Силовая электроника №4'2006

Электромагнитная совместимость импульсных источников питания. Часть I

Владимир Ланцов
Саркис Эраносян


В данной статье приводятся необходимые сведения и практические рекомендации по обеспечению электромагнитной совместимости для импульсных источников питания. Рассмотрены виды электромагнитных помех и допустимые нормы на них на основе международных и отечественных стандартов по электромагнитной совместимости. В следующих частях статьи будут приведены практические рекомендации схемотехнического, компонентного, конструктивно-технологического характера по эффективному подавлению помех на уровне современных требований и накопленного практического опыта.


В настоящее время к качеству электрической энергии в широком смысле этого понятия предъявляются более высокие требования, чем ранее. Импульсные источники питания, входящие в состав любых радиоэлектронных средств, систем автоматизации, различного оборудования, являются связующим звеном между потребителями (нагрузкой) и системой электроснабжения. Бурное развитие импульсных источников питания, работающих на высоких частотах преобразования и обладающих высокой экономичностью и улучшенными массо-габаритными показателями, обострило проблему электромагнитной совместимости между приборами, то есть различными техническими средствами (ТС).

Уже в 1980-х годах в международном сообществе специалисты пришли к выводу, что необходимо ужесточить требования по электромагнитной совместимости в связи с широким развитием компьютерной техники, высококачественной аудио-, теле- и видеоаппаратуры, мобильных средств связи. Так, федеральные комиссии электросвязи в ФРГ (FTZ) и США (FCC) первыми признали серьезность этой проблемы и ввели соответствующие нормы в этой области. Введенные нормативы относились ко всем ТС — промышленным и коммерческим. Директива Евросоюза № 89/336 от 3 мая 1989 года установила правовое регулирование в области электромагнитной совместимости ТС. В частности, предлагалось установить:

  • обязанности физических и юридических лиц по обеспечению электромагнитной совместимости при разработке, изготовлении и реализации, импорте, установке и применении ТС;
  • придание обязательного характера требованиям к ТС по помехоустойчивости и помехоэмиссии;
  • введение обязательного подтверждения соответствия ТС требованиям по электромагнитной совместимости;
  • осуществление государственного контроля и надзора за соблюдением требований электромагнитной совместимости.

При соответствии ТС требованиям электромагнитной совместимости согласно директиве ЕС № 89/336 (приложение 1) на ТС должен наноситься символ «» и год, в который была нанесена маркировка.

В 1990-1996 годах современные законодательные акты в указанной области были приняты государствами — членами ЕС. После 1990 года Международной электротехнической комиссией (МЭК или IEC), ее Специальным комитетом по радиопомехам (СИСПР или CISPR) и Европейским комитетом по электротехнической стандартизации (СENELEC) стали проводиться мероприятия, направленные на обеспечение необходимой устойчивости («иммунитета») ТС к воздействию электромагнитных помех (ЭМП или помехи) в окружающей электромагнитной обстановке. Вместе с тем, необходимо было ограничить уровни генерации и излучения («эмиссии») различных видов электромагнитных помех ЭМП, способных нарушить нормальное функционирование других ТС [1, 2]. В декабре 1999 года и в России был принят закон «О государственном регулировании в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств». В этой связи в нашей стране появилось множество государственных стандартов в области электромагнитной совместимости, разработанных в соответствии («гармонизированных») с международными и европейскими стандартами, а также ряд других нормативных документов. Одновременно отрабатывались методики измерений помех и совершенствовалось оборудование по контролю параметров электромагнитной совместимости [1].

Несмотря на многочисленные публикации по различным аспектам проблематики электромагнитной совместимости аппаратуры, в том числе по импульсным источникам питания, интерес к этой теме не ослабевает. Это связано с индивидуальным характером разработки некоторых средств и систем бесперебойного питания, с развитием электронной компонентной базы, особенно интегрированных силовых модулей, и, наконец, со специфическими условиями эксплуатации аппаратуры в ряде случаев, например «плохая» электросеть, помехочувствитель-ная нагрузка и т. д.

Поэтому в настоящей работе авторы попытались в сжатом, но достаточно информативном изложении привести необходимые сведения и практические рекомендации по обеспечению электромагнитной совместимости для импульсных источников питания. В статье будут приведены практические рекомендации схемотехнического, компонентного, конструктивно-технологического характера по эффективному подавлению помех на уровне современных требований и накопленного практического опыта.

