ์วงจรหน้า AC ใช้ตัวกรองอินพุตแบบรวม ซึ่งประกอบด้วยโช้คแบบ common-mode ร่วมกับตัวเก็บประจุแบบ Y และตัวเก็บประจุแบบ X
ตัวแทน
ตำแหน่ง (การเชื่อมต่อ)
บทบาทในการกรอง EMI
ตัวเก็บประจุ Y (CY)
สายดินและสายกลาง
กรองสัญญาณรบกวนโหมดร่วม
โช้คโหมดร่วม (L1, L2)
ในซีรีส์เกี่ยวกับเส้นและความเป็นกลาง
จัดหาค่าความเหนี่ยวนำเพื่อใช้ในการกรองโหมดร่วม
ตัวเก็บประจุ X (CX)
เส้นสู่ความเป็นกลาง
กรองสัญญาณรบกวนแบบดิฟเฟอเรนเชียลโหมด
วางโช้ค CM ไว้ก่อนตัวเก็บประจุ Y ในเส้นทางกระแส และทำให้สายกราวด์ของตัวเก็บประจุ Y สั้นและต่อตรงไปยังตัวถัง สายกราวด์ที่ยาวเกินไปจะเพิ่มค่าความเหนี่ยวนำและทำให้ประสิทธิภาพของตัวต้านทานแบบขนานลดลง การจัดวางแบบนี้เป็นหัวใจสำคัญของการออกแบบวงจรลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ในแหล่งจ่ายไฟ AC/DC แบบสวิตช์โหมด และมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อคุณเลือกตัวกรอง EMI สำหรับข้อจำกัดที่เข้มงวด ประสิทธิภาพการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ดีในตัวแปลง AC/DC ขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตของวงจรส่วนหน้ามากพอๆ กับค่าของชิ้นส่วน ให้คิดว่าการแปลง AC-DC เป็นเหมือนโซ่: วงจรเรียงกระแส, วงจรขยายสัญญาณ, วงจรปรับเฟส (PFC), จากนั้นจึงเป็นตัวกรอง แต่ละส่วนจะกำหนดรูปแบบการปล่อยคลื่นที่คุณต้องลดทอน
การเลือกโทโพโลยีและหม้อแปลง
ข้อดีข้อเสียของการใช้ Flyback เทียบกับ LLC Resonant
โทโพโลยีที่คุณเลือกจะกำหนดระดับเสียงรบกวนก่อนที่คุณจะเลือกส่วนประกอบตัวกรองเสียอีก ฟลายแบ็กเป็นส่วนหนึ่งของตระกูล PWM แบบสวิตช์แข็ง ทรานซิสเตอร์จะเปิดทำงานในขณะที่ยังมีแรงดันไฟฟ้าสูงตกคร่อมอยู่ ความจุปรสิตจะชาร์จพลังงานจนถึงระดับแรงดันไฟฟ้านั้น แล้วปล่อยพลังงานผ่านทรานซิสเตอร์เมื่อเปิดทำงาน พลังงานนั้นจะออกมาในรูปของความร้อนและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
วงจรแปลงไฟแบบ LLC ที่ใช้เรโซแนนซ์ทำงานในลักษณะที่แตกต่างออกไป วงจรเรโซแนนซ์จะปรับจังหวะการเปิดให้สอดคล้องกับรูปคลื่นแรงดันและกระแสตามธรรมชาติ ทำให้สวิตช์มองเห็นแรงดันเป็นศูนย์ (ZVS) การสวิตช์แบบนุ่มนวลช่วยลดการสูญเสียจากความจุ ส่งผลให้มีความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ดีขึ้นในระดับกำลังไฟฟ้าสูง ซึ่งวงจรฟลายแบ็กแบบสวิตช์แข็งจะทำงานได้ยาก
คุณลักษณะ | บินกลับ | บริษัท แอลแอลซี เรโซแนนท์ |
|---|---|---|
สลับโหมด | การสวิตช์แบบแข็งภายใต้แรงดันไฟฟ้าที่จ่าย | การสลับสัญญาณอย่างนุ่มนวลผ่านวงจรเรโซแนนซ์ (ZVS) |
