Проблема излучения ЭМП силовым дросселем DC/DC-преобразователя и варианты ее решения

Вступление

DC/DC-­преобразователи широко используются в приложениях управления питанием, а одним из ключевых компонентов является катушка индуктивности — силовой дроссель (рис. 1). Обычно основное внимание при выборе дросселя уделяется его электрическим характеристикам, таким как сопротивление обмотки по постоянному (RDC) и переменному току (RAC), потери в сердечнике, определяющие его максимальный рабочий ток и ток насыщения. Но, чтобы в ходе проектирования конкретного DC/DC-­преобразователя при выборе силового дросселя не произошло критичных ошибок, нельзя упускать из виду и характеристики, влияющие на его электромагнитное излучение, о которых порой забывают.

Рис. 1. Типовой DC/DC-¬преобразователь

Силовые дроссели в импульсных источниках питания (switch mode power supplies, SMPS) могут быть изготовлены с сердечниками из разных материалов и с различными вариантами исполнения их обмоток. В общем, такие дроссели можно разделить на три типа: неэкранированные, частично экранированные (их называют полуэкранированные) и полностью экранированные катушки индуктивности. Естественно, все типы дросселей имеют те или иные свойственные им преимущества и недостатки, которые позволяют использовать данный тип силового дросселя в конкретном приложении и накладывают ограничение на диапазон их применения.

Из-­за самой природы импульсного преобразования к дросселю прикладывается переменное регулируемое импульсное напряжение, которое в свою очередь порождает в нем переменный ток. Как известно, любая индуктивность может работать как передающая рамочная антенна, но уровень ее электромагнитного излучения зависит от целого ряда факторов. К ним относятся непосредственно свойства источника возбуждения (импульса напряжения и связанных с ним переходных процессов), а также материал сердечника, экранирующий материал при наличии дополнительного внешнего экрана и ориентация подключения обмотки силового дросселя к ключам преобразователя, которые с точки зрения генерации ЭМП рассматриваются как источник ее возбуждения.

Применительно к интересующей нас проблеме уровень электромагнитного излучения дросселя в диапазоне относительно низких частот 100 кГц – 30 МГц определяется током с рабочей частотой преобразования (называемой иногда частотой коммутации) и ее гармониками. Уровень излучения в этой области частот зависит от материала сердечника, наличия экранирования катушки индуктивности, а также от свойств ее обмотки. Что касается диапазона частот более высокого спектра (30 МГц – 1 ГГц), где излучение вызвано высокочастотными переходными процессами, называемыми звоном, и гармониками, электромагнитное излучение в большей степени зависит от характеристик экранирования материала сердечника, рабочей частоты преобразования и переходных процессов конкретного импульсного преобразователя, причем с учетом его конечного конструктивного исполнения, в том числе и его разводки на печатной плате.

Электромагнитное излучение

Особенности конструктивного исполнения и само функционирование дросселя (или дросселей) в DC/DC-­преобразователях той или иной топологии приводят к излучениям электромагнитных волн, причем этот процесс сопоставим с характеристиками и поведением традиционной рамочной антенны. Переменное напряжение и ток в индуктивности вырабатывают переменное электромагнитное поле с векторами E и H, которые представляют вектор напряженности электрического и магнитного полей соответственно. По отношению к источнику излучения эти векторы ортогональны, то есть перпендикулярны и находятся под прямым углом друг к другу.

В непосредственной близи с рамочной антенной (источником электромагнитного излучения) характеристики полей E и H определяются поведением источника, а именно частотой преобразования и переходными процессами. Однако вдали от источника свойства электромагнитного поля определяются средой, через которую распространяется электромагнитная волна. Эти отдельные, но взаимо­связанные явления можно разделить на две области, которые в теории распространения радиоволн называются областью ближнего и дальнего поля (рис. 2).

Рис. 2. Распределение областей распространения электромагнитных волн на области ближнего и дальнего поля

Область в пределах длины волны λ/2π источника определяется как ближнее поле, а все, что лежит далее, — как область дальнего поля. В ближнем поле электрическая (E) и магнитная (H) составляющие электромагнитного поля должны рассматриваться отдельно, поскольку отношение между напряженностью двух полей по мере удаления в этой зоне не является постоянным. Однако в дальней зоне магнитные и электрические поля, для того чтобы сформировать плоскую волну, объединяются. Следовательно, отдельно электрические (E) и магнитные (H) поля имеет смысл обсуждать только в контексте ближнего поля. Если источник характеризуется высоким током и низким напряжением, то в этом случае магнитное поле считается доминирующим, тогда как если источник характеризуется малым током и высоким напряжением, то доминирующим считается электрическое поле.