Основные термины и определения

Основным государственным стандартом в области терминологии электромагнитной совместимости технических средств является ГОСТ Р 50397-92 [3]. Международная терминология электромагнитной совместимости представлена в стандарте МЭК-50-161-90, в котором содержится официальный перевод терминов в области электромагнитной совместимости на русский язык. Основные термины и понятия применительно к импульсным источникам питания изложим на основании [1].

Электромагнитная обстановка (ЭМО) — совокупность реальных электромагнитных явлений, существующих в данном месте, в частотном и временном диапазонах.

Электромагнитная совместимость (ЭМС) (ElectroMagnetic Compatibility — EMC) — это способность импульсного источника питания, как технического средства, эффективно функционировать с заданным качеством в определенной ЭМО, не создавая при этом недопустимых электромагнитных помех другим ТС и питающей электросети.

Электромагнитная помеха (ЭМП) (Electro-Magnetic Influеncе — EMI) — электромагнитные явления, которые ухудшают или могут ухудшить качество функционирования ТС (электрической сети, приборов и устройств потребителей). Уровень ЭМП — значение величины помехи, измеренное в регламентированных условиях.

Электромагнитная эмиссия от импульсного источника питания, помехоэмиссия — генерирование импульсным источником питания электромагнитной энергии, которая излучается в пространство в виде электромагнитных волн.

Уровень электромагнитной эмиссии от источника помехи (имульсного источника питания), уровень помехоэмиссии — уровень помехи конкретного вида, которая генерируется импульсным источником питания. Этот уровень измеряется в регламентированных условиях.

Устойчивость к ЭМП, помехоустойчивость — способность импульсного источника питания сохранять заданное качество функционирования при воздействии внутренних (в самом источнике) и внешних (со стороны питающей сети) помех.

Уровень устойчивости к ЭМП, уровень помехоустойчивости импульсного источника питания — максимальный уровень помехи конкретного вида, воздействующей на импульсный источник питания, при котором импульсный источник питания сохраняет заданное качество функционирования.

Рассмотрим некоторые показатели и характеристики средств электропитания в части электромагнитной совместимости [1, 4, 5]. Качество электрической энергии — совокупность свойств электрической энергии в электрической сети, которые определяют электромагнитную совместимость ТС, подключенных к этой сети. Качество электрической энергии — обобщенное понятие, характеризующее уровень низкочастотных кондуктивных электромагнитных помех определенных видов в электрической сети, которые вызывают отклонение напряжения, частоты и формы синусоидальности кривой напряжения в сети от установленных значений. Иными словами, низкочастотной помехе дано более широкое толкование.

Установившееся отклонение напряжения — отклонение напряжения в установившемся режиме работы системы электроснабжения (ГОСТ 23875-88) [4].

Колебания напряжения — серии единичных изменений напряжения во времени. Провал напряжения в сети электроснабжения — внезапное значительное снижение напряжения в сети электроснабжения с последующим его восстановлением. Временное перенапряжение в системе электроснабжения — временное повышение напряжения в точке электрической сети выше уровня 1,1 Uном продолжительностью более 10 мс, возникающее в сетях электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях (ГОСТ 13109-97) [5]. Импульс напряжения в системе электроснабжения — резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд.

Электромагнитные аномалии в сетях электроснабжения

Еще в 1970-1980 годах некоторыми отечественными специалистами были проведены экспериментальные исследования по установлению реального функционирования электрической сети общепромышленного назначения ≈220 В/ ≈380 В с частотой 50 Гц [6]. В документации на многие виды аппаратуры и некоторые импульсные источники питания указывалось (и в ряде случаев указывается и в наши дни), что напряжение электрической сети общего назначения на зажимах у потребителя не должно выходить за границы ±10% от номинального значения. В действительности, в отдельные моменты времени напряжение сети значительно выходит за указанные значения. Было отмечено, что кратковременные перенапряжения и импульсные помехи имеют амплитуду 5-500 В и длительность от долей до десятков микросекунд. В отдельных случаях импульсные помехи могут достигать величины 1000 В и более с фронтами нарастания до 10 нс. Провалы напряжения могут составлять 15-30% и более от номинального напряжения при длительности от полупериода до 15-30 периодов промышленной частоты. Число сетевых импульсных помех зависит от характера производства. В частности, на одном из машиностроительных предприятий за сутки были зафиксированы следующие данные по помехам. Зафиксировано импульсных помех с амплитудой более 5 В около 6400, из которых примерно 1000 имели амплитуду выше 100 В, причем средний период следования импульсов был порядка 25-27 с [6].