การสูญเสียการเปิดใช้งาน | พลังงานสะสมถูกแปลงเป็นความร้อนและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า | การสลับสัญญาณที่ซิงค์กับรูปคลื่นธรรมชาติ |
ผลกระทบจาก EMI | อาการจะแย่ลงเมื่อใช้งานที่ความถี่สูงและแรงดันสูง | ลดการสูญเสีย เพิ่มความเข้ากันได้ |
การประนีประนอมในการออกแบบ | กฎระเบียบที่ง่ายขึ้น | ค่า EMI ดีขึ้น แต่กฎระเบียบซับซ้อนขึ้น |
คุณต้องแลกมาด้วยการควบคุมที่ซับซ้อนขึ้นสำหรับวงจร LLC การควบคุมเอาต์พุตมักต้องการการปรับความถี่ในขณะที่การออกแบบยังคงรักษา ZVS ไว้ เลือกใช้ฟลายแบ็กสำหรับกำลังไฟต่ำและการควบคุมที่ง่าย เลือกใช้ LLC เมื่อประสิทธิภาพและการปล่อยมลพิษมีความสำคัญทั้งคู่ที่กำลังไฟสูง
การออกแบบหม้อแปลงและการป้อนกลับของออปโตคัปเลอร์
หม้อแปลงไฟฟ้าทำหน้าที่คล้ายเสาอากาศพอๆ กับเป็นชิ้นส่วนแม่เหล็ก วิธีการจัดเรียงขดลวดในช่องหน้าต่างส่งผลโดยตรงต่อค่าความเหนี่ยวนำรั่วไหลและค่าความจุไฟฟ้าแฝง ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ส่งผลต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าและประสิทธิภาพ การพันขดลวดให้แน่นช่วยลดการรั่วไหล ซึ่งจะช่วยลดพลังงานที่ตัวลดแรงกระแทกหรือตัวหนีบต้องดูดซับ การพันขดลวดแบบสลับชั้นยังช่วยให้การเชื่อมต่อแน่นขึ้น แต่ก็อาจทำให้ค่าความจุไฟฟ้าสูงขึ้นได้
ความจุระหว่างขดลวดทำให้เกิดสัญญาณรบกวนแบบ common-mode ข้ามฉนวน ความจุสูงจะส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพการทำงานของ common-mode และเพิ่มภาระให้กับตัวกรอง EMI โครงสร้างแบบแซนด์วิช (ขดลวดปฐมภูมิ-ทุติยภูมิ-ปฐมภูมิ) ช่วยลดการรั่วไหลได้ แต่ทำให้ฉนวนทำได้ยากขึ้น ขดลวดป้องกันและโช้ค common-mode มักมีความจำเป็นเพื่อให้เป็นไปตามข้อจำกัดด้านการนำไฟฟ้าและการแผ่รังสี
หมายเหตุ: ควรเลือกขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของสายไฟให้เหมาะสม สายไฟที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าจะช่วยลดค่าความจุไฟฟ้าแฝงและผลกระทบจากกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านผิวสายไฟ แต่จะทำให้ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าสูงขึ้น
วงจรป้อนกลับของออปโตคัปเปลอร์จะปิดผ่านตัวกั้นเดียวกันนั้น ควรวางออปโตคัปเปลอร์และวงจรชดเชยให้ห่างจากจุดสวิตช์ และเดินสายป้อนกลับให้พ้นช่องว่างของหม้อแปลง สัญญาณรบกวนที่แทรกซึมเข้าไปในเส้นทางป้อนกลับจะปรากฏเป็นสัญญาณกระตุก และสัญญาณกระตุกจะกระจายสเปกตรัม EMI ในลักษณะที่ตัวกรองของคุณไม่ได้ปรับแต่งไว้ ในการแปลง AC เป็น DC ให้พิจารณาหม้อแปลง ตัวกั้น และวงจรป้อนกลับเป็นปัญหาการจัดวางเดียวกัน