Для рамочной антенны магнитное поле H вблизи источника имеет высокую напряженность, что, соответственно, приводит к низкому характеристическому волновому сопротивлению в области вблизи излучателя электромагнитного поля. По мере увеличения расстояния от источника напряженность магнитного поля H уменьшается, создавая одновременно электрическое поле E, вектор которого перпендикулярен направлению вектора H. При удалении от источника излучения магнитное поле затухает согласно кубическому (1/r³), а электрическое — квадратичному (1/r²) закону, где r — это расстояние до точки излучения.

Различия в поведении неэкранированных, полу­ и полностью экранированных индуктивностей по отношению к электромагнитному излучению

Как мы уже говорили в предыдущем разделе, излучение от силовых дросселей в DC/DC-­преобразователях далеко не тривиальный фактор, и при рассмотрении требуется обращать внимание не только на их тип, но и близость дросселя к тем или иным окружающим компонентам, а также учитывать их восприимчивость к ЭМП с точки зрения индуктивной магнитной связи. Поскольку инженеры — разработчики систем питания стали более внимательно относиться к дросселю как источнику потенциальных ЭМП, производители компонентов ответили на такую потребность тем, что в дополнение к обычным неэкранированным катушкам индуктивности предложили их экранированные и полуэкранированные варианты. Экранированные катушки индуктивности изготавливаются в виде целиком герметичной катушки, имеющей полное магнитное экранирование. В неэкранированных катушках индуктивности обмотки катушек обычно открыты, и они не имеют какого-­либо магнитного экрана. В полуэкранированных катушках индуктивности их ферритовые элементы обычно склеиваются с эпоксидной смолой поверх открытых обмоток.

Рис. 3. Общий вид испытательной установки

Для исследования интересующей нас в рамках статьи проблемы воспользуемся испытательной установкой, приведенной на рис. 3 и 4. В ее основе лежит плата типового понижающего DC/DC-преобразователя: входное напряжение 12 В; выходное напряжение 5 В; ток нагрузки 5 А; частота переключения 400 кГц. Эти исходные величины будут сохраняться неизменными, а меняться только тип или конструктивное решение силового дросселя, например в части оценки влияния внешнего экранирования, которое также будет рассмотрено.

Рис. 4. Электрическая схема испытательной установки

Каждый тип конструктивного исполнения катушек индуктивности, предусмотренных в качестве силовых дросселей DC/DC-­преобразователей, позволяет использовать данный тип силового дросселя в конкретном приложении и накладывает ограничение на диапазон их применения. Основным преимуществом экранированного дросселя является его относительно низкий уровень собственного электромагнитного излучения по сравнению с полуэкранированными или неэкранированными катушками индуктивности (рис. 5).

Рис. 5. Сравнение уровней излучения магнитной составляющей поля неэкранированных, полуэкранированных и экранированных силовых дросселей

Однако при разработке нового решения DC/DC-­преобразователя, как элемента распределенной системы питания, необходимо поддерживать тонкий баланс между его электрическими характеристиками, конструктивным решением и выбором всех его компонентов. К последним относится и рассматриваемый нами силовой дроссель — важнейший элемент импульсной системы преобразования электрической энергии. Кроме того, он является и одним из основных компонентов, определяющих габаритные размеры конечного решения такого преобразователя.

Для DC/DC-­преобразователя характерна ситуация, когда улучшение одних из его характеристик зачастую отрицательно сказывается на других, способных оказать влияние на итоговые показатели завершенного проекта. Один из этих моментов — площадь, занимаемая конечным решением преобразователя на печатной плате. Экранированные дроссели, если их сравнивать с неэкранированными, имеющими то же значение индуктивности и такие же габаритные размеры, хотя и отличаются более низким сопротивлением постоянному току (R_DC), отличаются более низким током насыщения (I_SAT). Например, экранированная WE-­PD (каталожный номер 74477710) [2] и неэкранированная WE-­PD2 (каталожный номер 74477510) [3] катушки индуктивности, предлагаемые компанией Würth Elektronik eiSos (далее — Würth Elektronik), близкие по занимаемой площади (53,29 и 54,6 мм² соответственно), при одинаковой индуктивности 10 мкГн имеют R_DC, равный 49 и 70 мОм, и ток насыщения I_SAT, равный 2,6 и 2,95 А.

