№6 / 2018 / статья 4

Характеристики электромагнитных помех, излучаемых источниками питания

Тимоти Хегарти (Texas Instruments)

Уровень электромагнитных помех, излучаемых проводниками источников питания, особенно важно минимизировать в автомобильной электронике, связи и промышленности. Для этого немаловажно знать, какими действующими общими и специализированными стандартами регулируется этот уровень во всех перечисленных областях и каковы основные параметры, регламентируемые этими стандартами.

При разработке коммерческих продуктов разработчики стараются минимизировать уровень электромагнитных помех (ЭМП), излучаемых при работе в стандартном режиме. Для поддержания электромагнитной совместимости (ЭМС) различных продуктов есть ряд контролирующих органов, которые регламентируют допустимые уровни наведенных и излучаемых помех. Основное внимание в статье уделено стандартам ЭМП (Electromagnetic Interference, EMI) для излучения, исходящего от проводников источников питания, особенно в автомобильном, коммуникационном и промышленном оборудовании.

Для данных сегментов рынка широко применяются силовые преобразователи, которые работают на высоких частотах коммутации и требуют рассчитанной топологии и высокоскоростных силовых полупроводниковых ключей. Вопрос ЭМП становится все более значимым и сложным для работающих на высокой частоте импульсных преобразователей энергии. Кроме того, необходимый по нормативным требованиям фильтр ЭМП может занимать значительную часть свободного места на печатной плате, увеличивать объем и стоимость проектируемой системы. Таким образом, крайне важным является понимание стандартов ЭМП, относящихся к конкретному приложению.

Стандарты ЭМП для автомобильной промышленности

С нормативной точки зрения, Регламент 10 ЕЭК ООН под названием «Единые положения, касающиеся сертификации транспортных средств в отношении электромагнитной совместимости», заменен в ноябре 2014 года Европейской автомобильной директивой по ЭМП за номером 2004/104/EC. В Регламенте 10 ЕЭК ООН предусматривается, что производители получают одобрение на все транспортные средства, электронные сборочные узлы, компоненты и отдельные технические установки.

С точки зрения разработчика автомобильного электронного оборудования, основные испытания на излучение от проводников ЭМП определены в CISPR 25, на момент написания этой статьи актуально четвертое издание документа от 2016 года. Этот международный стандарт применяется к автомобильным компонентам и модулям, измерения выполняются с использованием одного или двух эквивалентов цепи 5 мкГн/50 Ом в зависимости от конфигурации заземления. Стандарт ссылается на «защиту бортовых приемников» и регламентирует измерение в определенных частотных полосах помех, наводимых проводником в частотном диапазоне 150 кГц…108 МГц. Эти частотные полосы распределены по диапазонам вещания AM, FM и мобильной телефонии, как показано в таблице 1 и на рисунке 1. CISPR 25 определяет предельные уровни наводимых проводниками излучений при измерении сигналов детекторами пиковых, квазипиковых и средних значений.

Таблица 1. CISPR 25 Class 5 – предельные уровни излучения проводников

Диапазон Частота, МГц Пиковый уровень, дБмкВ Квази пиковый уровень, дБмкВ Средний уровень, дБмкВ
Теле/радиовещание LW 0,15…0,3 70 57 50
MW 0,53…1,8 54 41 34
SW 5,9…6,2 53 40 33
FM 76…108 38 25 18
TV Полоса I 41…88 34 24
Мобильные сервисы CB 26…28 44 31 24
VHF 30…54 44 31 24
68…87 38 25 18

На рисунке 1 определены соответствующие линии предельных значений для класса 5, самые строгие из требований CISPR 25. И все же в промежутках между частотными полосами теоретически разрешены повышенные пиковые значения шумов. Автопроизводители могут при желании расширять эти частотные полосы в соответствии с конкретными потребностями. Допустимые значения здесь непростые, особенно предельное среднее значение 18 дБмкВ (что соответствует пиковому 38 дБмкВ) в диапазонах VHF и FM, охватывающих 68 и 108 МГц. На таких частотах паразитные колебания компонентов фильтра снижают коэффициент затухания фильтра ЭМП.