กลยุทธ์การออกแบบ EMC และ EMI สำหรับการจัดวางเลย์เอาต์
การจัดวางตัวกรองและเส้นทางกระแสความถี่สูง
กลยุทธ์การออกแบบ EMC และ EMIที่ดีเริ่มต้นด้วยเส้นทางส่งกลับ กระแสความถี่สูงจะไหลไปตามเส้นทางที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำที่สุด ไม่ใช่เส้นทางที่คุณวาดไว้ในแผนผังวงจร ให้กระแสเหล่านั้นมีระนาบกราวด์ที่แข็งแรง และมันจะอยู่ใต้เส้นทางเดินของกระแส หลีกเลี่ยงการแยกกราวด์ใต้เส้นทางเดินของกระแสความถี่สูง หากคุณหลีกเลี่ยงการแยกกราวด์ไม่ได้ ให้เชื่อมต่อด้วยตัวเก็บประจุแบบเชื่อมต่อ
ควรติดตั้งตัวกรองสัญญาณรบกวนขาเข้าไว้ที่ขั้วต่อ ก่อนที่สัญญาณรบกวนจะแพร่กระจายไปทั่วแผงวงจร ควรวางตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าให้ห่างจากส่วน RF และส่วนอนาล็อก ควรใช้เส้นทางสัญญาณความถี่สูงที่สั้น และใช้การดัดโค้ง 45 องศาหรือแบบโค้งแทนการดัดโค้ง 90 องศา
กลยุทธ์การจัดวาง | การปฏิบัติที่สำคัญ | คำแนะนำ |
|---|---|---|
พื้นดินแข็ง | ปูรองพื้นให้ทั่ว | รักษาให้กระแสไหลกลับอยู่ใต้ร่องรอย |
พื้นดินแยกออก | เชื่อมช่องว่างด้วยตัวเก็บประจุแบบเย็บ | การต่อตัวเก็บประจุข้ามช่องว่าง |
ร่องรอยยาม | แนวเส้นที่ไวต่อความเสียหาย ต่อลงดินด้วย vias | ระยะห่างของรูเชื่อมต่อ (vias) เท่ากับ λ/20; ลดการรบกวนข้ามช่องสัญญาณได้มากถึง ~20 dB |
decoupling | ชิ้นส่วนเซรามิกที่มีค่า ESL ต่ำใกล้กับขาจ่ายไฟ | 0.01–0.1 µF ภายในระยะ 1–2 มม. จากหมุด |
อิมพีแดนซ์ควบคุม | ปรับค่าความต้านทานของเส้นทางให้เข้ากับระบบ | 50 Ω สำหรับ RF; FR-4 εr อยู่ที่ 4.2 |
เมื่อเลือกใช้ตัวกรอง EMI ให้ตรวจสอบตำแหน่งที่ติดตั้งชิ้นส่วนนั้น ไม่ใช่แค่ค่าของมัน ตัวกรองที่วางไว้หลังเส้นทางสัญญาณยาวๆ จะดักจับสัญญาณรบกวนที่เส้นทางสัญญาณนั้นแผ่กระจายออกมาแล้ว ทดสอบตัวกรอง EMI บนแผงวงจรจริง โดยใช้เส้นทางส่งกลับสัญญาณจริง การกรองจะทำงานได้ก็ต่อเมื่อตัวเก็บประจุแบบขนานมีเส้นทางสั้นๆ และตรงไปยังกราวด์เท่านั้น
หมายเหตุ: ตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนที่วางไว้ห่างจากขาพินจะเพิ่มค่าความเหนี่ยวนำและสูญเสียประสิทธิภาพที่ความถี่สูง
การคืบคลาน ระยะห่าง และระยะห่างตามมาตรฐาน IEC 62368
ระยะห่างเพื่อความปลอดภัยจะจำกัดการจัดวางวงจรกรองของคุณก่อนที่จะพิจารณาประสิทธิภาพทางไฟฟ้า มาตรฐาน IEC 62368 กำหนดระยะห่างและระยะคืบคลานที่คุณต้องรักษาไว้ระหว่างฉนวนกั้น ตัวเก็บประจุแบบ Y และโช้คโหมดร่วมจะวางอยู่บนฉนวนกั้นนั้นพอดี แผ่นรอง วงจร และช่องเสียบของอุปกรณ์เหล่านี้ต้องเป็นไปตามระยะห่างที่กำหนดไว้
