سوئيچينگ و روشهای کاهش ان

[spow 44197]

سويچينگ و روشهاي کاهش آن و اثرات مخرب تداخل امواجالكترومغناطيسي در منابع تغذیه!

 

....پديده انتشار امواج الکترو مغناطيسي ومنابع توليد آن....

 

مبدلهاي قدرت سوئيچينگ بدليل مزيتهاي زيادي كه دارند،محبوبيت زيادي پيدا كرده اند و به عنوان جزء اصلي هر نوع دستگاهي كه نياز به تغذيهدارد، بكار مي روند. اما با وجود اين همه مزيت، يك عيب اساسي نيز در اين منابعتغذيه سوئيچينگ وجود دارد و آن توليد نويز با فركانس بالا است كه بدليل كليدزنيسريع رگولاتورهاي مبدل قدرت با توانهاي فوق العاده زياد، بوجود مي آيد. در بيشتركاربردها، ضروري است كه نويز را در خارج از منبع تغديه ***** كنند و از انتشار آنبا استفاده ازپرده هاي فلزي محافظي كه روي دستگاه كشيده مي شود، جلوگيريكنند.

منبع توليد امواج الكترومغناطيسي، تغييرات سريع ميدانهاي الكتريكي يامغناطيسي است. منابع مهم توليد تداخل امواج الكترومغناطيسي، موتورهاي الكتريكي( خصوصاً موتورهاي با جاروبك و همچنين تكفاز)، رله ها و كليدهايي كه با سرعت زيادجريان الكتريكي را قطع و وصل مي كنند، مي باشند. منابع تغذيه سوئيچينگ نيز بدليلعملكرد كليدزني آنها، يكي از منابع مهم بوجود آورندة تداخل امواج الكترومغناطيسيمحسوب مي شوند. در اين منابع تغذيه سوئيچينگ، امواج الكترومغناطيسي بر اثر كليدزنيسريع ترانزيستور و قطع و وصل سريع جريان ايجاد مي شود. همچنين تلفات كليد زني درزمان روشن كردن و يا خاموش كردن ترانزيستور ها نيز يكي از دلايل ايجاد امواجالكترومغناطيسي است، كه در هوا منتشر شده و از آنجايي كه داراي هارمونيك هاي بافركانس بالايي هستند، بعنوان امواج الكترومغناطيسي مخرب عمل مي كنند و روي سيستمهايمخابراتي اثرات نامطلوب مي گذارند.

به همين دليل منابع تغذيه سوئيچينگ را مي بايستتوسط جعبه هاي فلزي پوشاند تا از انتشار امواج الكترومغناطيسي در محيط، توسط منابعتغذيه سوئيچينگ جلوگيري شود. به عنوان نمونه مي توان به منابع تغذيه سوئيچينگ دركامپيوترهاي شخصي اشاره كرد كه در يك جعبة فلزي از آن محافظت مي شود، تا بتوان تاحد ممكن از تداخل الكترومغناطيسي توسط منبع تغذيه سوئيچينگ جلوگيري نمود. همچنين درطراحي منابع تغذيه سوئيچينگ تا حد ممكن بايد دقت شود كه با بكار گرفتن روشهايمناسب، امواج الكترومغناطيسي را كه در فضاي اطراف منتشر مي شود كاهش داد.

برايدرك چگونگي ايجاد تداخل امواج الكترومغناطيسي به يك مثال ساده اشاره مي كنم. درمداري متشکل از یک منبع dc، یک کليد و یک مقاومت که بطور سري با هم بسته شده باشند،با باز بودن كليد فقط يك ميدان ثابت الكتريكي بين سيم رفت و سيم برگشت ايجاد ميشود.

با بستن كليد علاوه بر ميدان الكتريكي بين دو سيم، يك ميدان حلقوي مغناطيسيناشي از عبور جريان از درون سيم نيز بوجود مي آيد.

حال اگر عمل قطع و وصل كليدبا سرعت زياد انجام شود يك موج الكترومغناطيسي كه متغير با زمان نيز مي باشد ايجادمي شود و مي تواند براحتي در فضاي اطراف سيمها منتشر شود. هر چه سرعت كليدزني بيشترباشد، امواج االكترومغناطيسي توليدي داراي فركانس بيشتري مي شود و براحتي و با انرژيكمتري مي تواند در شعاع بيشتري در فضا انتشار يابد. در يك مدار سادة منبع تغذيهسوئيچينگ نيز با قطع و وصل جريان، يك مولد امواج الكترومغناطيسي است. در بين پيوندكلكتور- اميتر ترانزيستور، بر اثر قطع و وصل شدن با سرعت زياد، ميزان خيلي زياد dv/dt وجود دارد که ناشي

از شيب خط منحني ولتاژ در زمان قطع و وصل است. و نيز درخازن di/dt زيادي وجود دارد که آن هم ناشي از شيب خط منحني جريان در زمان قطع و وصلاست. كه اين مقادير بالاي dv/dt و di/dt مي توانند يك موج الكترومغناطيسي شديد رابا توان بالا توليد كند.