Естественно, тот факт, что открытый не экранированный дроссель имеет более высокий ток насыщения (а это один из главнейших показателей), может привести к тому, что менее опытный инженер выберет для своего проекта именно неэкранированное решение дросселя, которое меньше по габаритам и имеет более высокий ток насыщения. Но это в конечном итоге приведет к более высокому уровню излучения электромагнитных помех и, как следствие, к проблемам в части электромагнитной совместимости, которые нельзя просто взять и сбросить со счетов.

В этом направлении компания Würth Elektronik одна из немногих, которая предлагает компромиссный вариант в виде полуэкранированных катушек индуктивности. Такие катушки, когда они исполняют роль силового дросселя в DC/DC-­преобразователях, аккуратно балансируют между требованиями к занимаемому пространству, электрическими характеристиками и уровнем излучаемых электромагнитных помех. Так, близкая к рассмотренным нами выше катушкам полуэкранированная WE­-LQS (каталожный номер 74404084100) [1] при занимаемой площади 64 мм² имеет ток насыщения 3,9 А, что при занимаемой площади, увеличенной лишь на 17%, дает намного больший, свыше 32%, ток насыщения по сравнению с неэкранированной катушкой типа WE-­PD2. Такие полуэкранированные катушки индуктивности оптимальны для применений, где компоненты, близкие, например, к силовому дросселю, не настолько чувствительны к электромагнитному излучению.

На рис. 6 представлены характеристики насыщения полуэкранированной катушки индуктивности WE­LQS в сравнении с экранированной WE-­PD и неэкранированной WE-­PD2 катушками индуктивности.

Рис. 6. Зависимость тока насыщения полуэкранированной катушки индуктивности WE-LQS в сравнении с экранированной WE-PD и неэкранированной WE-PD2 катушками индуктивности

Влияние на излучение электромагнитных помех подключения обмотки силового дросселя

Один из моментов, влияющих на уровень излучения ЭМП, который можно легко упустить из виду, — подключение начала обмотки катушки индуктивности, которое представлено «точкой» на ее корпусе (рис. 7). Важно подключить этот отмеченный конец катушки максимально близко к выходу силового каскада (ключи S₁ и S₂ на рис. 1), поскольку в схеме DC/DC-­преобразователя именно этот ее конец будет подвергаться наибольшему влиянию скорости нарастания напряжения dV/dt и, таким образом, в этой точке будет генерироваться наибольший уровень помех. Соответственно, излучение от переменного тока, возникающего при работе выходного каскада DC/DC-­преобразователя, будет экранировано внешними слоями обмотки. Если к выходным ключам будет подключен не отмеченный точкой конец катушки, то на внешний слой ее обмотки будет воздействовать все приложенное к ней напряжение переменного тока. Это в свою очередь может вызвать передачу недопустимых уровней ЭМП посредством электрической или емкостной связи с окружающими дроссель элементами и проходящими рядом проводниками, наведя на них кондуктивные помехи.

Рис. 7. Катушки индуктивности WE-XHMI и WE-PD2 с «точкой», указывающей начало обмотки

Нельзя забывать и тот факт, что магнитоэкранированные катушки индуктивности наиболее эффективны именно для экранирования доминирующего излучения магнитного поля, но они могут быть не в состоянии эффективно экранировать доминирующее излучение электрического поля. Экранирование электрической составляющей электромагнитного поля зависит от свойств материала и комплексной магнитной проницаемости. Надежность экранирования электрической составляющей общего поля помехи, генерируемого в катушке, также будет зависть от материала ее сердечника. Чем больше толщина и выше магнитная проницаемость материала, из которого он изготовлен, тем значительнее подавление электрической составляющей электромагнитного поля данной катушки.