วัดระยะการคืบคลานตามพื้นผิวและระยะห่างผ่านอากาศ การเจาะร่องบนแผ่นวงจรจะช่วยเพิ่มระยะการคืบคลานโดยไม่ต้องเพิ่มความสูง เดินสายกราวด์ของตัวเก็บประจุ Y ตรงไปยังตัวเครื่อง และอย่าให้สายอื่นๆ อยู่ในบริเวณนั้น ตรวจสอบระยะห่างอีกครั้งหลังจากย้ายชิ้นส่วนตัวกรองเพื่อตรวจสอบการปล่อยมลพิษ การจัดวางวงจรที่ผ่านเกณฑ์ข้อจำกัดด้านการนำไฟฟ้าอาจยังไม่ผ่านการตรวจสอบด้านความปลอดภัยได้
มาตรฐาน ข้อจำกัด และการปฏิบัติตามข้อกำหนดเบื้องต้น
ขีดจำกัดการนำไฟฟ้าและการแผ่รังสีตามมาตรฐาน CISPR 32 และ EN 55032
มาตรฐาน CISPR 32 และ EN 55032 กำหนดขีดจำกัดการปล่อยคลื่นรบกวนที่คุณต้องปฏิบัติตามสำหรับอุปกรณ์มัลติมีเดีย มาตรฐานนี้ครอบคลุมทั้งการปล่อยคลื่นรบกวนแบบนำไฟฟ้าและแบบแผ่รังสี ขีดจำกัดแบบนำไฟฟ้าใช้ในช่วงความถี่ 9 kHz ถึง 30 MHz สำหรับอุปกรณ์เชิงพาณิชย์ ส่วนขีดจำกัดแบบแผ่รังสีใช้ในช่วงความถี่ 30 MHz ขึ้นไป วงจรแปลงไฟ AC/DC ด้านหน้าต่อกับไฟบ้าน ดังนั้นจึงต้องเผชิญกับขีดจำกัดแบบนำไฟฟ้าเต็มที่ ส่วนวงจรแปลงไฟ DC/DC ที่อยู่ถัดไปจะรับแหล่งกำเนิดสัญญาณที่เงียบกว่า แต่สัญญาณรบกวนจากการสวิตช์ก็ยังคงส่งผ่านไปยังตัวแปลงไฟอยู่ดี ดังนั้น ให้ถือว่าอินพุต AC เป็นจุดทดสอบที่เข้มงวดที่สุด
เครื่องวัดความต้านทานฉนวน (LISN) ที่คุณใช้จะขึ้นอยู่กับประเภทของอินพุต ไฟฟ้ากระแสสลับเชิงพาณิชย์ต้องการวงจร 50 μH + 5 Ω || 50 Ω เช่น Tekbox TBLC08 ส่วนงานไฟฟ้ากระแสตรงในรถยนต์ใช้วงจร 5 μH || 50 Ω เช่น Tekbox TBOH01 ทั้งสองแบบให้ค่าที่วัดได้แม่นยำซ้ำได้โดยไม่ต้องใช้ห้องเก็บเสียงสะท้อน
การทดสอบก่อนการปฏิบัติตามข้อกำหนดบนแท่นทดสอบ
ขั้นตอนการทำงานบนโต๊ะทดลองช่วยตรวจพบปัญหาต่างๆ ได้ส่วนใหญ่ก่อนที่จะต้องนำส่งห้องปฏิบัติการ ทำตามขั้นตอนเหล่านี้:
ระบุมาตรฐานเป้าหมาย เช่นCISPR 32 หรือ EN 55032
ติดตั้งเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมพร้อมพรีแอมพลิฟายเออร์ ชุดโพรบสนามใกล้ และ LISN เหนือแผ่นพื้นขนาดใหญ่
ใช้โพรบตรวจจับระยะใกล้สแกนแผงวงจรและสายเคเบิลเพื่อค้นหาจุดที่มีความร้อนสูง
แก้ไขการจัดวาง การป้องกัน หรือการกรอง จากนั้นทดสอบอีกครั้งและเปรียบเทียบผล
ส่งเรื่องขอรับการรับรองเมื่อเห็นว่าส่วนต่างกำไรอยู่ในระดับที่ปลอดภัยแล้ว
