התנהגות הקרינה האלקטרומגנטית של סליל השראה בניהול הספק

איור 1. סלילים הם רכיב עיקרי בממירים מסוג. DC/DC

מאמר זה עוסק בהתנהגות קרינה אלקטרומגנטית של סלילי השראה בממירי DCDC, התלויה בכמה פרמטרים כגון זרם אדווה, תדרי מיתוג וזמני עלייה וירידה בהתקן המיתוג, חומר הליבה וחדירות התדרים שלו, ומציע כמה עצות עיצוב שנועדו להתגבר על השפעות אלה של הקרינה האלקטרומגנטית.

ממירי DC-DC נמצאים בשימוש נרחב ביישומי ניהול הספק ואחד מהרכיבים העיקריים בהם הוא סליל ההשראה (איור 1). המיקוד הרגיל הוא על מאפייני ביצועים חשמליים כגון RDC, RAC והפסדי הליבה המגנטית, אך בדרך כלל מתעלמים ממאפייני הקרינה האלקטרומגנטית.

איור 2. התופעה ניתנת לחלוקה לשני איזורים:
איזור קרוב ואיזור רחוק

ממירי מתח בספקי כוח ממותגים (SMPS) יכולים להיות עשויים ממגוון חומרי ליבה ומסוגים שונים של ליפופים (סלילים). גם את סלילי ההשראה ניתן לסווג לשלושה סוגים: מסוככים, חצי מסוככים ולא מסוככים. לסוגים השונים של סלילי ההשראה יש יתרונות וחסרונות שמאפשרים להשתמש בהם במגוון יישומים או מונעים זאת. בשל פעולת המיתוג של ה-SMPS, נוצר זרם/מתח AC בסליל ההשראה. לכן סליל ההשראה יכול לשמש כאנטנת לולאה משדרת. הקרינה האלקטרומגנטית תלויה בכמה גורמים.

קרינה אלקטרומגנטית של סליל השראה בטווח ספקטרום של תדרים נמוכים (100kHz עד 30MHz), הנגרמת על ידי תדר המיתוג וההרמוניות שלו, תלויה בשאלה האם סליל ההשראה מסוכך ובאופן הליפוף. עם זאת, בטווח ספקטרום של תדרים גבוהים (30MHz עד 1GHz), שבו הפליטות נגרמות בשל תדרי התהודה וההרמוניות שלהם, הקרינה האלקטרומגנטית תלויה יותר במאפייני הסיכוך של חומר הליבה, בתדר המיתוג ובנקודות של ממיר המיתוג.

קרינה אלקטרומגנטית

העיצוב האינהרנטי והפעולה של סלילי ההשראה בממירי DC-DC מובילים לתכונות לא רצויות הדומות לאלו של אנטנת לולאה. מתח ה-AC והזרם בסליל ההשראה מפיקים שדה חשמלי (E-field) ושדה מגנטי (H-field) המתפזרים הרחק מהמקור בזוויות ישרות זה מזה. ליד אנטנת הלולאה (המקור) המאפיינים של השדות (החשמלי והמגנטי) נקבעים על ידי ההתנהגות של המאפיינים של המקור (תדר המיתוג, שינויי מתח). עם זאת, הרחק מהמקור מאפייני השדה נקבעים על ידי העצם שדרכו הם עוברים. ניתן לחלק תופעה נפרדת אך בו זמנית קשורה זו לשני אזורים: השדה הקרוב והשדה הרחוק (איור 2). עבור אנטנת לולאה, שדה מגנטי ליד המקור גורם לעכבת גל נמוך קרוב לאנטנה. ככל שהמרחק מהמקור גדל, השדה המגנטי נחלש ויוצר בו זמנית שדה חשמלי בניצב לכיוון של השדה המגנטי. השדה המגנטי נחלש בקצב של 3() והשדה החשמלי נחלש בקצב של 2() בעת ההתרחקות מהמקור, כאשר r הוא המרחק.

