การวิเคราะห์เทคโนโลยีการควบคุมอีเอ็มไอของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง
ในบทความนี้ กลไกของ EMI ในการจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งได้รับการวิเคราะห์โดยละเอียด และมีการหยิบยกชุดกลยุทธ์การปราบปราม EMI มาใช้ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งได้อย่างมีประสิทธิภาพ
แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งเป็นผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังชนิดหนึ่งที่ใช้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังและรวมเทคโนโลยีการแปลงพลังงาน เทคโนโลยีแม่เหล็กไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ และเทคโนโลยีการควบคุมอัตโนมัติ เนื่องจากข้อดีของการใช้พลังงานต่ำ ประสิทธิภาพสูง ปริมาณขนาดเล็ก น้ำหนักเบา งานที่มั่นคง ความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือ และช่วงการรักษาแรงดันไฟฟ้าที่กว้าง จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านคอมพิวเตอร์ การสื่อสาร เครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ การควบคุมอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม การป้องกันประเทศและเครื่องใช้ในครัวเรือน อย่างไรก็ตาม แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งมีการตอบสนองชั่วคราวที่ไม่ดีและมีแนวโน้มที่จะเกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMD) และสัญญาณ EMI ครอบครองช่วงความถี่ที่กว้างและมีแอมพลิจูดที่แน่นอน สัญญาณ EMI เหล่านี้ก่อให้เกิดมลพิษต่อสภาพแวดล้อมแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านทางการนำและการแผ่รังสี และทำให้เกิดการรบกวนต่ออุปกรณ์สื่อสารและเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ จึงจำกัดการใช้แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งในระดับหนึ่ง
1 แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งทำให้เกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า
การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) เป็นความเสียหายต่อประสิทธิภาพของระบบอิเล็กทรอนิกส์หรือระบบย่อยที่เกิดจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่คาดคิด ประกอบด้วยองค์ประกอบพื้นฐานสามประการ ได้แก่ แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน นั่นคือ อุปกรณ์ที่สร้างพลังงานสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า ช่องสัญญาณเชื่อมต่อ นั่นคือ ช่องหรือตัวกลางสำหรับส่งสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า อุปกรณ์ที่มีความละเอียดอ่อน ได้แก่ อุปกรณ์ อุปกรณ์ ระบบย่อย หรือระบบที่ได้รับความเสียหายจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า จากนี้ มาตรการพื้นฐานในการควบคุมการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ได้แก่ การระงับแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน การตัดเส้นทางภัยพิบัติ ลดการตอบสนองของอุปกรณ์ที่มีความละเอียดอ่อนต่อการรบกวน หรือเพิ่มระดับความไวทางแม่เหล็กไฟฟ้า
ตามหลักการทำงานของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง เป็นที่ทราบกันว่าแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งจะแก้ไขความถี่พลังงานไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรงก่อน จากนั้นจึงแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูง และสุดท้ายจะส่งออกผ่านการแก้ไขและการกรองเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่เสถียร . ในวงจร พาวเวอร์ไตรโอดและไดโอดส่วนใหญ่จะทำงานในสถานะสวิตชิ่ง และทำงานในระดับไมโครวินาที เมื่อเปิดและปิดไตรโอดและไดโอด กระแสไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงอย่างมากในช่วงเวลาที่เพิ่มขึ้นและลดลง ซึ่งง่ายต่อการสร้างพลังงานความถี่วิทยุและสร้างแหล่งสัญญาณรบกวน ในเวลาเดียวกัน ความเหนี่ยวนำการรั่วไหลของหม้อแปลงและจุดสูงสุดที่เกิดจากกระแสการกู้คืนแบบย้อนกลับของไดโอดเอาท์พุตจะก่อให้เกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นกัน
แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งมักจะทำงานที่ความถี่สูงและความถี่สูงกว่า 02 kHz ดังนั้นจึงไม่สามารถละเลยความจุแบบกระจายได้ ในอีกด้านหนึ่งแผ่นฉนวนระหว่างแผ่นระบายความร้อนและตัวสะสมของท่อสวิตช์มีพื้นที่สัมผัสขนาดใหญ่และแผ่นฉนวนบาง ๆ ดังนั้นจึงไม่สามารถละเลยความจุแบบกระจายระหว่างพวกมันที่ความถี่สูงและกระแสความถี่สูงจะ ไหลไปยังแผงระบายความร้อนผ่านความจุแบบกระจาย จากนั้นไปที่กราวด์ของแชสซี ส่งผลให้เกิดการรบกวนในโหมดทั่วไป ในทางกลับกัน มีความจุแบบกระจายระหว่างขั้นตอนปฐมภูมิของพัลส์หม้อแปลง ซึ่งสามารถฟิวส์แรงดันไฟฟ้าของขดลวดปฐมภูมิกับขดลวดทุติยภูมิได้โดยตรง และทำให้เกิดการรบกวนในโหมดทั่วไปบนสายไฟสองเส้นที่มีเอาต์พุต DC ของขดลวดทุติยภูมิ คดเคี้ยว
ดังนั้นแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งจึงกระจุกตัวอยู่ในส่วนประกอบต่างๆ เช่น ท่อสวิตชิ่ง ไดโอด และหม้อแปลงความถี่สูง ตลอดจนวงจรอินพุต AC และวงจรเอาต์พุตการแก้ไข
2 มาตรการระงับการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง
โดยปกติแล้ว การควบคุม EMI ของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งส่วนใหญ่จะใช้เทคโนโลยีการกรอง เทคโนโลยีป้องกัน เทคโนโลยีการปิดผนึก และเทคโนโลยีสายดิน การรบกวนของ EMI สามารถแบ่งออกเป็นการรบกวนการนำและการรบกวนของรังสีตามเส้นทางการส่งสัญญาณ แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งส่วนใหญ่จะทำการรบกวน และช่วงความถี่จะกว้างที่สุด ประมาณ 10kHz-30MHz มาตรการรับมือเพื่อระงับสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นโดยพื้นฐานแล้วจะได้รับการแก้ไขในย่านความถี่สามย่าน: 10kHz-150kHz, 150kHz-10MHz และสูงกว่า สัญญาณรบกวนปกติส่วนใหญ่จะอยู่ในช่วง 10kHz ถึง 150kHz ซึ่งโดยทั่วไปจะแก้ไขได้ด้วยตัวกรอง LC ทั่วไป การรบกวนในโหมดทั่วไปส่วนใหญ่จะอยู่ในช่วง 150kHz-10 MHz ซึ่งโดยปกติจะแก้ไขได้ด้วยตัวกรองการปฏิเสธโหมดทั่วไป มาตรการรับมือสำหรับย่านความถี่ที่สูงกว่า 10MHz คือการปรับปรุงรูปร่างของตัวกรอง และใช้มาตรการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
2.1 ใช้ตัวกรอง EMI อินพุต AC
โดยปกติมีสองวิธีในการส่งกระแสรบกวนบนตัวนำ: โหมดทั่วไปและโหมดดิฟเฟอเรนเชียล การรบกวนแบบโหมดร่วมคือการรบกวนระหว่างของไหลตัวพากับโลก การรบกวนนั้นมีขนาดและทิศทางเท่ากัน และเกิดขึ้นระหว่างสายดินสัมพัทธ์ใดๆ ของแหล่งจ่ายไฟหรือระหว่างเส้นที่เป็นกลางกับพื้นโลก ส่วนใหญ่ผลิตโดย du/dt และ di/dt ยังสร้างสัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไปบางอย่างด้วย การรบกวนของโหมดดิฟเฟอเรนเชียลคือการรบกวนระหว่างของเหลวตัวพา การรบกวนจะมีขนาดเท่ากันและมีทิศทางตรงกันข้าม และมีอยู่ระหว่างเส้นเฟสกับเส้นที่เป็นกลางของแหล่งจ่ายไฟกับเส้นเฟสและเส้นเฟส เมื่อกระแสรบกวนถูกส่งไปที่ตัวนำ กระแสนั้นสามารถปรากฏได้ทั้งในโหมดทั่วไปและโหมดดิฟเฟอเรนเชียล อย่างไรก็ตาม กระแสไฟฟ้ารบกวนในโหมดทั่วไปสามารถรบกวนสัญญาณที่เป็นประโยชน์ได้เท่านั้น หลังจากที่กระแสไฟรบกวนในโหมดดิฟเฟอเรนเชียลแล้วเท่านั้น
มีการรบกวนสองประเภทข้างต้นในสายส่งไฟฟ้ากระแสสลับ โดยทั่วไปการรบกวนโหมดดิฟเฟอเรนเชียลความถี่ต่ำและการรบกวนโหมดทั่วไปความถี่สูง โดยทั่วไป แอมพลิจูดของการรบกวนโหมดดิฟเฟอเรนเชียลมีขนาดเล็ก ความถี่ต่ำ และการรบกวนที่เกิดจากการรบกวนมีขนาดเล็ก การรบกวนในโหมดทั่วไปมีแอมพลิจูดสูงและความถี่สูง และยังสามารถปล่อยรังสีผ่านสายไฟ ซึ่งทำให้เกิดการรบกวนอย่างมาก หากใช้ตัวกรอง EMI ที่เหมาะสมที่ปลายอินพุตของแหล่งจ่ายไฟ AC การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกระงับได้อย่างมีประสิทธิภาพ หลักการพื้นฐานของตัวกรอง EMI ของสายไฟจะแสดงในรูปที่ 1 ซึ่งใช้ตัวเก็บประจุโหมดดิฟเฟอเรนเชียล C1 และ C2 เพื่อลัดวงจรกระแสรบกวนของโหมดดิฟเฟอเรนเชียล ในขณะที่ตัวเก็บประจุกราวด์สายกลาง C3 และ C4 ใช้เพื่อลัดวงจร วงจรกระแสรบกวนโหมดทั่วไป คอยล์โช้คโหมดทั่วไปประกอบด้วยคอยล์สองตัวที่มีความหนาเท่ากันและพันบนแกนแม่เหล็กในทิศทางเดียวกัน ถ้าข้อต่อแม่เหล็กระหว่างขดลวดทั้งสองอยู่ใกล้กันมาก ความเหนี่ยวนำการรั่วไหลจะมีน้อยมาก ซึ่งในช่วงความถี่ของสายไฟไม่ดี
รีแอคแตนซ์ของโหมดจะมีขนาดเล็กมาก เมื่อกระแสโหลดไหลผ่านโช้คโหมดทั่วไป เส้นสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยขดลวดที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมบนเส้นเฟสจะตรงข้ามกับเส้นที่สร้างโดยขดลวดที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมบนเส้นกลาง และจะหักล้างกันใน แกนแม่เหล็ก ดังนั้นแม้ในกรณีของกระแสโหลดขนาดใหญ่ แกนแม่เหล็กจะไม่อิ่มตัว สำหรับกระแสรบกวนในโหมดร่วม สนามแม่เหล็กที่สร้างโดยขดลวดทั้งสองจะอยู่ในทิศทางเดียวกัน ซึ่งจะนำเสนอการเหนี่ยวนำขนาดใหญ่ จึงมีบทบาทในการลดทอนสัญญาณรบกวนในโหมดร่วม ที่นี่ คอยล์โช้คโหมดทั่วไปควรทำจากวัสดุแม่เหล็กเฟอร์ไรต์ที่มีการซึมผ่านสูงและมีลักษณะความถี่ที่ดี
