Активное снижение электромагнитных помех

В области ЭМС ) относится к методам , активное снижение электромагнитных помех (или активная фильтрация электромагнитных помех направленным на уменьшение или фильтрацию электромагнитного шума (ЭМП) с использованием активных электронных компонентов. Активное снижение электромагнитных помех контрастирует с методами пассивной фильтрации, такими как RC-фильтры , LC-фильтры. RLC-фильтры , которые включают в себя только пассивные электрические компоненты. Существуют гибридные решения, включающие как активные, так и пассивные элементы. ^[1] Стандарты, касающиеся кондуктивных и излучаемых излучений, опубликованные IEC ^[2] и ФКС ^[3] установить максимальный уровень шума, разрешенный для разных классов электротехнических устройств. Интересующий диапазон частот охватывает от 150 кГц до 30 МГц для кондуктивных излучений и от 30 МГц до 40 ГГц для излучаемых излучений. ^[4] Соответствие этим требованиям и гарантия функциональности электрического устройства, подверженного электромагнитным помехам, являются основной причиной установки фильтра электромагнитных помех. В электрической системе силовые преобразователи , то есть преобразователи постоянного тока в постоянный , инверторы и выпрямители , являются основными источниками кондуктивных электромагнитных помех из-за их высокочастотного коэффициента переключения, который приводит к нежелательным быстрым переходным токам и напряжениям. Поскольку силовая электроника в настоящее время распространена во многих областях, от применения в энергетике до автомобильной промышленности , ^[5] Фильтрация электромагнитных помех стала необходимой. В других областях, таких как телекоммуникационная отрасль, где основное внимание уделяется излучаемым излучениям, были разработаны другие методы снижения электромагнитных помех, такие как синхронизация с расширенным спектром , в которой используется цифровая электроника, или электромагнитное экранирование .

Принцип работы

Концепция активного снижения электромагнитных помех ранее уже была реализована в акустике с активным контролем шума. ^[6] и его можно описать, используя следующие три разных блока:

Стадия считывания : нежелательный шум электромагнитных помех, который можно рассматривать либо как высокочастотный ток, наложенный на функциональный ток, либо как напряжение, воспринимается и отправляется на электронный этап. Датчиком может быть трансформатор тока для регистрации токов или емкостная ветвь для измерения напряжения. Обнаруженный сигнал должен быть точной копией шума как по величине, так и по фазе.
Электронный этап : записанный сигнал усиливается и инвертируется с помощью электроники. аналоговые устройства, например, операционные усилители и InAmp в различных конфигурациях или транзисторы Используются . Для частот кондуктивного излучения высокий коэффициент усиления и широкая полоса пропускания могут быть достигнуты с помощью многих доступных устройств. Этот электронный блок требует внешнего источника питания.
Этап ввода : обработанный сигнал в конечном итоге вводится обратно в систему с противоположной фазой, чтобы добиться снижения или подавления шума. Токи можно подавать с помощью емкостной ветви, а напряжения можно индуцировать с помощью последовательного трансформатора.

Активное устройство снижения электромагнитных помех не должно влиять на нормальную работу первичной системы. Активные фильтры предназначены для воздействия только на высокочастотные шумы, создаваемые системой, и не должны изменять нормальную работу на частоте постоянного тока или сети электропередачи.

Фильтровать топологии

Шум электромагнитных помех можно разделить на синфазный (CM) и дифференциальный (DM). ^[7]

В зависимости от компонента шума, который необходимо компенсировать, возможны различные топологии и конфигурации. Существуют два семейства активных фильтров с управлением по обратной связи и по прямой связи : первое обнаруживает шум в приемнике и генерирует компенсационный сигнал для подавления шума; последний обнаруживает шум в источнике шума и генерирует противоположный сигнал для подавления шума.

Несмотря на то, что спектр шума ЭМП состоит из нескольких спектральных компонентов, в каждый момент времени учитывается одна частота, чтобы сделать возможным простое представление схемы, как показано на рис. 1. Источник шума $I_{s}$ представлен как синусоидальный источник с его представлением Нортона , который обеспечивает синусоидальный ток $I_{L}$ к сопротивлению нагрузки $Z_{L}$ .

Целью фильтра является подавление каждого одночастотного шумового тока, протекающего через нагрузку, и чтобы понять, как он достигает этой задачи, вводятся два основных элемента схемы: нуллатор и норатор . Нуллятор — это элемент, напряжение и ток которого всегда равны нулю, а норатор — это элемент, напряжение и ток которого могут принимать любые значения. Например, подключив нуллятор последовательно или параллельно сопротивлению нагрузки, мы можем либо устранить одночастотный шумовой ток, либо напряжение на $Z_{L}$ . Тогда норатор должен быть размещен так, чтобы удовлетворять законам тока и напряжения Кирхгофа (КВЛ и КСЛ). Активный фильтр электромагнитных помех всегда старается поддерживать постоянное значение тока или напряжения на нагрузке, в данном конкретном случае это значение равно нулю. Комбинация нультора и норатора образует нульлор , который представляет собой элемент, который может быть представлен идеальным управляемым источником напряжения/тока . ^[8] ^[9] Последовательные и параллельные комбинации Норатора и Нуллятора дают четыре возможные конфигурации. ^[10] идеальных управляемых источников, которые для случая топологии с обратной связью показаны на рис. 2 и на рис. 3 для топологии с обратной связью.