В настоящее время сети электропитания (электроснабжения) постоянно подвергаются воздействию дестабилизирующих факторов и поэтому не обеспечивают должного качества электроэнергии. Исследования, проведенные мировыми производителями электронной техники (по данным Bell Laboratory, США) [2], показали, что, например, компьютер в среднем сталкивается с аномалиями электропитания более 120 раз в месяц. В 75% случаев эти аномалии становятся причинами сбоев, а в 25% случаев они могут привести и приводят к более серьезным отказам и повреждениям техники. Указанные аномалии являются следствием таких явлений, как включения-выключения или работа в повторно-кратковременных режимах мощных потребителей типа станочного и штамповочного оборудования, лифтов, транспортеров, сварочного оборудования, срабатывания устройств аварийной защиты и т. д. Свою лепту вносят сами импульсные источники питания, если не приняты должные меры по обеспечению их электромагнитной совместимости. В этом контексте можно упомянуть коммерческие (бытовые) электронные и электротехнические устройства: персональные компьютеры, аудио-, теле- и видеотехнику, стиральные машины, кондиционеры, СВЧ-печи и т. п.

Типовые аномалии электропитания за рубежом (данные Bell Laboratory):

а) пониженное напряжение — до 87%;

б) повышенное напряжение — около 0,7%;

в) импульсные перенапряжения — 7,4%;

г) несанкционированные отключения электропитания — 4,7%.

Эти отклонения в сети электропитания считаются НЧ-помехами. В соответствии с ГОСТ Р 51317.2.5-2000 установлены категории и виды ЭМП, по которому все перечисленные выше аномалии в сетях электроснабжения в общем виде классифицируются как низкочастотные электромагнитные помехи (см. ниже).

Реальное положение дел с энергоснабжением констатируют и нормативные документы. Например, ГОСТ Р 51317.2.4-2000, ГОСТ Р 51317.2.5-2000, ГОСТ 13109-97 и другие вынуждены нормировать неблагоприятные для потребителей параметры низкочастотных помех для коммерческих и производственных зон с малым энергопотреблением, а также для производственных зон. В таблице 1 представлены уровни низкочастотных помех в виде установившихся отклонений и изменений напряжения, а также провалов напряжения и кратковременных перерывов в питании [1].

Таблица 1. Уровни низкочастотных помех в виде установившихся отклонений и изменений напряжения, провалов напряжения и кратковременных перерывов питания
Таблица 1. Уровни низкочастотных помех в виде установившихся отклонений и изменений напряжения, провалов напряжения и кратковременных перерывов питания

В таблице 2 приведены результаты измерений амплитуды, длительности и частоты возникновения провалов напряжения и кратковременных перерывов питания, вызванных переключениями в сетях электроснабжения или отказами оборудования с учетом ГОСТ Р 51317.4.4-99 [1].

Таблица 2. Результаты измерений амплитуды, длительности и частоты возникновения провалов напряжения и кратковременных перерывов питания
Таблица 2. Результаты измерений амплитуды, длительности и частоты возникновения провалов напряжения и кратковременных перерывов питания

Рассмотрим установленные в ГОСТ Р 51317.2.5-2000 уровни электромагнитных помех, которые представляют собой апериодические колебательные переходные процессы в сетях электроснабжения (табл. 3). Уровни напряжения (перенапряжения) приведены для холостого хода, что характерно для систем электроснабжения с малым энергопотреблением для различных классов размещения ТС (потребителей) [1].

Таблица 3. Уровни электромагнитных помех в виде апериодических колебательных переходных процессов в сетях электроснабжения
Таблица 3. Уровни электромагнитных помех в виде апериодических колебательных переходных процессов в сетях электроснабжения

Из таблицы 3 видно, что величины перенапряжений в сети электропитания переменного тока могут достигать больших значений — от 1 до 4 кВ (на холостом ходу источника перенапряжений). Это требует применения эффективных защитных устройств и элементов-подавителей перенапряжений на входе импульсного источника питания. Строго говоря, нормативные документы трактуют эти перенапряжения как высокочастотные кондуктивные апериодические колебательные помехи. Однако помещая этот материал в данный раздел, авторы исходили из желания разделить (для удобства изложения) основные аномалии (или помехи) в электропитании и помехи, создаваемые самим импульсным источником питания.

