EN
Kodėl aukšto dažnio perjungimas stiprina elektromagnetinę suderinamybę (EMI) automatizacijos sistemų tiesioginio valdymo įrenginiuose
Harmonikų padauginimas ir artimosios zonos susijungimas virš 1 MHz
Veikiant dažniu virš 1 MHz, staigūs srovės pokyčiai per tiesinius valdiklius pradeda kurti įvairių harmonikų, kurios išsisklaido visose dažnių srityse. Toliau kyla gana problematiškų situacijų kaimyninėse grandinėse, nes šis padidėjęs aktyvumas sukelia stipresnį artimosios zonos susijungimą. Elektromagnetinės triukšmai tada išspinduliuojamos tiesiogiai į gretimas grandinės linijas ir komponentus, net neprisilietus prie jų fiziškai. Štai vienas įdomus faktas apie tai, kaip blogėja situacija: kiekvieną kartą padvigubinus jungimo dažnį, triukšmų lygis, kaip nesenų DigiKey tyrimų duomenys rodo, padidėja keturis kartus. Kitas didelis rūpestis kyla tada, kai signalo frontai kyla greičiau nei 10 V/ns. Šie sparčiai vystantys perėjimai aktyvina netikėtose vietose nepageidaujamą talpą, pavertę aštrius įtampų smailės tikraisiais triukšmo signalais, kurie galiausiai pažeidžia FCC 15-osios dalies standartus pramonės įrangos veikimui.
Realus pasaulio gedimas: EMI viršijimas 2,4 MHz dažnyje PLC valdomose tiesiaeigėse varikliuose
Vienoje tikrojo lauko bandomosios sąlygų aplinkoje, kai PLC valdomi tiesiaeigiai varikliai veikė 2,4 MHz dažniu, inžinieriai pastebėjo, kad EMI lygis viršijo CISPR 32 klasės A reikalavimus maždaug 15 dB. Išsamiau ištyrę situaciją, jie nustatė, kad problema kilo dėl nepageidaujamų žemės kilpų, kurios atsirado dėl staigių srovės pokyčių (dI/dt) tarp valdymo mikroschemų ir variklio apvijų. Paprasčiausiai tariant, šie aukšto dažnio signalai tiesiog „peršoko“ įmontuotus filtrus per neapsaugotus variklio laidus. Šis atvejis moko labai svarbios išvados visiems, kurie dirba su dažniais virš 1 MHz. Paprasčiausiai tariant, tinkamas projektavimas reikalauja kelių vienu metu taikomų priemonių. Pirmiausia reikia optimizuoti spausdintinės plokštės (PCB) išdėstymą, o vėliau – pridėti kokybiškus filtrus komponentų lygyje. Bandymas išspręsti problemą tik viena priemone dažnai veda prie laiko ir pinigų švaistymo brangiuose atitikties reikalavimams patvirtinimo etapuose vėlesniais etapais.
Kritiniai EMI veiksniai: išdėstymas, kraštų pakilimo greičiai ir komponentų pasirinkimas
Trys pagrindiniai veiksniai lemia elektromagnetinį trikdį (EMI) automatizavimo sistemų tiesiniuose varikliuose: fizinių komponentų išdėstymo geometrija, perjungimo laiko trukmės greitis ir komponentų parinkimas. Kiekvienas iš šių veiksnių tiesiogiai veikia elektromagnetinę suderinamumą (EMC), o netinkama optimizacija gali padidinti trikdžius 20–40 dB, kaip nustatyta standartinėse pramonės bandymų procedūrose.
Riedulio ploto sumažinimas ir žemės grandinės vientisumas skleidžiamojo elektromagnetinio trikdžio (EMI) kontrolėje
Spinduliuojamų emisijų kiekis paprastai didėja tiek tuo atveju, kai srovės kontūrų dydis didėja, tiek kai perjungimo dažnio harmonikos tampa ryškesnės. Dirbant su tiesiniais valdymo grandinėmis, šie problemiški kontūrai dažniausiai susidaro tarp kelių pagrindinių komponentų, įskaitant maitinimo MOSFET tranzistorius, poruotus su išlyginamaisiais kondensatoriais, variklio fazes, prijungtas prie jų atitinkamų grįžtamojo kelio grandinių, bei vartų valdymo IC mikroschemas, kurios sąveikauja su šalia esančiais paleidimo (bootstrap) komponentais. Kad šie kontūrų plotai būtų pakankamai maži ir juos būtų galima kontroliuoti, inžinieriams reikia labai atidžiai apgalvoti kiekvieno komponento vietą plokštėje ir dažnai kreiptis į daugiasluoksnės spausdintosios plokštės (PCB) projektavimą geriau kontroliuoti procesą. Skirtų žemės (ground) plokštumų sukūrimas padeda įsteigti labai reikalingus žemo impedanso grįžtamuosius kelius per visą grandinę. Be to, ypač svarbu, kad po aukštos srovės laidais nebūtų jokių žemės plokštumos pertrūkių, nes tai gali sukelti įvairių žemės jungties problemų, vadinamų „žemės šuoliu“ (ground bounce). Dažniuose, viršijančiuose 1 MHz, taip pat labai svarbu taikyti žemės srities kraštų aplink „via“ (perėjimo skylučių) siuvimą (via stitching), kuris sumažina induktyvumą daugiau nei per pusę lyginant su įprastomis vienpunktėmis jungtimis.