หัววัดระยะใกล้ (Near-field probes) ใช้งานได้เฉพาะในระยะใกล้ไม่กี่เซนติเมตรเท่านั้น ให้ค่าการวัดแบบสัมพัทธ์ ดังนั้นจึงควรใช้เพื่อระบุตำแหน่งแหล่งกำเนิดสัญญาณ ไม่ใช่เพื่อตรวจสอบขีดจำกัด จำเป็นต้องใช้ตัวจำกัดสัญญาณชั่วขณะ (Transient limiter) สัญญาณชั่วขณะจากการเปิดเครื่องกระแสสลับ (AC turn-on transients) สามารถคายประจุได้ถึง ±325 V ลงในไดโอดผสมสัญญาณ (mixer diodes) ที่มีพิกัดกำลังส่ง RF +20 dBm ถึง +30 dBm ตัวจำกัดสัญญาณ เช่น Tekbox TBFL1 จะจำกัดกำลังส่งไว้ที่ +11 dBm ภายใต้การโอเวอร์โหลด 5 W
ระยะห่างเพื่อความปลอดภัยตามมาตรฐาน IEC 62368 กำหนดข้อจำกัดในการทำงานนี้ แผ่นรองตัวเก็บประจุ Y และลายวงจรโช้ค CM ต้องมีระยะคืบและระยะห่างตามที่กำหนด ตรวจสอบระยะห่างอีกครั้งหลังจากเปลี่ยนตัวกรองทุกครั้ง
ข้อแลกเปลี่ยนระหว่างความร้อน โครงสร้าง และการออกแบบเพื่อการผลิต (DFM)
ผลกระทบจากความร้อน การป้องกัน และการห่อหุ้ม
ความร้อนและฉนวนกันความร้อนต่างก็ใช้พื้นที่เท่ากันภายในตัวแปลงสัญญาณ การออกแบบตัวเรือน การไหลเวียนของอากาศ และตำแหน่งที่วางชิ้นส่วน ล้วนส่งผลต่ออุณหภูมิที่เกิดขึ้น คุณต้องตรวจสอบการลดพิกัดกำลังภายในตัวเรือนสุดท้าย ไม่ใช่บนแท่นทดสอบ ชิ้นส่วนที่ดูเย็นบนแท่นทดสอบ อาจมีอุณหภูมิเกินพิกัดเมื่อปิดตัวเรือนแล้ว
การใช้งานอย่างต่อเนื่องหรือในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงจำเป็นต้องมีระยะเผื่อความร้อน เพิ่มเติม ระยะเผื่อนี้ครอบคลุมถึงการเสื่อมสภาพ การสะสมของฝุ่น และสภาวะที่เลวร้ายที่สุด ในตู้ขนาดเล็กที่มีการไหลเวียนของอากาศจำกัด แม้แต่การสูญเสียประสิทธิภาพเพียงเล็กน้อยก็สามารถลดกำลังไฟฟ้าที่ใช้งานได้ลงอย่างมาก วางแผนงบประมาณด้านความร้อนก่อนที่จะกำหนดการออกแบบทางกล
การป้องกันด้วยฉนวนช่วยลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าได้โดยตรง โมดูลที่ติดตั้งบนแผงวงจรส่วนใหญ่มักอยู่ใกล้กับจุดเชื่อมต่ออินพุต การป้องกันที่อ่อนแอจะทำให้การรบกวนที่แผ่กระจายออกมาสร้างสัญญาณรบกวนแบบนำไฟฟ้าที่จุดเชื่อมต่อเหล่านั้น ตัวเรือนโมดูลพลาสติกมักไม่มีการป้องกันเลย ชุดเคสเสริมสามารถลดการปล่อยคลื่นที่ส่งผลต่อตัวนำของแหล่งจ่ายไฟได้ ผสมผสานขั้นตอนทางกลกับทางไฟฟ้าเข้าด้วยกัน เช่น การป้องกันด้วยฉนวน การจัดวางอย่างระมัดระวัง พื้นที่วงจรที่เล็กลง และระนาบกราวด์ที่แข็งแรง รวมถึงการกรอง การแยกส่วน การลดทอน และการบายพาส การผสมผสานดังกล่าวจะช่วยให้คุณบรรลุเป้าหมายการปฏิบัติตามข้อกำหนด เช่น EN 55022 Class B
ข้อจำกัด DFM เกี่ยวกับส่วนประกอบตัวกรอง