Особый вид аномалии создают бытовые и промышленные силовые устройства, питающиеся выпрямленным током, а также ТС с фазовым управлением потребляемой мощностью. Речь идет об искажении формы кривой потребляемого тока, а следовательно, и формы сетевого напряжения. В настоящее время существенный «вклад» в эту аномалию вносят AC/DC-преобразователи (из-за наличия в них фильтрующих конденсаторов с большой емкостью на выходе сетевого выпрямителя). Образующиеся при этом гармоники также попадают в категорию низкочастотных электромагнитных помех. В нормативных документах, в частности в отечественных ГОСТ Р 51417.2.5-2000 и ГОСТ 13109-97, даны допустимые уровни электромагнитной совместимости по содержанию разных гармоник в различных зонах потребителей. В таблице 4 приведены уровни электромагнитной совместимости для основных гармоник напряжения в системах электроснабжения (по отношению к величине напряжения основной частоты), а также значения коэффициента искажений синусоидальности кривой сетевого напряжения Кнс в различных зонах [1].

Таблица 4. Уровни ЭМС для основных гармоник и коэффициента несинусоидальности Кнс кривой сетевого напряжения в различных зонах
Таблица 4. Уровни электромагнитной совместимости для основных гармоник и коэффициента несинусоидальности Кнс кривой сетевого напряжения в различных зонах

Виды и допустимые нормы электромагнитных помех

Рассмотрим виды электромагнитных помех [1, 2]. Сразу отметим, что излучаемая ЭМП — это помеха, распространяющаяся в окружающем пространстве. Ее описанию и мерам подавления будет уделено меньше внимания, поскольку, как будет показано далее, сравнительно несложные меры конструктивного характера позволяют уменьшить ее уровень до допустимых норм.

Кондуктивная ЭМП — помеха, распространяющаяся в проводящей среде (по проводам, проводящим поверхностям, то есть помеха, передаваемая контактным способом). Высокочастотные кондуктивные помехи могут быть по характеру процессов отнесены либо к непрерывным колебаниям, либо к апериодическим и колебательным переходным процессам.

В зависимости от происхождения и характера распространения кондуктивные помехи принято разделять на следующие виды:

симметричные (дифференциальные — differential mode);

несимметричные (синфазные или общего вида — common mode).

Симметричная помеха вшзникает, когда напряжение помехи приложено между фазным (линейным) и нейтральным проводами, то есть это помеха, распространяющаяся аналогично протеканию переменного тока в сети. В цепях постоянного тока напряжение симметричной помехи приложено между положительным и отрицательным проводниками.

Несимметричная помеха — это помеха, действующая между проводниками и корпусом или шиной заземления через паразитный импеданс (паразитные емкости) между этими объектами. В цепях постоянного тока напряжение несимметричной помехи приложено между проводниками (положительным, отрицательным) и корпусом. В МЭК 50-161-90 даются более строгие определения видов помех. В частности, симметричное напряжение — напряжение между двумя любыми проводниками из заданной группы активных проводников. Несимметричное напряжение — напряжение между проводником и регламентированным эталоном, обычно «землей» или пластиной заземления.

На рис. 1 представлена упрощенная эквивалентная схема путей распространения кон-дуктивных помех в системе «сеть электропитания— импульсные источники питания — нагрузка» [6, 11]. На схеме сплошными линиями показаны пути распространения несимметричных помех, а пунктирными — симметричных помех. Синим цветом условно изображены направления распространения помех со стороны сети электропитания, а красным — направления распространения помех, создаваемые самим импульсным источником питания. Источники помех обозначены следующим образом: Гп с — источник помех со стороны сети электропитания, Гп ИВЭ — импульсный источник питания как источник (генератор) помех.