Рис. 8. Влияние ориентации подключения начала обмотки силового дросселя на излучение электрической составляющей поля электромагнитной помехи

В качестве примера были оценены уровни излучения электрической составляющей поля экранированной катушки WE-­LHMI (каталожный номер 74437368022) [4], серийно выпускаемой компанией Würth Elektronik. Для сравнительных испытаний использовался DC/DC-­преобразователь с рабочей частотой 400 кГц, который имеет, как это водится, основную помеху на рабочей частоте преобразования и ее последующие гармоники. Спектр ясно показывает, что излучения от дросселя такого типового преобразователя оказываются до 8 дБ ниже в случае, когда начало обмотки дросселя подключено непосредственно к выходному ключевому каскаду (рис. 8). Таким образом, настоятельно рекомендуется использовать дроссель именно в такой правильной ориентации. Однако что касается излучения магнитной составляющей электромагнитного поля, то оно, к сожалению, не зависит от ориентации подключения обмотки силового дросселя, что наглядно показано на рис. 9.

Рис. 9. Влияние ориентации подключения начала обмотки силового дросселя на излучение магнитной составляющей поля электромагнитной помехи

Электромагнитные помехи как следствие переходных процессов переключения

Понятно, что электромагнитные помехи не появляются из ниоткуда, у них должен быть источник, некая промежуточная среда и объект воздействия — в буквальном понимании, их «жертва». По мере увеличения рабочей частоты DC/DC-­преобразователей также увеличивается скорость нарастания и спада импульсов, что связано с естественным желанием разработчика снизить коммутационные потери. Но это приводит к переходным процессам в точке подключения силового дросселя к ключам выходного силового каскада преобразователя (рис. 1). Эти переходные процессы сопровождаются звоном (экспоненциально затухающими колебаниями высокой частоты, намного превышающей рабочую частоту преобразования) и «иголками» (короткими выбросами) — пример можно увидеть на рис. 10. В свою очередь, на рис. 11 представлен переходной процесс в виде звона на выходе силового каскада и его наложение на напряжение на силовом дросселе.

Рис. 10. Напряжение «сток-исток» V_DS на ключе понижающего DC/DC-преобразователя (слева) и помеха в виде звона переходного процесса во время включения ключа S1 (справа)

Рис. 11. Форма сигнала напряжения на дросселе. Напряжение на дросселе понижающего DC/DC-преобразователя (слева), результирующий сигнал на дросселе во время включения ключа S1 (справа).
Примечание. Резонансная частота помехи в виде звона переходного процесса — 128 МГц

Из-­за наличия упомянутых переходных процессов в ключах выходного каскада, вызванных высокой скоростью нарастания и спада импульсов и паразитными емкостями, образующими колебательный контор, а также непосредственно самой высокой частоты преобразования, для достижения электромагнитной совместимости крайне важно выбрать подходящий дроссель. Как правило, частота звона находится в диапазоне 100–200 МГц. Эффективность ослабления излучений на этих частотах зависит от конструктивных особенностей исполнения катушки индуктивности, но прежде всего от материала сердечника дросселя (рис. 12) и его толщины.

Рис. 12. Резистивные и индуктивные характеристики широко используемых основных материалов — порошкового железа, марганец-цинкового (MnZn) и никель-цинкового (NiZn) ферритов

Обычно на частотах выше 1 МГц сердечники, выполненные из порошкового железа и порошков металлических сплавов, имеют меньшую эффективность экранирования электрического поля. В этом случае преимущество имеют сердечники из марганец-цинковых (MnZn) и никель-цинковых (NiZn) ферритов.

Рис. 13. Сравнение подавления излучения магнитной составляющей поля ЭМП катушки с сердечником из порошкового железа (WE-LHMI), MnZn (WE-HCF) и NiZn (WE-PD)

Влияние на излучение магнитной и электрической составляющей электромагнитной помехи при разных материалах сердечника можно увидеть на рис. 13 и 14. Здесь, как и в примере, описанном выше, используемый для тестирования DC/DC-­преобразователь имеет рабочую частоту 400 кГц, а частота звона переходного процесса составляет около 180 МГц. Как можно видеть, на более высоких частотах переключения силовой дроссель семейства WE-­PD (каталожный номер 7447714022) [5] с сердечником из никель-цинкового (NiZn) феррита намного более эффективен для подавления электромагнитного излучения, как в части его магнитной, так и электрической составляющей, чем дроссель семейства WE-­HCF (каталожный номер 7443630220) [6] с марганец-цинковым (MnZn) сердечником.