התנהגות הקרינה האלקטרומגנטית של סלילי השראה מסוככים, חצי מסוככים ולא מסוככים

כפי שראינו בסעיף הקודם, קרינה הנפלטת מסלילי השראה בממירי DC/DC היא אינה דבר טריוויאלי, בייחוד אם לוקחים בחשבון את סוג ומרחק הרכיבים הנמצאים בקרבת מקום ואת הרגישות שלהם לצימוד מגנטי. משום שמהנדסים נהיו מודעים יותר למקור זה של הפרעת קרינה אלקטרומגנטית פוטנציאלית, יצרני הרכיבים הגיבו באמצעות ייצור סלילי השראה (איור 3) מסוככים וחצי מסוככים בנוסף לסלילי ההשראה הלא מסוככים הרגילים. סלילי השראה מסוככים מיוצרים כך שיעטפו לגמרי את הסליל בצורה של סיכוך מגנטי. בסלילי השראה לא מסוככים, ליפופי הסליל חשופים בדרך כלל או שהם אינם מסוככים מגנטית. בסלילי השראה חצי מסוככים, החומרים המגנטיים בדרך כלל מודבקים מעל הליפופים החשופים באמצעות דבק אפוקסי. לכל אחד מסוגי סלילי ההשראה יש יתרונות וחסרונות. היתרון העיקרי של סלילי ההשראה המסוככים הוא הפליטות הנמוכות יחסית בהשוואה לסלילי ההשראה החצי מסוככים או הלא מסוככים (איור 4).

אך כפי שיודעים רוב המהנדסים, יש לשמור על איזון עדין בעת פיתוח מוצר חדש. הגדלת מאפיינים רצויים עשויה לעתים קרובות להגדיל גם מאפיינים בלתי רצויים, שבסופו של דבר מוגבלים בשל דרישות הפרויקט. אחת מהמגבלות האלה היא באופן בלתי נמנע הגודל. לסלילי השראה מסוככים, בהשוואה לאותו ערך השראה הדרוש בסלילי השראה לא מסוככים ובאותן מידות, יש התנגדות DC נמוכה יותר ורוויה נמוכה יותר. באופן טבעי, זה יגרום למהנדס מנוסה פחות לבחור בסליל השראה לא מסוכך, שהוא קטן יותר ובעל יכולת רווית זרם גבוהה יותר. אך זה יוביל בסופו של דבר להפרעות אלקטרומגנטיות בלתי פוסקות ולבעיות תאימות שלא יהיה ניתן לפתור.

איור 4. לסלילים מסוככים יש פליטת קרינה נמוכה בהשוואה
לסלילים מסוככים למחצה או לא מסוככים.

איור 5. אופיין רוויה מעולה לסליל מסוג WE-LQS , מסוכך למחצה.

קיימות חברות בודדות בשוק המציעות סלילי השראה חצי מסוככים, המגיעים לאיזון העדין בין מגבלות גודל, מאפיינים חשמליים והפרעות קרינה אלקטרומגנטית. סלילי השראה חצי מסוככים מתאימים במיוחד ליישומים שבהם הרכיבים הקרובים לסליל ההשראה אינם רגישים מאוד לקרינה. מאפייני הרוויה המצוינים של סליל ההשראה החצי מסוכך  WE-LQS מוצגים (איור 5) ומושווים לסליל ההשראה המסוכך (WE-PD (74477710 ולסליל ההשראה הלא מסוכך (10 744775)WE-PD2 .

קרינה אלקטרומגנטית הנובעת מהשפעת קצה הליפוף

איור 6. חשוב מאד לחבר את הקצה המסומן בנקודה , סמוך למקור המיתוג.

שיקול אחד הקשור להפרעות קרינה מגנטית שעשויים בקלות להתעלם ממנו הוא הכיוון של תחילת הליפוף של הסליל, המיוצג על ידי ה’נקודה’ שבמכלול סליל ההשראה (איור 6). חשוב לחבר את הקצה עם הנקודה של סליל ההשראה בקצה הכי קרוב לנקודת המיתוג במעגל משום שזהו הקצה שיעבור הכי הרבה dv/dt ולכן ייצר הכי הרבה הפרעות. בדרך זו, שטף ה-AC ממיתוג נקודת המיתוג יהיה מסוכך על ידי הליפופים החיצוניים. אם הקצה שאינו מסומן בנקודה מחובר לנקודת המיתוג, המתחים של שטף ה-AC נמצאים בשכבת הליפוף החיצוני, מה שיכול לגרום לרמות לא קבילות של צימוד חשמלי או קיבולי. סלילי השראה המסוככים באופן מגנטי יעילים בהגנה מפני קרינה דומיננטית של השדה המגנטי אך ייתכן שהם לא יוכלו להגן מפני קרינה דומיננטית של השדה החשמלי בכל התנאים. הגנה יעילה מפני קרינה של השדה החשמלי תלויה בתכונות החומר ובחדירות הכללית. ככל שחומר הליבה עבה יותר וחדיר יותר, כך סליל ההשראה יהיה יעיל יותר בהגנה מפני קרינה של השדה החשמלי.

איור 7. פליטת הקרינה מהסליל נמוכה בכ 8 דציבל כאשר הקצה המסומן בנקודה
מחובר למקור המיתוג

כדוגמה, פליטות השדה החשמלי של סליל השראה מסוכך נמדדו עם WE-LHMI  ממיר ה-DC-DC שבו השתמשו לבדיקה פעל ב-400kHz, והפיק את התהודה וההרמוניות הבסיסיות. הספקטרום מראה בבירור שהפליטות מסליל ההשראה נמוכות יותר בעד 8dB כאשר הקצה המסומן בנקודה של סליל ההשראה מחובר לנקודת המיתוג (איור 7). אם כך, מומלץ ביותר להשתמש בסליל ההשראה בתצורה הנוכחית. עם זאת, פליטות השדה המגנטי לא הושפעו מהשינוי בכיוון סליל ההשראה (איור 8).

קרינה אלקטרומגנטית הנוצרת כתוצאה מהשפעת שינויי מתח במיתוג

לא יכולה להתרחש הפרעה אלקטרומגנטית אם המקור, האמצעי או נפגע הקרינה לא קיימים. כשתדרי המיתוג עולים, ממירי ה-DC/DC גם הם משתמשים בזמני עלייה וירידה מהירים יותר של התקן המיתוג כדי לשמור על מעט הפסדי מיתוג. אך זה יוצר שינויי מתח חדים בנקודת המיתוג, המלווים בתהודות וקפיצות בנקודת המיתוג (איור 9). התהודה המתקבלת בנקודת המיתוג וצורת הגלים של מתח סליל ההשראה מוצגים גם הם (איור 10).

איור 8. קרינת השדה המגנטי H לעומת זאת לא מושפעת אם הסליל מחובר הפוך

בגלל התהודה בנקודת המיתוג, שינויי המתח המהירים ותדרי המיתוג הגבוהים, הכרחי לבחור סליל השראה מתאים כדי להשיג התאמה אלקטרומגנטית. באופן טיפוסי, תדר התהודה היא בטווח של 100 עד 200MHz. יעילות החלשת הפליטות בתדרים אלה תלויה במאפייני סלילי ההשראה, ובעיקר בחומר הליבה (איור 11) והעובי שלו. בדרך כלל, לסלילי השראה מאבקת ברזל ומאבקת סגסוגת מתכת יש יעילות הגנה מפני שדה חשמלי פחותה יותר בתדרים מעל 1MHz שבהם ל-MnZn ול- NiZnיש ביצועים טובים יותר.

ניתן לראות למטה את ההשפעה על הקרינה של שדות מגנטיים ושל שדות חשמליים כשמחליפים את חומר הליבה (איור 12 ואיור 13). ממירי ה-DC-DC שבהם נעשה שימוש לבדיקה ממתגים ב-400kHz ותדר התהודה בנקודת המיתוג הוא בערך 180MHz. כפי שהודגם, סליל השראה עם ליבת NiZn  מוצלח הרבה יותר בהגבלת הקרינה של שדות מגנטיים ושדות חשמליים בתדרי מיתוג גבוהים יותר מאשר סליל השראה עם ליבת MnZn .

סיכוך

איור 9. זמני עליה וירידה של התקן המיתוג יוצר שינויי
מתח חדים בנקודות המיתוג

איור 10 . התהודה המתקבלת בנקודת המיתוג וצורת הגלים
של מתח הסליל מוצגים גם הם

לכל חומר ליבה יש יתרונות וחסרונות משלו, המתאימים במיוחד ליישומים מסוימים. בנסיבות שבהן לא ניתן להחליף את חומר הליבה, צריך למצוא פתרונות חיצוניים להפחתת הפליטות. לדוגמה, לסלילי השראה העשויים מאבקת ברזל/סגסוגת מתכת יש מאפייני רוויה מצוינים וניתן לייצר אותם במידות קטנות מאוד אבל יש להם תכונות סיכוך מוגבלות בתדרים מעל 1MHz. לכן כדי להגן מפני פליטות ייתכן שיהיה צורך בסיכוך חיצוני כדי לוודא שישנה התאמה אלקטרומגנטית. ניתן להשתמש בפתרונות סיכוך מגנטיים ומתכתיים על בסיס היישום. חומרי סיכוך ממתכת עשויים מנחושת, אלומיניום, סגסוגות מתכת ומתרכובות שונות. סיכוך ממתכת בדרך כלל פירושו כיסוי המונח על המקור כדי להחזיר את הרעש. ניתן לבחור את עובי וסוג המתכת על בסיס יעילות הסיכוך (איור 14) והעלות.

איור 11 . יעילות החלשת הפליטות בתדרים אלה תלויה במאפייני סליל ההשראה

מעניין לראות שכמה יצרני סלילי השראה מאבקת ברזל משלבים גשר מתכת מעל סליל ההשראה כדי לשפר את הסיכוך. אך גישה זו מומלצת פחות מכיוון שנראה שסלילי השראה אלא נוחים פחות לעיצוב ולהתאמה לדרישות הפליטה כי יש להם השפעה מוגבלת בטווח מוגבל של תדרי מיתוג ומאפייני מקור קבועים. לחלופין, ניתן להשיג סיכוך מגנטי באמצעות חומרים מגנטיים או מתכות µ והיעילות שלהם תלויה בחדירות החומר, בעכבה שלו ובעובי. מאפייני החומר דומים לאלו שמוצגים באיור 10.

השפעת הסיכוך בשדה הקרוב

כפי שהוזכר קודם לכן, תדר התהודה של נקודת המיתוג בלוח הדגמה אחד הוא  ובלוח ההדגמה האחר הוא . מאחר ולא ניתן לפגום ביתרונות של סלילי השראה מאבקת ברזל וסגסוגות מתכת רוב הזמן, חברות שונות בשוק מציעות מגוון ענק של חומרי סיכוך ממתכת וממתכת µ כמו סרטי הדבקה מנחושת, מגוון ארונות סיכוך מתרכובות מתכת עם או ללא אוורור, לוחיות NiZn ו-ferrite וכו’. מוצרים אלה מציעים פתרונות גמישים וניתנים להתאמה המתאימים למגבלות עיצוב ספציפיות וניתן לבחור אותם עבור טווח התדרים הספציפי בו נדרשת החלשה של עוצמת הקרינה

איור 14 . בחירת עובי וסוג המתכת על בסיס יעילות הסיכוך והעלות

(איור 14). לדוגמה, היעילות של סיכוך המתכת של סליל ההשראה מאבקת ברזל WE-LHMI מתבטאת בהפחתה של 10dB בפליטות מהשדה החשמלי (איור 15).

השפעת הסיכוך בשדה הרחוק

יעילות הסיכוך אינה מוגבלת רק לקרינה בשדה הקרוב. ניתן להשיג הפחתות משמעותיות גם בפליטות בשדה הרחוק באמצעות פתרונות ממתכת ומ-ferrite. אותו לוח הדגמה נבדק בחדר הפרעות הקרינה האלקטרומגנטית עבור בדיקת קרינה בשדה הרחוק. היתרון של הנחת סליל השראה עם ליבת אבקת ברזל בתוך מגן אלומיניום בעובי 1.5 מ”מ מוצג להלן (איור 16 ואיור 17), וניתן לראות שתדר התהודה הופחת באופן משמעותי. כמו כן, היחלשות עוצמת הקרינה גם כן הייתה משמעותית על פני כל טווח התדרים כולל הרמוניות. באופן דומה, לתוספת של לוח ferrite בעובי 3 מ”מ יש השפעה דומה כשמניחים אותו על סליל ההשראה מאבקת ברזל (איור 18).

סיכום

איור 15 . יעילות סיכוך המתכת מאבקת ברזל של הסליל WE-LHMI
מתבטאת בהפחתה של 10 דציבל בפליטת השדה החשמלי

איור 16 . היתרון של הנחת סליל השראה עם ליבת אבקת ברזל בתוך מגן
אלומיניום בעובי 1.5 מ״מ

נושא הקרינה האלקטרומגנטית הוא רחב ביותר ומסובך משום שנראה ששינויים קטנים בכל אחד מהפרמטרים יכולים להשפיע על מקורות הפליטה ולכן על מאפייני השדה הקרוב והשדה הרחוק. האפיון של השדה הקרוב יכול להיות תהליך מסובך וארוך משום שיש צורך בניסויים ותצפיות רבים כדי להבין לגמרי את הפרעות הפליטות האלקטרומגנטיות ולמצוא להן פתרון.

בנוסף, ההתקדמות כלפי תדרי מיתוג גבוהים עבור צפיפות הספק גבוהה יותר ויעילות טובה יותר, המתרחשת בזכות זמינות של טכנולוגיות חדשות במכשירי MOSFET (), מדגישה עוד יותר את הצורך בשליטה טובה יותר בפליטות. בעת מיתוג בתדרים גבוהים הגישה הרגילה

איור 17 . בהשוואה לאיור 18 , היתרון של הנחת סליל השראה עם ליבת
ברזל בתוך מגן אלומיניום בעובי 1.5 מ״מ

איור 18 . לתוספת של לוח פריט בעובי 3 מ״מ יש השפעה דומה כשמניחים
אותו על סליל ההשראה מאבקת ברזל

של מגנטיות הספק אינה מתאימה עוד

הכתבה נמסרת באדיבות

Wurth Elektronik

Mr. Ranjith Bramanpalli, Würth Elektronik

תגובות סגורות