Рис. 1. Упрощенная эквивалентная схема путей распространения кондуктивных помех в системе «сеть электропитания — импульсный источники питания — нагрузка»
Рис. 1. Упрощенная эквивалентная схема путей распространения кондуктивных помех в системе «сеть электропитания — импульсный источник питания — нагрузка»

Другие обозначения: Zс, Zн — импеданс сети и нагрузки соответственно; Zз1, Zз2 — импеданс проводников заземления нейтрали и одного (например, отрицательного) полюса нагрузки; Сп (А), Сп (В), Сп (К) — паразитные емкости выходных полюсов (зажимов) источника относительно корпуса и корпуса относительно «земли». Несимметричные помехи замыкаются на «землю» через токонесущие цепи и соответствующие паразитные емкости (импеданс). Нетрудно заметить, что величина (амплитуда) токов несимметричных помех зависит как от амплитуды сигналов помех, так и от импеданса паразитных связей с шиной заземления.

Более детально эти вопросы будут рассмотрены при анализе эквивалентной схемы импульсного источника питания с точки зрения образования в нем помех.

По частотному диапазону и энергетическому спектру помехи разделяются:

  • низкочастотная ЭМП — помеха, подавляющая часть спектра которой лежит ниже определенной частоты (в международных нормативных документах за указанную частоту принимают 9 кГц);
  • высокочастотная ЭМП — помеха, подавляющая часть спектра которой лежит выше определенной частоты (по ГОСТ Р 51317.2.5-2000 это 9-150 кГц);
  • радиопомеха— помеха, спектральная составляющая которой находится в полосе радиочастот (по МЭК 50-160-90 — свыше 150 кГц). Обычно в технической литературе для удобства объединяют последние два вида помех в один, называемый ВЧ-помехами. Для импульсных источников питания, как правило, ВЧ-помехи рассматриваются в диапазоне до 30 МГц;
  • узкополосная ЭМП — помеха, воздействующая на импульсный источник питания (ТС), у которой ширина спектра меньше или равна ширине полосы пропускания ТС; для импульсного источника питания за нее можно принять линейчатый спектр частоты (частот) преобразования;
  • широкополосная ЭМП — помеха, воздействующая на импульсный источник питания, у которой ширина спектра шире полосы пропускания источника.

По длительности и регулярности помехи разделяются:

  • непрерывная (длительная) ЭМП — помеха, уровень которой не опускается ниже определенного значения в регламентированном интервале времени (например, гармоники потребляемого сетевого тока импульсного источника питания);
  • прерывистая ЭМП — помеха, длящаяся в течение определенных интервалов времени, разделенных интервалами, свободными от помех (например, при работе силовых устройств с индуктивной нагрузкой в повторно-кратковременном режиме);
  • кратковременная ЭМП — помеха, продолжительность которой, измеренная в регламентированных условиях, не превышает определенных значений (имеет много общего с прерывистой помехой; иногда проявляется как импульсная помеха);
  • импульсная ЭМП — помеха, которая проявляется, например, в такте рабочей частоты импульсного источника питания, как последовательность отдельных импульсов или переходных процессов.
  • Электростатический разряд — импульсный

перенос электростатического заряда между телами с разными электростатическими потенциалами, например, между корпусом (кожухом) импульсного источника питания и близко расположенными к нему высокопотенциальными поверхностями (выводами компонентов) внутри источника.

Стандарты на излучение электромагнитных помех учитывают два вида излучений [7]:

  • кондуктивные помехи на вводах электропитания;
  • напряженность электрического поля помех при их излучении в эфир. Существует два набора ограничений на

уровни помех для определенного вида оборудования: оборудование класса А (Class A), которое может использоваться только в промышленных или в других специально подготовленных зонах; оборудование класса B (Class B), которое может использоваться только в жилых помещениях, офисах, телекоммуникационном оборудовании.

Наиболее важные международные стандарты в этой области:

  • EN55022 (CISPR22) — европейский стандарт для оборудования информационных технологий (ИТ);
  • FCC (раздел 15, подраздел J) — американский стандарт для оборудования ИТ;
  • VDE0871 — немецкий стандарт для оборудования ИТ.

Уровни A и B немецкого стандарта VDE0871 долгое время оставались самыми жесткими для контроля уровня кондуктивных помех в сети электропитания — в частности, более жесткими, чем у стандарта CISPR22 на более низких частотах. Для выполнения директивы ЕС в Германии был принят национальный стандарт VDE0878 (часть 30), являющийся, по сути, эквивалентом стандарта EN55022.

На рис. 2 изображены допустимые нормы кондуктивных помех на зажимах сетевого электропитания для классов A и B в частотном диапазоне от 10 кГц до 30 МГц, принятые стандартами EN55022, VDE0871 и FCC.