Рис. 14. Сравнение подавления излучения электрической составляющей поля ЭМП от катушки с сердечником из порошкового железа (WE-LHMI), MnZn (WE-HCF) и NiZn (WE-PD)

Экранирование

Любой материал сердечника имеет те или иные преимущества и недостатки, которые позволяют использовать данный тип силового дросселя в конкретном приложении и накладывают ограничение на диапазон их применения. Однако инженер-разработчик может столкнуться с ситуацией, когда материал сердечника по какой-либо причине не может быть заменен. Следовательно, для уменьшения уровня генерируемых ЭМП могут потребоваться внешние решения. Например, силовые дроссели из металлических материалов — это может быть порошковое (как правило, карбонильное железо — технически чистое железо, в котором суммарное содержание примесей до 0,08–0,1%, в том числе углерода до 0,02%) железо или порошки из металлических сплавов, обладающие превосходными характеристиками в части насыщения. Соответственно, силовые дроссели на их основе могут быть выполнены в чрезвычайно малых габаритах, но их собственные экранирующие характеристики ограничены частотой в 1 МГц, далее они уже не могут эффективно подавлять ЭМП. Таким образом, для подавления излучения, вызванного высокочастотными помехами от переходных процессов, чаще всего звона как следствия высокой скорости нарастания и спада импульсов, и для обеспечения электромагнитной совместимости может потребоваться внешнее экранирование. В этом случае необходимо найти определенный компромисс между металлическим и магнитными экранами, в соответствии с применением силового дросселя в конкретном решении.

Дополнительные металлические экраны, как правило, могут быть изготовлены из меди, алюминия, сплавов или композитных смесей. Металлический экран — это корпус, который закрывает источник излучения для отражения или поглощения ЭМП. Толщину и тип материала выбирают исходя из требуемой эффективности экранирования и частоты ЭМП (рис. 15), а также его стоимости. Кстати, некоторые производители катушек индуктивности с сердечниками из порошкового железа (обычно это карбонильное железо) для повышения эффективности экранирования устанавливают на верхней части катушки металлическую скобу. Однако этот подход менее выгоден по отношению к полному экранированию по двум причинам. Во-первых, такие катушки не настолько полезны в части подавления собственного излучения, поскольку они имеют ограниченный эффект при ограниченном диапазоне частот переключения и свойств источника возбуждения ЭМП, а во-вторых, они не совсем удобны в применении Из-­за особенностей своей конструкции.

Рис. 15. Характеристики отражения и поглощения металлических экранов

Альтернативное магнитное экранирование может быть достигнуто с использованием магнитных материалов или магнитомягких сплавов, так называемых µ-металлов. Такие ферромагнитные сплавы характеризуются узкой петлей гистерезиса и поэтому обладают малой коэрцитивной силой. Пример такого сплава — хорошо известный всем разработчикам пермаллой. Эффективность данных экранов зависит от магнитной проницаемости материала, импеданса и толщины. Характеристики подобных материалов аналогичны характеристикам, приведенным на рис. 12.

Эффект от экранирования в области ближнего поля

Одним из источников ЭМП является экспоненциально затухающий переходной процесс в виде звона в выходных ключах DC/DC-­преобразователя с резонансной частотой паразитного колебательного контура. На одной демонстрационной плате он имел частоту примерно 130 МГц, а на другой демонстрационной плате — около 180 МГц. Поскольку преимущества дросселей с сердечниками из порошкового железа и порошков металлических сплавов достаточно часто не могут быть предметом компромисса, компания Würth Elektronik предлагает большой выбор металлических и µ-металлических экранирующих материалов, таких как медная лента, различные композитные, выполненные на основе металлов, экранирующие корпуса с вентиляционными отверстиями и без них, а также никель-цинковые и ферритовые пластины и т. д.