ตัวกรอง EMI ของคุณต้องผ่านสายการผลิตไม่ใช่แค่ในห้องปฏิบัติการ โช้คโหมดร่วมที่มีลวดเส้นเล็กอาจแตกหักระหว่างการขนส่ง ตัวเก็บประจุ X ขนาดใหญ่จำเป็นต้องมีพื้นที่ห้ามวางซึ่งอาจขัดกับแบบแปลนของคุณ เลือกชิ้นส่วนที่มีขนาดมาตรฐานและบรรจุภัณฑ์แบบม้วน ตรวจสอบให้แน่ใจว่าเครื่องวางชิ้นส่วนสามารถรองรับขนาดและน้ำหนักของตัวชิ้นส่วนได้
ชิ้นส่วนลดแรงสั่นสะเทือนเพิ่มต้นทุนและขั้นตอนการบัดกรี ตัวเก็บประจุลดแรงสั่นสะเทือนที่มีขนาดใหญ่กว่าตัวเก็บประจุอินพุตสามถึงสี่เท่าจะใช้พื้นที่บนแผงวงจร และอาจต้องใช้วัสดุฉนวนที่แตกต่างกัน ตรวจสอบลักษณะการบัดกรีสำหรับชิ้นส่วนที่เพิ่มเข้ามาทุกชิ้น สอบถามผู้ผลิตเกี่ยวกับความเสี่ยงของการเกิดปรากฏการณ์ "tombstoning" ในตัวเก็บประจุขนาดเล็กที่อยู่ใกล้กับมวลความร้อนขนาดใหญ่
จุดทดสอบและแผ่นปรับจูนช่วยได้ในระหว่างขั้นตอนการตรวจสอบก่อนการปฏิบัติตามข้อกำหนด นอกจากนี้ยังเพิ่มต้นทุนเมื่อผลิตในปริมาณมาก ตัดสินใจตั้งแต่เนิ่นๆ ว่าจะคงแผ่นใดไว้และจะถอดแผ่นใดออก รักษาโครงสร้างของตัวกรองให้คงที่ในการแก้ไขแต่ละครั้ง เพราะการย้ายตำแหน่งของแผ่นปรับจูนจะเปลี่ยนค่าการเหนี่ยวนำปรสิตและส่งผลต่อผลการทดสอบที่วัดได้ พิจารณาการเปลี่ยนแปลงตัวกรองทุกครั้งเป็นการเปลี่ยนแปลงการออกแบบที่ต้องทำการทดสอบใหม่ทั้งหมด
เริ่มจากประเภทของเสียงรบกวนและเส้นทางการเชื่อมต่อ จากนั้นเลือกและจัดวางตัวกรองให้เหมาะสม ลำดับนี้จะช่วยให้คุณไม่ต้องเดา
มีสามนิสัยสำคัญที่สุด ประการแรกคือ ลดความชื้นในทุกขั้นตอนของวงจร LC เพื่อให้สัญญาณอินพุตคงที่ ประการที่สองคือ ปฏิบัติตามข้อจำกัดเรื่องระยะห่างของตัวเก็บประจุ Y และมาตรฐาน IEC 62368 แม้หลังจากเคลื่อนย้ายชิ้นส่วนแล้วก็ตาม ประการที่สามคือ ทดสอบการทำงานเบื้องต้นก่อนกำหนด เพื่อให้ตรวจพบการปล่อยคลื่นรบกวนก่อนการทดสอบในห้องปฏิบัติการ
ถือว่า emi เป็นงานระดับบอร์ดที่ต้องดำเนินการซ้ำๆ ไม่ใช่การแก้ไขหลังจากเกิดความล้มเหลว:
ระบุเป้าหมาย EMC ในระหว่างการกำหนดคุณสมบัติ
ทดสอบทีละขั้นตอนโดยใช้เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมและโพรบสนามใกล้
ปรับเฉพาะความถี่ที่มีปัญหาเท่านั้น
ควรพิจารณาข้อดีข้อเสียในการผลิตตั้งแต่เนิ่นๆ การป้องกันด้วยวัสดุฉนวนจะขัดขวางการระบายความร้อน และโครงสร้างที่มีระยะห่างระหว่างขาแคบจะทำให้ต้นทุนสูงขึ้น ควรนำผู้ออกแบบตัวกรองและผู้ผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เข้ามามีส่วนร่วมในการตรวจสอบการแปลงกระแสสลับเป็นกระแสตรง การเปลี่ยนแปลงข้อกำหนดเล็กน้อยอาจทำให้ต้องออกแบบใหม่ทั้งหมด
คำถามที่พบบ่อย
เมื่อการสแกนล้มเหลว คุณควรตรวจสอบโหมดลดเสียงรบกวนโหมดใดก่อน?