Рис. 2. Допустимые нормы кондуктивных помех на зажимах сетевого электропитания для классов A и B в стандартах EN55022, VDE0871 и FCC
Рис. 2. Допустимые нормы кондуктивных помех на зажимах сетевого электропитания для классов A и B в стандартах EN55022, VDE0871 и FCC

Из рис. 2 видно, что VDE0871 ограничивает уровни кондуктивных помех в сеть электропитания в диапазоне частот от 10 до 150 кГц. Этот диапазон частот важен даже для современных импульсных источников питания, работающих на частотах преобразования 100 кГц. Стандарт EN55022 не предъявляет требований к области частот ниже 150 кГц. Вместе с тем, ограничение в классе B у EN55022 выше (уровень помех ограничен на более низком уровне). В диапазоне частот от 150 кГц до 30 МГц для оборудования класса А нормы помех в стандартах EN55022 и VDE0871 совпадают. Стандарт FCC позиционируется в частотном диапазоне от 450 кГц до 30 МГц и для классов A и B его нормы ниже, чем у EN55022.

Рассмотрим нормы на излучение ЭМП в пространство. Сравнение норм по стандартам EN55022, VDE0871, FCC сделать труднее, поскольку эти нормы приводятся для различных расстояний точки измерения от объекта. На рис. 3 даны допустимые нормы излучаемых помех в пространство для классов A и B по стандартам EN55022 и VDE0871. По стандартам EN55022 и VDE0871 различие в нормах между классами А и В в диапазоне частот ниже 30 МГц отсутствуют вообще. Разница лишь в расстояниях измерения — 30 и 10 м соответственно; в VDE0871 — 100 и 30 м соответственно.

Основным отечественным стандартом, в котором нормирован уровень помех для импульсных источников питания, является ГОСТ Р 51527-99 (МЭК 60478-3-89) «Совместимость технических средств электромагнитная. Стабилизированные источники постоянного тока. Кондуктивные электромагнитные помехи. Нормы и методы испытаний».

По стандарту VDE0871 для частот выше 30 МГц допустимые нормы помех для класса В в среднем выше, но в классе А есть другие границы в некоторых частотных поддиапазонах (рис. 3).

Отметим, что для импульсных источников питания небольшой и средней мощности (до 300 Вт, токи — не более 10 А) в составе аппаратуры, как правило, проблема соблюдения допустимых норм по излучаемым помехам решается. При этом только необходимо, чтобы источник был заключен в металлический корпус (кожух), а аппаратура имела свой металлический (металлизированный) корпус.

Рассмотрим более детально характеристики воздействий, оказываемых при испытаниях на большинство ТС. Импульсные источники питания также подвергаются таким воздействиям в полном объеме или частично в зависимости от того, являются ли они эксплуатационно самостоятельными изделиями (например, лабораторные источники) или встраиваемыми блоками и модулями. В последнем случае источники проходят соответствующие испытания в составе аппаратуры.

В таблице 5 приведен перечень основных стандартов по устойчивости ТС к электромагнитным помехам. В соответствующих стандартах содержатся общие требования помехоустойчивости и методы испытаний.

Таблица 5. Основные стандарты по устойчивости к электромагнитным помехам
Таблица 5. Основные стандарты по устойчивости к электромагнитным помехам

Появившиеся в 1990-е годы отечественные стандарты ГОСТ Р 51517-99 и ГОСТ Р 51518-99 содержат аутентичный тест международных стандартов МЭК серии 61000 в соответствии с некоторыми особенностями нашей страны. В обозначениях указанных ГОСТов после цифр 51317 и 51318 приведены дополнительные цифры, указывающие части и разделы стандартов МЭК серии 61000 [1].

Классу B соответствуют уровень D и уровень B упомянутого ГОСТ Р (табл. 6).