منبع ايجاد نويز ديگر در منابع تغذيه سوئيچينگ، سيستميكسوسازي آن مي باشد. از آنجايي كه يكسوسازها موج ورودي را بصورت گسسته قطع و وصلمي كنند، داراي مقدار di/dt زيادي مي باشند.

امواج الكترومغناطيسي مي توانندتوسط هدايت كننده هاي الكتريكي در فضا منتشر مي شوند. كوپلاژهاي الكتريكي كه توسطخازن، سلف و يا ترانسفورماتور ايجاد مي شوند نيز مي توانند از طريق فاصلة هوايي،امواج الكترومغناطيسي را در فضاي اطراف منتشر كنند.

امواج الكترومغناطيسي كه درفضا منتشر مي شوند عبارتند از:

1_نويز منتشر شده از اتصال خروجي سيستمايزولاسيون به بار.

2_نويز منتشر شده از اتصال ورودي قدرت به سيستمايزولاسيون.

3_امواج الكترومغناطيسي منتشر شده از فاصلة هوايي در فضا.

4_ايزولاسيون منبع قدرت اوليه و بار باعث مي شود نويز ورودي به خروجي انتقال يابد وبالعكس.

در مسألة تداخل امواج الكترومغناطيسي هر سيستم الكترونيكي يكي از نقشهايي از لحاظ توليد، انتقال و دريافت آن را ايفا مي کند که عبارتند از:

1_يكسيستم الكترونيكي منبع ايجاد تداخل امواج الكترومغناطيسي است.

2_يك سيستمالكترونيكي به عنوان کانال انتقال دهندة امواج الكترومغناطيسي عمل مي كند.

3_يكسيستم الكترونيكي گيرنده و تأثير پذير از امواج الكترومغناطيسي است.

با توجه بهاينكه يك سيستم الكترونيكي كدام يك ازنقشهاي فوق را درمسألة تداخل امواجالكترومغناطيسي دارا مي باشد، مي توان چاره اي براي برطرف كردن اين مسأله پيدا نمودو تداخل امواج الكترومغناطيسي كه پديدة نامطلوبي است را تا حد ممكن كاهش داده و حتيآن را از بين برد. براي كاهش دادن ميزان نويز الكترومغناطيسي، سه مرحله را مي بايستانجام داد. اوّلاً در صورتي كه امكان داشته باشد و به ماهيت مدار الكتريكي و عملكردآن آسيبي نرسد، با كاهش دادن مقدارdv/dt وdi/dt، ميزان نويز راتا حد امكان كم کنيم. همچنين بايد توجه داشت كه در طراحي اوليه حتي الامكان ميدانهاي مغناطيسي و الكتريكيكاهش داده شوند. دوّما ًهدايت نويز در طول مسير مدارات بايست ***** شود و نيز درآخر جهت جلوگيري از تشعشع نويز توسط يك پردة محافظ (شيلد) روي سيستم را بپوشانيم. سوّماً ابعاد سيستم را به گونه اي پياده سازي كنيم كه منبع نويز را تاحد ممكن تضعيفكرده باشيم و اين از جمله نكات ظريفي است كه يك طراح منبع تغذيه سوئيچينگ بايد بهآن دقت كند.

....كاهش دادن تداخل امواج الكترومغناطيسي در منبعايجاد اين امواج....

در اين قسمت به انواع راه کارها براي کاهشپديده انتشار و تداخل امواج الکترومغناطيسي اشاره شده است.

افزودن خازن و سلف براي کاهش گراديان جريان وولتاژ

بيشترين ميزان توليد امواج الكترومغناطيسي در فضاي اطراف ترانزيستور اصلياست كه عمل كليدزني را انجام مي دهد. پس مي توان گفت كه اين ترانزيستور بعنوان يكمنبع توليد نويز مخابراتي پرقدرت، عمل مي كند. انتقال ناگهاني جريان و ولتاژ درمدار، نوساناتي را بصورت تحريك ضربه اي در مدل پارازيتي خازن و همچنين سلفترانسفورماتور و سيم پيچ ها ايجاد مي كند. براي اينكه ميزان تداخل امواجالكترومغناطيسي را در درون منبع توليد نويز كاهش دهيم، بايد توجه داشت كه چقدر ميتوانيم سرعت تغييرات جريان را در منبع مولد نويز كاهش دهيم. در صورتي كه امكان كاهشتغييرات جريان براي ما وجود داشته باشد يك سلف كوچك را براي محدود نمودن تغييراتجريان di/dt در مدار بصورت سري و يك خازن را بصورت موازي براي كاهش دادن تغييراتولتاژ dv/dt قرار مي دهيم. اين روش مناسبترين و مؤثر ترين روش كاهش مقدار توان نويزدر المان كليدزني است.