แยกโหมดการทำงานก่อนที่จะสัมผัสชิ้นส่วนใดๆ ใช้โพรบวัดกระแส RF หนีบสายไฟและสายกลางเข้าด้วยกันเพื่อวัดกระแสโหมดทั่วไป หรือต่อสายทั้งสองเส้นในทิศทางตรงกันข้ามผ่านโพรบเพื่อวัดกระแสโหมดต่าง เปรียบเทียบค่าที่ได้ทั้งสอง แล้วเลือกขนาดตัวกรอง EMI ให้เหมาะสมกับโหมดที่เด่นกว่า
เหตุใดวงจร LC จึงไม่สามารถกำจัดสัญญาณรบกวนแบบ common mode ได้?
กระแสแบบดิฟเฟอเรนเชียลจะไหลออกไปทางตัวนำตัวหนึ่งและไหลกลับเข้ามาทางตัวนำอีกตัวหนึ่ง ส่วนกระแสแบบคอมมอนจะไหลไปในทิศทางเดียวกันบนทั้งสองสายและไหลกลับผ่านตัวถังหรือกราวด์ วงจร LC จะลดทอนเฉพาะเส้นทางแรกเท่านั้น คุณต้องใช้โช้คแบบคอมมอนและตัวเก็บประจุแบบ Y ที่อินพุตเพื่อลดทอนเส้นทางที่สอง
จะป้องกันไม่ให้ตัวกรองเกิดเสียงก้องหรือการสั่นสะเทือนได้อย่างไร?
รักษาค่าอิมพีแดนซ์เอาต์พุตของฟิลเตอร์ให้ต่ำกว่าอิมพีแดนซ์อินพุตของตัวแปลงสัญญาณตลอดช่วงแบนด์วิดธ์ของวงจรควบคุม นี่คือเกณฑ์ของ Middlebrook เพิ่มการหน่วงเพื่อให้ค่าสูงสุดที่ความถี่ตัดต่ำ และตรวจสอบการตอบสนองด้วยการวิเคราะห์การตอบสนองความถี่แทนที่จะทดสอบในโดเมนเวลาเพียงอย่างเดียว
ควรวางตัวกรองสัญญาณอินพุตไว้ที่ใดบนแผงวงจร?
วางตัวเก็บประจุไว้ที่จุดเชื่อมต่อก่อนที่สัญญาณรบกวนจะแพร่กระจายไปทั่วแผงวงจร ให้ต่อสายกราวด์ของตัวเก็บประจุ Y ให้สั้นและต่อตรงไปยังตัวถัง ตัวเก็บประจุแบบขนานต้องการเส้นทางที่แคบไปยังกราวด์ มิฉะนั้นค่าความเหนี่ยวนำของลายวงจรจะทำให้ประสิทธิภาพลดลง ทดสอบตัวกรองบนแผงวงจรจริงโดยใช้เส้นทางกราวด์จริง