Таблица 6. Допустимые уровни радиопомех
Таблица 6. Допустимые уровни радиопомех

Основные проблемы обеспечения электромагнитной совместимости в импульсных источников питания и общие методы их решения

Как уже отмечалось ранее, импульсные источников питания подвержены воздействию электромагнитных помех различного вида. Помехи могут поступать из сети электропитания, наводиться внешними высокочастотными магнитными полями. Поэтому, с одной стороны, импульсный источник питания, как и любое ТС, должен обладать необходимым уровнем помехоустойчивости. С другой стороны, импульсный источник питания является источником (генератором) электромагнитных помех (рис. 1) в широком диапазоне частот и поэтому должен иметь уровень помехоэмиссии, соответствующий принятым нормам. При этом следует учитывать, что сам импульсный источник питания состоит из функциональных узлов и модулей различного назначения, работающих в различных частотных диапазонах, с разными энергетическим уровнями, требованиями к чувствительности, точности, зачастую с внешним интерфейсом и т. д. Таким образом, проблемы обеспечения электромагнитной совместимости импульсных источников питания необходимо решать конкретно в трех основных направлениях:

  1. Мероприятия по подавлению (ослаблению) электромагнитных аномалий и помех со стороны сети электропитания (входа).
  2. Мероприятия по ослаблению собственных (внутриобъектовых) помех.
  3. Мероприятия по подавлению (ослаблению) кондуктивных помех на выходе импульсных источников питания.

Прежде чем перейти к системному изложению путей решения поставленных выше задач, кратко рассмотрим упрощенную схему импульсного источника питания с корректором коэффициента мощности (рис. 4).

Во входной цепи однофазного переменного тока (220 В, 50 Гц) включены: ограничитель пусковых токов — терморезистор Rt (NTC), ограничитель импульсных перенапряжений помех — варистор RU (≈ 275 Вэф mаx). Сетевой помехоподавляющий фильтр (ФС), например, типа Cx - L0 - (Cx + 2C ), осуществляет как подавление электромагнитных помех со стороны сети (помехоустойчивость), так и подавление помех со стороны самого импульсного источника питания (уменьшение помехоэмис-сии). С выхода выпрямительного моста (VD0 или ВС), выбранного с обратным напряжением не менее 600 В, выпрямленное пульсирующее напряжение частоты 100 Гц поступает на вход активного корректора коэффициента мощности (ККМ). Керамический конденсатор С1 (емкость 0,47-1 мкФ, напряжение не менее 630 В) облегчает начальный пуск ККМ и осуществляет частичную фильтрацию ВЧ-помех ККМ.

Корректор КМ является повышающим (до напряжения Uo = +350…400 В) импульсным стабилизатором выпрямленного сетевого напряжения. Основные элементы ККМ: силовой ключ VT1, бустерный диод VD1, накопительный дроссель L1, выходной буферный электролитический конденсатор C2, схема управления (СУ1) на основе контроллера ККМ. Cиловой ключ — мощный высоковольтный (600 В, 800 В) MOSFET (МОП-транзистор), имеющий низкое сопротивление открытого канала «сток-исток» и высокое быстродействие. В настоящее время частота работы ККМ (частота переключения MOSFET) составляет порядка 100-150 кГц [9].

Диод VD1должен иметь обратное напряжение URRM не ниже 600 В и малое время восстановления обратного сопротивления (десятки наносекунд). Обычные требования к накопительному дросселю L1: индуктивность 200-1000 мкГн, минимальные паразитные параметры (емкость Cs) или высокая добротность. Дроссель L1 чаще всего выполняется на кольцевых сердечниках из магнитодиэлектриков, например МП140, МП250 или их зарубежных аналогов. Выходной (буферный) конденсатор (С2) — электролитический с напряжением 450 В и низким выходным импедансом на частоте пульсаций преобразования (не менее 100 кГц).

Преобразователь напряжения (ПН) — это однотактный прямоходовой преобразователь, выполненный по схеме так называемого «косого» моста на транзисторах MOSFET (VT2, VT3), работающих синхронно. Диоды VD2 и VD3 рекуперируют избыточную энергию намагничивания силового трансформатора Тр.с обратно в ККМ (конденсатор С2). Эти диоды должны иметь обратное напряжение URRM не ниже 600 В (лучше 800-1000 В) и малое значение времени восстановления (trr = 35… 100 нс). Управление силовыми ключами производится от схемы управления (СУ2) на основе ШИМ-контроллера с развязкой на основе управляющего трансформатора Тр.у.

Выходной ВЧ-выпрямитель (диоды VD4, VD5) должен выполняться на низковольтных диодах Шоттки, имеющих соответствующее значение обратного напряжения (45-200 В), наименьшее падение напряжения (UF = 0,35… 0,6 В) и традиционно малое время восстановления (trr = 35…75 нс). Сглаживающий фильтр ВЧ-пульсаций и кондуктивных помех выполнен двухзвенным. При этом первое звено (L2-C3С4) обеспечивает «главное» подавление пульсаций на частоте переключения. Второе звено (L3-C5С6) в большей степени осуществляет подавление гармоник основной частоты пульсаций и помех. По подобной схеме выполнен импульсный источник питания с выходной мощностью до 1500 Вт [9].