منبع مهم ديگر توليد نويز و تداخل امواج الكترومغناطيسي،زمان افت سريع جريان در ديودهايي كه باياس معكوس مي شوند، است. معمولاً يك ديود بازمان بازيابي معكوس سريع، داراي زمان بازيابي حدود 10 نانو ثانيه مي باشد. پس اينديود مي تواند، مقداري از نوسانات را (در صورتي كه در رنج فركانسي بالا در حال كارباشد) به فضا منتشر كند. زمان افت را در ديودها به اين صورت مي توان كنترل كرد كهاز ديودهايي كه داراي تكنولوژي ساخت Soft recovery هستند، استفاده شود، يا در صورتيكه از ديودهاي با زمان بازيابي سريع استفاده مي كنيم، يك خازن كوچك سراميكي رامستقيماً با ديود موازي كنيم. همچنين مي توان يك سلفRF را با ترانزيستوري كه عملكردكليدزني را انجام مي دهد يا ديود سري كنيم تا با تغييرات ناگهاني جريان مخالفت كندو زمان خاموش شدن ديود را افزايش دهد و همچنين لبة تيز جريان كه ناشي از كليدزنياست را از بين ببرد. در صورتي كه روشهاي فوق امكان پذير نباشد، مي بايست كه با يكپردة محافظت كنندة فلزي (شيلد)، المان كليدزني را بپوشانيم. تا از تشعشع امواجالكترومغناطيسي به فضاي اطراف تا حد ممكن جلوگيري كنيم. معمولاً در عمل در اكثرمنابع تغذيه سوئيچينگ با ***** كردن و استفاده از پوشش هاي فلزي تداخل امواجالكترومغناطيسي را كاهش مي دهند.

_نوع سيم كشي:

اندازه و ابعاد فيزيكي يك منبعتغذية سوئيچينگ در توليد امواج الكترومغناطيسي نقش مهمي را ايفا مي كند. با كم كردنفاصلة سيمهاي رفت و برگشت در منابع تغذيه سوئيچينگ با استفاده از اثر القاء متقابلسيمها بر روي همديگر ميتوان نويز ناشي ازامواج الكترومغناطيسي اطراف سيمها را كاهشداد. همچنين نويز ناشي از ترانسفورماتور را با استفاده از پردة محافظ فلزي ونويزهاي ديگر ناشي از سيم كشي را با استفاده از سيمهاي با غلاف شيلد فلزي و سيم پيچهاي بي فيلار تا حد امكان در عمل كاهش مي دهند.

_زمين كردن:

يكي از روشهاي مهار كردن امواجالكترومغناطيسي مخرب، زمين كردن الكتريكي است. روش زمين كردن ساده ترين روش كاهشدادن نويز در منبع مي باشد.

اما براي كم كردن هر چه بيشتر امواج الكترومغناطيسيو تداخل ناشي از آن بايد به اين نكته توجه شود كه سيمهايي كه براي اتصال زمينالكتريكي از آنها استفاده مي شود از مقاومت الكتريكي خيلي كمي برخوردار باشند. تاحتي الامكان از افت ولتاژ روي مقاومت پارازيتي معادل سيم كاسته شده و نويز بطوركامل به زمين منتقل شود. روش زمين كردن الكتريكي براي كاهش دادن ميزان نويزسيستمهايي كه در فركانسهاي كم تا حد یک مگا هرتز كارميكنند مناسب است. هر چقدر كهفركانس سيستم بالا رود، امپدانس سيمهاي زمين هم بالا مي رود و افت ولتاژ روي مقاومتپارازيتي سيمها، زياد مي شود و در نتيجه توان تداخل امواج الكترومغناطيسي نيز بيشترمي شود. سه پارامتر مهم را كه در همة منابع تغذيه سوئيچينگ بايد زمين شوند عبارتنداز:

1_ سيستم انتقال سيگنالهاي با توان کم.

2_سيستم قدرت با نويززياد.

3_جعبة فلزي منبع تغذية سوئيچينگ.

_استفاده از پردة محافظ براي جلوگيري از تشعشعامواج الكترومغناطيسي:

يكي از مسائل مهمي را كه در طراحي منابع تغذيه سوئيچينگبايد به آن توجه كرد تشعشع امواج الكترومغناطيسي ازقطعات به فضاي اطراف است. اينمسأله در طراحي منابع تغذيه سوئيچينگ از اهميت ويژه اي برخوردار است. حتي اگر بهسيم كشي و زمين كردن اصولي توجه زيادي داشته باشيم ولي به تشعشع امواجالكترومغناطيسي از قطعات سيستم توجه نکنيم، خواهيم ديد كه هنوز نويز زيادي در فضاياطراف منبع تغذيهاي كه با روش سوئيچينگ كار مي كند منتشر ميشود و اين ميزان نويز ميتواند در سيستمهاي مخابراتي و الكترونيكي كه در مسافت نزديك در حال كار هستند بصورتمخرب ايجاد تداخل امواج الكترومغناطيسي كند.