Рис. 1. CISPR 25 Class 5 – предельные уровни излучения от проводников

Рис. 1. CISPR 25 Class 5 – предельные уровни излучения от проводников

Стандарты ЭМП для IT и мультимедийного оборудования

На протяжении многих лет источники электропитания, поставляемые в ЕС для оборудования связи и IT, соответствовали общеизвестному Европейскому стандарту EN 55022. Эта норма была создана, в основном, на базе производственного стандарта CISPR 22 с «Декларацией соответствия» для привязки внешних источников питания к EN 55022 и демонстрации соответствия важным требованиям европейской директивы ЭМС 2014/30/EU.

С другой стороны, европейские организации по стандартизации определяют и разрабатывают согласованные стандарты ЕС. Так, стандарты EN550xx разрабатываются Европейским комитетом по стандартизации электротехнического оборудования (CENELEC), а также Европейским комитетом по стандартизации (CEN) и Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI). Директива ЭМС также требует публикации ссылок на эти стандарты в «Официальном журнале ЕС» (OJEU) с тем, чтобы их можно было унифицировать и тем самым предусмотреть презумпцию соответствия установленным требованиям.

Однако, недавно CISPR 22/EN 55022 был включен в CISPR 32/EN 55032 [9]. Этот новый стандарт распространяется на излучения мультимедийного оборудования и вступил в действие в качестве согласованного стандарта в соответствии с директивой ЭМС. Более того, любой продукт, ранее испытанный в соответствии с EN 55022, который поставляется в ЕС после 2 марта 2017, должен теперь соответствовать требованиям EN 55032.

Оборудование, предназначенное в первую очередь для использования в жилых помещениях, должно соответствовать ограничениям класса B, при этом все остальное оборудование соответствует классу А.

На рисунке 2 показаны предельные квазипиковые и средние уровни стандарта EN 55022/32 Класс А и Класс B для излучающих проводников в пределах используемого диапазона частот от 150 кГц до 30 МГц. В обоих случаях должны выполняться предельные требования, как по квазипиковым, так и по средним уровням.

Рис. 2. CISPR/EN 55022/32 класс A и класс B – предельные уровни излучения проводников

Рис. 2. CISPR/EN 55022/32 класс A и класс B – предельные уровни излучения проводников

Меж тем продукты, предназначенные для североамериканских рынков, согласуются с эквивалентными ограничениями, установленными FCC, часть 15, подраздел B для излучателей непреднамеренных помех. В разделе 15.107 устанавливаются предельные уровни излучения проводников, эквивалентные имеющимся в CISPR 22 и аналогичным образом измеряемые с эквивалентом цепи 50 мкГн/50 Ом, тип V. Директива соответствия требует выполнения тестирования, проводимого в аккредитованной испытательной лаборатории.

Стандарты ЭМП для промышленного оборудования

Международный стандарт CISPR 11 определяет уровни электромагнитных помех от промышленного, научного и медицинского (ISM) радиочастотного  оборудования. Первоначально опубликованный в 1975 году, этот стандарт был выпущен в шестой редакции в 2015 году. CISPR 11 применим к широкому спектру оборудования, включая зарядные устройства с беспроводной передачей энергии (wireless power transfer – WPT), оборудование Wi-Fi, индукционные варочные плиты и аппараты дуговой сварки.