Рис. 16. Сравнение затухания магнитной составляющей поля помехи, обеспеченного экраном из порошкового железа WE-¬LHMI без дополнительного экранирования, дополнительным алюминиевым экраном толщиной 1,5 мм и медной лентой 0,07 мм

Эти продукты предоставляют разработчикам гибкие и легко адаптируемые решения, которые подходят для устранения конкретных конструктивных ограничений и могут быть выбраны для того диапазона частот, где требуется достичь заданного уровня затухания помехи. Поведение таких материалов аналогично представленному на рис. 15. Что касается эффективности металлического экрана, то, например, экран серии WE-­LHMI от Würth Elektronik для катушки индуктивности, выполненный из порошкового железа, снижает излучение электрической составляющей ЭПМ до уровня 10 дБ. Сравнение затухания поля помехи, обеспеченного экраном из порошкового железа WE-­LHMI без дополнительного экранирования, дополнительным алюминиевым и медным экранами приведено на рис. 16 и 17.

Рис. 17. Сравнение затухания электрической составляющей поля помехи, обеспеченного экраном из порошкового железа WE-LHMI без дополнительного экранирования, с дополнительным алюминиевым экраном толщиной 1,5 мм и медной лентой 0,07 мм

Эффект от экранирования в области дальнего поля

Эффективность экранирования излучения ЭМП не ограничивается лишь областью ближнего поля. С использованием металлических и ферритовых экранов может быть достигнуто уменьшение излучения помех и в области дальнего поля. Та же самая демонстрационная плата для излучения ее поведения в части подавления излучений в области дальнего поля была протестирована в экранированной безэховой камере.

Рис. 18. Электромагнитное излучение в области дальнего поля системы с силовым дросселем, выполненным из порошкового железа

Рис. 19. Электромагнитное излучение в области дальнего поля системы с силовым дросселем, закрытым алюминиевым экраном

На рис. 18 и 19 приведено значение подавления ЭМП катушки индуктивности с сердечником из порошкового железа и с алюминиевым экраном толщиной 1,5 мм. Как можно видеть, излучение помехи с частотой звона здесь существенно снижено. Кроме того, затухание уровня ЭМП также было заметным во всем диапазоне частот, включая гармоники основной рабочей частоты преобразователя. Аналогичный эффект дает и добавление ферритовой пластины толщиной 3 мм при ее размещении на катушке, сердечник которой выполнен из порошкового железа (рис. 20).

Рис. 20. Электромагнитное излучение в области дальнего поля системы с силовым дросселем, накрытым ферритовой пластиной толщиной 3 мм

Заключение

Электромагнитное излучение — это невероятно обширная и крайне сложная тема, поскольку кажущиеся небольшими изменения в каком-то одном параметре могут оказывать существенное влияние на источники помех, а следовательно, на характеристики излучения ЭМП в области как ближнего, так и дальнего поля. Что касается подавления излучения в области ближнего поля, это может быть весьма непростой задачей и длительным процессом. Это связано с тем, что Из-­за необходимости полного понимания и оптимального решения проблемы электромагнитных помех в данной области требуется проведение многочисленных экспериментов и наблюдений за изменением поведения помехи.

Кроме того, сейчас мы видим явную тенденцию к переходу к более высоким рабочим частотам преобразования, что связано со стремлением к достижению более высокой плотности мощности и повышению эффективности даже относительно маломощных DC/DC-­преобразователей. Такой переход стал доступен благодаря последним достижениям в области технологий силовых МОП-транзисторов, которые с традиционного кремния переходят на такие материалы, как нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC), что требует и новых подходов к анализу и оптимальному решению проблемы подавления излучения ЭМП от таких ключей. При использовании более высоких рабочих частот преобразования обычный метод проектирования и выбора силовых дросселей уже не эффективен. В связи с этим компания Würth Elektronik, хорошо понимая актуальность новых решений, стремится справиться с проблемами, возникающими с изменением технологий, конструкций и требований по дальнейшему улучшению характеристик DC/DC-­преобразователей.

Проектирование одного конкретного дросселя, эффективного лишь с точки зрения нескольких условий, не является политикой компании Würth Elektronik. Небольшое изменение в переключающем устройстве может существенно повлиять на характеристики дросселя как источника помех. Однако компания прекрасно понимает, что для конкретного приложения и для конкретной конструкции требуются и конкретные компоненты. По этой причине Würth Elektronik предлагает не только широкий ассортимент продукции, но и высокий уровень технической поддержки, в том числе и для обеспечения соответствия разрабатываемого устройства стандартам по ЭМС.