عمل كليدزني در رگولاتورهاي بافركانس زياد مي تواند نويز با هارمونيكهاي پرقدرت در رنج فركانسي VHF توليد كند. بسته هاي قطعات مدار نمي توانند از تشعشع امواج با فركانس بالاي الكترومغناطيسيجلوگيري نمايند و فركانسهاي راديويي كه در فضا براحتي منتشر مي شوند، در باندهايراديويي و تلويزيوني و حتي ماكروويو ايجاد تداخل مخرب مي كنند. براي از بين بردناين مشكل بايد اطراف قطعات را با پرده هاي فلزي محافظ كه داراي زمين الكتريكي هستندو كاملاً آب بندي شده اند پوشاند. تا از تشعشع امواج الكترومغناطيسي آنها جلوگيريشود و حتي هيت سينكهاي قطعات نيز بايستي كه زمين الكتريكي شوند.

_پرده فلزی:

از بين بردن ميدانهاي الكتريكيخيلي ساده است. ميدان فلزي را مي توان با يك شيلد فلزي با استفاده از مكانيزمانعكاس و زمين كردن آن در خارج از محفظة شيلد شده از بين برد. اما ميدانهايمغناطيسي كه اطراف ترانسفورمرها ايجاد ميشوند بسختي از بين مي روند. اساسي ترين روششيلد كردن ميدانهاي مغناطيسي، استفاده از شيلد مغناطيسي جذب كننده ميباشد. افزودنخاصيت مغناطيسي به صفحة استيل سالم يكي از راههاي زياد كردن پرمابيليته است وهمچنين مي توان از موادي مانند آلياژ آهن و نيكل نيز به اين منظور استفاده كرد. اينروشها باعث مي شود كه ميدانهاي مغناطيسي اطراف سيستم تا حد زيادي كاهش يابد. استفاده از جعبه هاي فلزي براي از بين بردن نويز به خنك سازي سيستم نيز كمك زياديميكند. اثر شيلد كردن سيستم توسط پردههاي مشبك به ضلع l و قطر d و ضخامت c از رابطة (1) بدست ميآيد.

(1) S=(20*Log(l*(c^2)/(d^3)))+(32/d)+38

كه در آن بايد d

....اندازه گيري و استانداردهاي معتبر دربارة تداخلامواج الكترومغناطيسي....

معمولاً ميزان نويز را در خارج از جعبه هايمحافظ منابع تغذيه سوئيچينگ اندازه گيري مي كنند. اين اندازه گيري توسط يك دستگاهطيف نگار يا Spectrum Analyzer انجام مي شود و مي تواند اندازة هارمونيكهاي نويز راكه در فضا و در اطراف منبع توليد نويز دريافت مي كند، به ما نشان دهد.

امروزهارگانهاي مختلف بين المللي داراي استاندارد¬هاي گوناگوني در محدودسازي نويز دراطراف منابع تغذيه سوئيچينگ هستند. عموماً طراحان منابع تغذيه سوئيچينگ با توجه بهنوع كاربرد منابع تغذيه سوئيچينگي كه آن را طراحي مي كنند و نيز كشور مورد نظر كهمنابع تغذيه سوئيچينگ طراحي شده در آنها بكار گرفته مي شود، از اين استانداردهاپيروي مي كنند و طراحي خود را با توجه به اين استانداردها انجام مي دهند. از اينگونه از استانداردها مي توان در بريتانياي كبير به BS800 و در ايالات متحدةآمريكابه FCC و در آلمان به VDE0871 و هچنين استاندارد مورد تأييد اكثر كشورها يعني CISPR ياComité International Special des Perturbations Radioélectriqueاشاره كرد. ايناستانداردها محدوديت¬هايي را براي هدايت نويز بين ورودي و خروجي منابع تغذيه كهداراي عملكرد سوئيچينگ هستند تعيين مي كنند. درجه بندي محور عمودي اين نمودار، برحسبdBµVمي باشد. بنابراين dBµV60 در اصل همانmV1 است. اكثر استانداردهاي بينالمللي ميزان ولتاژ نويز را در محدودة باند فركانسهاي راديويي در ترمينالهاي منابعتغذيه سوئيچينگ، در بالاتر از 150KHz به كمتر از 54dBµV + يا 500µV محدود ميكنند.