Оборудование в группах 1 и 2 разделено по принципу общего назначения и специализированного РЧ-применения соответственно. Каждая группа дополнительно подразделяется на два класса. Оборудование класса А, предназначенное для использования в любых организациях, исключая жилые помещения, может тестироваться в лаборатории или в реальных условиях. Бытовое оборудование входит в класс B и тестируется исключительно в лаборатории. В то время как CISPR 11 класс B использует ограничения, применяемые по умолчанию для CISPR 22/32, ограничения для класса A зависят от группы оборудования и уровня мощности. На рисунке 3 представлены предельные значения CISPR 11 класс A с использованием для измерения детекторов квазипиковых и средних уровней сигналов. Стоит отметить, что компания Texas Instruments недавно выпустила новые DC/DC-модули со встроенной индуктивностью – серии LMZM23600, LMZM23601, LMZM33602, LMZM33603 и модуль TPSM84209. Их можно успешно применять для различного промышленного оборудования и, что самое главное, они полностью соответствуют стандарту CISPR 11 Класс B.

Рис. 3. CISPR/EN 55011 класс A – предельные уровни излучения от проводников

Рис. 3. CISPR/EN 55011 класс A – предельные уровни излучения от проводников

Общие стандарты предоставляются Международной электротехнической комиссией (МЭК), но существуют их европейские аналоги, разработанные CENELEC. В частности, IEC 61000-6-3 применяется к продуктам, предназначенным для жилых/коммерческих/облегченных промышленных условий, в то время как IEC 61000-6-4 охватывает тяжелые промышленные условия.

Некоторые промышленные устройства для конечного пользователя могут подчиняться требованиям специализированных стандартов системного уровня, которые определяют прямые испытания на ЭМС, ссылаясь на CISPR 11. Так, например, IEC 61131-2 регламентирует требования к излучению для программируемых контроллеров и связанных с ними периферийных устройств. Это относится, в частности, к программируемым логическим контроллерам (ПЛК) и компонентным устройствам программируемых контроллеров автоматизации (ПКА), широко используемым в автоматизации производства и в приложениях управления процессами. Другими примерами стандартов системного уровня являются IEC 61800-3 и IEC 61326-1, которые обуславливают требования к ЭМС для систем привода электродвигателей с регулируемой частотой вращения и лабораторного оборудования соответственно.

Измерения ЭМП

Практически все стандарты испытаний на основе CISPR определяют предельные уровни излучений проводников в диапазоне до 30 МГц, за исключением CISPR 25, где контролируемый частотный диапазон простирается до 108 МГц.

Три наиболее часто упоминаемых согласованных стандарта во исполнение директивы ЭМС – EN 55011, EN 55014-1 и EN 55032 (на основе CISPR 11, CISPR 14-1 и CISPR 32 соответственно) – имеют во многом схожие методы измерения. EN 55015, выполненный на основе CISPR 15 для осветительного оборудования, использует подобное испытание, но диапазон измерений расширяется до нижней частоты 9 кГц для отдельных видов аппаратуры. В таблице 2 приводится краткое перечисление стандартов CISPR, EN и FCC для соответствующего производственного сектора.

Таблица 2. Перечень основных производственных стандартов на электромагнитные излучения проводников

Производственный сектор Стандарт CISPR Стандарт EN Стандарт FCC
Автомобильный CISPR 25 EN 55025
Мультимедиа CISPR 32 EN 55032 Часть 15
Промышленное и медицинское оборудование CISPR 11 EN 55011 Часть 18
Бытовая техника, электрические инструменты и аппараты подобного типа CISPR 14-1 EN 55014-1
Осветительное оборудование CISPR 15 EN 55015 Часть 15/18

Заключение

ЭМП часто являются досадной проблемой в процессе конструирования и сертификации продукта. Продукция должна, как правило, соответствовать тем или иным группам измеряемых показателей по ЭМП независимо от того, заданы ли они в проектной спецификации или соответствуют нормативным требованиям. В данном обзоре рассматриваются ЭМП с точки зрения соответствующих стандартов, в первую очередь – генерируемые проводниками, особенно в части требований ЭМС для автомобильной индустрии, систем связи и конечного промышленного оборудования.

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, ...читать далее