В таблице 7 рассмотрены основные проблемы в области электромагнитной совместимости импульсных источников питания и приведены в обобщенном виде мероприятия по обеспечению электромагнитной совместимости. Предлагаемые мероприятия и рекомендации даны на основе работ [2, 6, 10-12] и многолетнего опыта авторов статьи в сфере разработки и испытаний импульсных источников различного назначения и мощности.

Таблица 7. Общие методы обеспечения ЭМС импульсных источников питания
Таблица 7. Общие методы обеспечения электромагнитной совместимости импульсных источников питания

Отметим важное обстоятельство при реализации рекомендаций, приведенных в таблице 7 или описанных в других работах: для уверенного решения задачи практического обеспечения электромагнитной совместимости импульсных источников питания по всем требуемым нормам необходимо выполнять весь комплекс мероприятий. Накопленный опыт разных разработчиков и исследователей показывает, что при пренебрежении какими-то отдельными рекомендациями (второстепенными по мнению новичка), недопустимый уровень помех может проявиться в непредвиденных аспектах: некоторые режимы функционирования, диапазон частот, «другая» сеть электропитания и т. д. В то же время разумный подход к проблеме обеспечения электромагнитной совместимости импульсных источников питания, использование «чужого» положительного опыта и, конечно, инженерная интуиция позволяют достигнуть существенных результатов даже при решении сложных задач по подавлению помех.

Так, в конце 1980-х — начале 1990-х годов одному из авторов довелось принимать участие в измерениях уровня высокочастотных кондуктивных помех мощных импульсных источников питания. Блоки были разработаны под руководством известного отечественного специалиста в области средств электропитания, доктора технических наук Ж. А. Мкртчяна [10]. Эти импульсные источники питания были предназначены для специальных суперЭВМ, работали на частотах 80-100 кГц и имели следующие выходные параметры: +2 В/100-400 А, +5 В/50-400 А. Уровень высокочастотных пульсаций и помех на выходе этих источников, измеренный осциллографом с полосой 50 МГц, составлял 20-30 мВ (пик-пик)!

Другой пример относится к маломощным DC/DC-преобразователям. В 1980-1985 годах в НПО «Дальняя связь» (Санкт-Петербург) у преобразователей с выходной мощностью 30 Вт (при напряжении 5-12-27 В) удалось достичь уровня высокочастотных пульсаций и помех порядка 5-10 мВ (пик-пик). В числе прочих мероприятий по подавлению помех в упомянутых преобразователях были применены закрытый вариант модуля с использованием специального многослойного экранирования, внутренних отсеков и проходных по- мехоподавляющих фильтров.

Продолжение следует

Литература

  1. Электромагнитная совместимость технических средств. Справочник / Под ред. Карма-шева В. С. М.: 2001.
  2. Уильямс Т. ЭМС (электромагнитная совместимость) для разработчиков продукции. М.: Технологии. 2003.
  3. ГОСТ Р 50397-92. Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения.
  4. ГОСТ 23875-88. Качество электрической энергии. Термины и определения.
  5. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
  6. Гурвич И. Защита ЭВМ от внешних помех. Энергоатомиздат. 1984.
  7. Дмитриев С. Международные стандарты электромагнитной совместимости электронной аппаратуры // Электронные компоненты. 2000. № 1.
  8. ГОСТ Р 51527 — 99 (МЭК 60478-3-89). Совместимость технических средств электромагнитная. Стабилизированные источники постоянного тока. Кондуктивные электромагнитные помехи. Нормы и методы испытаний.
  9. Эраносян С, Ланцов В. Электронные компоненты для мощных импульсных источников питания // Силовая электроника. 2006. №2.
  1. Мкртчян Ж. Основы построения устройств электропитания ЭВМ. М.: Радио и связь. 1990.
  2. Векслер Г., Недочетов В., Пилинский В. и др. Подавление электромагнитных помех в цепях электропитания. Киев: Техника. 1990.
  3. Барнс Дж. Электронное конструирование: методы борьбы с помехами. М: Мир. 1990.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2006_04_58.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо