COMMON MODE NOISE מוגדר כרעש הנימדד בין ה-NTURAL לאדמה או לפעמים בין ה-LINE לאדמה בכניסת ספק ה-AC/DC דבר המשפיע גם על מוצא הספק. מכשירים תעשייתיים ורפואיים פועלים בסביבה רועשת מבחינה אלקטרונית, לפעמים כתוצאה ממחסור בידע או חוסר הבנה של מנגנוני עיבוד המידע המתקבל לגבי רעש זה.
חיישנים אלקטרוניים המשמשים ביישומים תעשייתיים ורפואיים עשויים להיות בעלי עכבה גבוהה מאוד וחסינות נמוכה לרעש ה-COMMON MODE NOISE. בידוד של החיישנים וההתקנים האלקטרוניים המחוברים לחיישנים יכול להוות אתגר. הרעש יכול להציג שגיאות בקריאות המכשיר או במקרה הגרוע לתרגם אותם בצורה לא יעילה. מקור משמעותי של הרעש ב-LINE בתדר AC יכול להיות דרך בידוד ספק הכוח. למרות תשומת הלב הרבה שניתנת למקורות רעש בתדר גבוה והפחתתן, רעש תדירות AC בקו ה-LINE הוא אחת הבעיות בחלק ממכשירי ניטור המטופל. חשוב להבין שמסלולי רעשי ההולכה (CONDUCTIVE) וההקרנה (RADIATION) בספק הכוח הם אלו התורמים לרעש ה-AC ביישומים הדורשים זליגת זרם נמוכה (Low Leakage Current) להגנת המטופל תוך הפעלת ציוד אלקטרוניקה רגיש בעל מעגלים עם עכבה מאוד גבוהה.
צימוד רעש (Noise Coupling)
ספק כוח טיפוסי מורכב מדרגת יישור AC ל-DC ובהמשך דרגת DC/DC בתדר גבוה ומעגלי שליטה לרגולצית מתח המוצא. סינון תדר גבוה הוא דבר שמובן מאליו ובאופן שגרתי הוא חלק מתכנון המוצר.
רעש ה-COMMON MODE במוצא הוא לעתים קרובות דבר שמתעלמים ממנו. רוב תשומת הלב הוא בכניסה, במסנן ה-EMI וסינון רעשים דיפרנציאליים במוצא. יש עם זאת, רעש COMMON MODE במוצא, בגלל צימוד רעשי ה-CONDUCTIVE
וה-RADIATED למוצא הספק. ברוב היישומים זה לא נושא כל כך מורכב כי המוצא מוארק באופן פנימי בספק הכח או ביישום במוצא או ע”י קבל משמעותי שמחובר לקרקע במוצא הספק. עם זאת, ביישומים רפואיים עם קשר ישיר למטופל יש דרישות מחמירות, לגבי זרם הזליגה, המגבילות את גודל הקיבול בין המוצא לאדמה שניתן להשתמש. לדוגמה, IEC60601-1 מגביל את כמות זליגת הזרם עד μA50 בישומים עם מטופל. המטופל אמור להיות מוגן, במקרה של תקלה באחד המכשירים המשתתפים בטיפול או קפיצת מתח רגעית, המשפיעים על כניסת המתח של הספק ומגיעים מהחיבור לאדמה.
ציוד שנועד לניטור מטופל, יכול להיות רגיש לרעשים ולהשפיע על אופי תיכנון מכשיר הניטור. לחיישנים יש עכבה גבוהה מאוד והמגברים בעלי העכבה הגבוהה עם ההגברה הגבוהה עלולים להתקלקל בנוכחות רעשים בסביבתם.
זה עשוי להפתיע כשמבינים כי מוצא של ספק כוח, יכול להיות בעל רעש בתדר ה AC בכניסה. זה בא לידי ביטוי באמצעות צימוד קיבולים, באמצעות רכיבים מבודדים כגון שנאים, optocouplers, קבלי RF לסינון רעש ובאמצעות הקרבה של הרכיבים עצמם במעגל. טבלה 1 מציגה ערכים משותפים של קיבול פרזיטי מכשירים המשמשים בספק כוח ממותג בהספק נמוך.