dI/dt sukeltos bendrosios būsenos srovės iš greitai perjungiamų mazgų tiesinėse valdymo grandinėse
Perjungimo metu vykstantys staigūs srovės pokyčiai (dI/dt) sukuria bendrosios būsenos triukšmą per parazitines talpas—ypač tarp tranzistoriaus drenų ir šildytuvo, transformatoriaus apvijų ir šerdies bei šildytuvo sąsajų. Kai perjungimo greitis didėja, taip pat auga triukšmo amplitudė ir susijungimo efektyvumas:
| Perėjimo greitis | Triukšmo amplitudė (Vpk) | Susijungimo kelias |
|---|---|---|
| 10 A/ns (lėtai) | 0.5 | MOSFET drenas–šildytuvas |
| 100 A/ns (greitai) | 3.2 | Transformatoriaus apvija–šerdies |
Šis triukšmas plinta per korpuso jungtis ir laidyną. Veiksmingi mažinimo būdai apima kraštų formos reguliavimą naudojant vartų varžas ir bendrosios būsenos slopintuvus, kurie užtikrina daugiau kaip 25 dB slopinimą virš 2 MHz dažnio. Ekranuoti sukrauti varžiniai variklio laidai sumažina lauko susijungimą bent 18 dB lygiu palyginti su neekranuotais variantais.
Įrodyti automatizacijos sistemų tiesinių valdiklių triukšmo mažinimo metodai
PCB lygio technikos: optimizuota sluoksnių išdėstymo schema, apsauginės linijos ir bendrojo bei diferencinio režimo triukšmo atskyrimas
Kuriant PCB, daugiasluoksnės sluoksnių išdėstymo schemos su tinkamomis žemės plokštumomis gali sumažinti kontūrų plotus maždaug 60 %. Pridėjus apsaugines linijas šalia greitų signalų linijų, kaip nurodyta 2023 m. IEEE EMC draugijos tyrimuose, krosstalakas sumažėja maždaug 40 dB. Dažniams virš 1 MHz ypač svarbu atskirti bendrojo ir diferencinio režimo triukšmo kelius, nes harmonikos pradeda trukdyti tam, ką paprastai laikome atskirais triukšmo šaltiniais. Įėjimo / išėjimo taškuose ferito rutuliukai veikia gerai, kai jie naudojami kartu su strategiškai išdėstytais tūriniais kondensatoriais ir mažesniais aukšto dažnio kondensatoriais. Šie komponentai kartu padeda kontroliuoti nepageidaujamus rezonanso smailius, kurių gamintojai stengiasi išvengti, nes žino, kiek brangūs gali būti elektromagnetinio suderinamumo (EMI) problemų sprendimai praktikoje. Kai kurie tyrimai rodo, kad šios problemos vidutiniškai kelia įmonėms apie 740 tūkst. JAV dolerių nuostolių įvairiose pramonės šakose.
Komponentų lygio inovacijos: integruoti aktyvieji filtrai ir įmontuoti feritai tiesioginio valdymo integrinėse schemose
Naujausios kartos tiesiaeigiai valdymo integrinės schemos dabar turi įmontuotus filtrus ir nanokristalinio ferito elementus patys pakuotėje. Šis konstrukcinis sprendimas sumažina filtravimo komponentams reikalingą vietą apie 80 % lyginant su tradiciniu atskirų detalių požiūriu. Tai reiškia, kad daugiau nebereikia kovoti su nepageidaujamomis parazitinėmis induktyvumais, kurios kyla dėl viso papildomo laidyno už čipo ribų – o būtent jos yra viena iš pagrindinių greitų srovės pokyčių (dI/dt) sukeltų nepageidaujamų įtampų smūgių priežasčių. Pagal gamintojų lauko stebėjimus, šie naujieji mikroschemų elementai gali sumažinti elektromagnetinę sąveiką net iki 30 dB veikdami 2,4 MHz perjungimo dažniu, dėka išmintingų substrato ekranavimo technologijų. Koks rezultatas? PLC valdomi vykdymo mechanizmai lengvai atitinka CISPR 11 klasės A reikalavimus be jokių papildomų išorinių filtravimo komponentų. O kalbant apie sunkias eksploatacijos sąlygas – šiluminis valdymas buvo atidžiai suprojektuotas taip, kad šie prietaisai veiktų patikimai net esant temperatūrai iki maždaug 105 °C, kuri dažnai pasitaiko labai siaurose vietose, kuriose įrengiami variklių valdymo skydeliai.