באיור מס’ 1 אנו רואים את הסכימה של כניסת ספק CLASS II בהספק נמוך. הקיבולים הפרסיטיים נוספו לאיור מס’ 2 להמחשת המיקום הפיסי שלהם.
ניתוח רעש באמצעות כלי סימולציה במעגל, הוא דבר שמראה את משמעות הקיבול הלא מכוון של רכיבי הגישור. רעש המוצא הוא ~ Vp-p כאשר מתח הכניסה המקסימאלי Vac265, הדבר מוצג בספק באיור 3. כדי להגיע ליעד רמת רעש בין מוצא הספק לאדמה < מ-1V, דרושה להעשות עבודה מסויימת. אחת הנקודות היותר חשובות אשר יש להתחשב בהן, היא שללא ההתייחסות לאדמה ביישום, כפי שראינו במקרה של כניסת CLASS II, הגעה לרמה של צימוד נמוך ובידוד גבוהה לכניסת LINE ה-AC ידרוש קיבול INTERWINDING נמוך ככל האפשר בשנאי המבודד. כרגע, מתן נקודת יחוס לאדמה ע”י כניסת CLASS-I חוטים יספק את ההזדמנות ליחס את המוצא לאדמה ובכך להפחית את כמות רעש תדר הכניסה שמוצמד (COUPLING) למוצא. כעת ניתן להניח שהרעש נמנע, אך בשל עכבה גבוהה של המוצא (ביחס לקרקע) הנדרשת לעמוד בזליגת הזרם הרפואית, יש עדיין צימוד כלשהו למוצא.
נקודת ייחוס אדמה מסייעת בהפחתת רעש המוצא, אבל היא תגדיל את זרם הזליגה למטופל במצב של תקלה. איפשור זרמי זליגה טפיליים מכבלים ונקיטת אמצעי בטיחות כדי להישאר מתחת לדרישה הנוכחית של זרם הזליגה μA, מוגבל
לכ-200-300. אפילו באמצעות pF,
רעש המוצא הוא ~ -17, כפי שמוצג באיור 4. הפחתת הקיבול בין ראשוני למשני יהיה לעזר רב, אבל אנחנו מתקרבים לנקודה שהתועלת פוחתת עקב מגבלות מעשיות, קירבה של רכיבים וצימוד ליד dv/dt.
פתרון מוצע
גישה חדשנית היא להשתמש בשנאי בידוד שני כדי לאפשר ייחוס נקי לאדמה ובו זמנית מתן מוצא צף כפי שמוצג באיור 5. באופן מעניין, עדיין יש צורך בקיבול מסנן המוצא עקב רעש תדר כניסה שנאסף מתוך שדות ספק הכוח וקיבולים תועים כמו גם מקורות סביבתיים חיצוניים, כגון תאורה וציוד חשמלי אחר. עם זאת, רעש המוצא בתדר מתח הכניסה מתחת 1V הוא בר השגה ע”י תיכנון זהיר של ה-PCB והמכניקה של הספק.
לסיכום
השגת רעש נמוך במוצא ספק כוח
AC / DC דורשת ניתוח מעמיק של הרכיבים והקיבולים הפרזיטיים בין הדרגה הראשית והמשנית, להבנה ברורה של ההגבלה המעשית במזעור הקיבולים וצימוד dv/dt מצד הכניסה עד למעגל הדרגה השניה המבודדת, והאסטרטגיה להקטין את הצימוד.
שנאי הבידוד הכפול המוצע, העושה שימוש בפילטר הכניסה CLASS I הוא פתרון יעיל במימוש רעש מוצא נמוך,צף, עם זרם זליגה אדמה נוכחי נמוך.
תורגם ע”י אידלסון יובל ,בורן טכנולוגיות
Lorenzo Cividino, Slpower Electronics