Четыре реализации, которые могут быть реализованы: ^[11]

Измерение тока – подача тока (источник тока с контролем тока)
Измерение напряжения – подача тока (источник тока, управляемый напряжением)
Измерение тока – подача напряжения (источник напряжения, управляемый по току)
Измерение напряжения – подача напряжения (источник напряжения, управляемый напряжением)

Обратная связь

Чтобы оценить характеристики и эффективность фильтра, вносимые потери в каждом случае можно оценить (IL). IL, выраженный в дБ , представляет собой достижимое затухание шума и определяется как:

$IL=20log_{10}{\frac {|V_{without}|}{|V_{with}|}}$

где $V_{without}$ напряжение нагрузки, измеренное без фильтра и $V_{with}$ – напряжение нагрузки при включенном в систему фильтре. Применяя к цепи KVL, KCL и закон Ома, можно рассчитать эти два напряжения. ^[11] Если $A$ — коэффициент усиления фильтра, т. е. передаточная функция между воспринятым и введенным сигналом, IL в результате будет:


Тип	Коэффициент усиления фильтра (A)	Вносимая потеря (IL)
(а) Я ощущаю – я впрыскиваю	Текущий выигрыш $I_{c}=A*I_{L}$	$1+A*{\frac {Z_{s}}{Z_{s}+Z_{L}}}$
(b) Измерение V – впрыск I	Трансимпедансное усиление $I_{c}=A*V_{L}$	$1+{\frac {A}{Y_{s}+Y_{L}}}$
(c) I-ощущение - V-впрыскивание	Трансадмиттационное усиление $V_{c}=A*I_{L}$	$1+{\frac {A}{Z_{s}+Z_{L}}}$
(d) Измерение V – впрыск V	Усиление напряжения $V_{c}=A*V_{L}$	$1+A*{\frac {Z_{L}}{Z_{L}+Z_{s}}}$

Больший IL подразумевает большее затухание, тогда как IL меньше единицы подразумевает нежелательное усиление шумового сигнала, вызванное активным фильтром. Например, фильтры типа (a) (измерение тока и компенсация) и (d) (измерение и компенсация напряжения), если несоответствие между $Z_{L}$ и $Z_{s}$ достаточно велик, так что один из двух становится незначительным по сравнению с другим, обеспечивают IL независимо от импеданса системы, а это означает, что чем выше коэффициент усиления, тем лучше характеристики. Большое несоответствие между $Z_{L}$ и $Z_{s}$ происходит в большинстве реальных приложений, где импеданс источника шума $Z_{s}$ намного меньше (для испытательной схемы в дифференциальном режиме) или намного больше (для испытательной схемы в синфазном режиме), чем полное сопротивление нагрузки $Z_{L}$ , что в стандартной тестовой установке равно $50\Omega$ LISN- импеданс. ^[12]^[13] В этих двух случаях IL можно аппроксимировать следующим образом:


Тип	Импедансы	Прибл. ТО
(а) Я ощущаю – я впрыскиваю	$Z_{s}$ >> $Z_{L}$	$1+A$
(d) Измерение V – впрыск V	$Z_{s}$ << $Z_{L}$	$1+A$

С другой стороны, в активном фильтре типа (c) (измерение тока и компенсация напряжения) коэффициент усиления активного фильтра должен быть больше, чем общий импеданс данной системы, чтобы получить максимальную IL. Это означает, что фильтр должен обеспечивать высокий последовательный импеданс между источником шума и приемником, чтобы блокировать шумовой ток. Аналогичный вывод можно сделать и для активного фильтра типа (b) (обнаружение напряжения и компенсация тока); эквивалентная проводимость активного фильтра должна быть намного выше, чем общая проводимость системы без фильтра, чтобы активный фильтр перенаправлял шумовой ток и минимизировал шумовое напряжение на порте приемника. Таким образом, активные фильтры пытаются заблокировать и отклонить путь распространения шума, как это делают обычные пассивные LC-фильтры. Тем не менее, активные фильтры, использующие топологии типа (b) или (c), требуют усиления A, большего, чем общий импеданс (или адмиттанс) исходной системы, и, другими словами, их IL всегда зависят от импеданса системы. $Z_{L}$ и $Z_{s}$ , хотя несоответствие между ними велико. ^[10]

Подача вперед

В то время как фильтры обратной связи регистрируют шум на стороне нагрузки и вводят компенсационный сигнал на стороне источника, устройства прямой связи делают противоположное: измерение происходит на стороне источника, а компенсация – на порте нагрузки. По этой причине не может быть реализации типа прямой связи для типов (b) и (c). ^[10] Могут быть реализованы тип (a) (измерение тока и подача) и тип (d) (измерение и подача напряжения), и рассчитанные значения IL будут следующими:


Тип	Коэффициент усиления фильтра (A)	Вносимая потеря (IL)
(а)	Текущий выигрыш $I_{c}=A*I_{L}$	${\frac {1}{1-A}}(1-{\frac {A*Z_{L}}{Z_{L}+Z_{s}}})$
(г)	Усиление напряжения $V_{c}=A*V_{L}$	${\frac {1}{1-A}}(1-{\frac {A*Z_{s}}{Z_{s}+Z_{L}}})$

Учитывая также в этих двух случаях условие максимального снижения шума, т.е. максимального IL, его можно достичь, когда коэффициент усиления фильтра равен единице. Если $A\rightarrow 1^{-}$ , отсюда следует, что $IL\rightarrow \infty$ . Также можно отметить, что если $A\rightarrow 1^{+}$ или, вообще говоря, $A>1$ , вносимые потери становятся отрицательными, и, таким образом, активный фильтр усиливает шум, а не уменьшает его.

Активный против пассивного

Характеристики пассивного фильтра электромагнитных помех зависят от импеданса окружающей электрической системы, тогда как в некоторых конфигурациях этого не происходит при активной фильтрации.
Активные фильтры требуют внешнего источника питания для своих внутренних схем.
Активным фильтрам приходится иметь дело со стабильностью электронных компонентов.
По мере увеличения функционального тока и напряжения системы пассивные компоненты увеличиваются в размерах и цене. Эта проблема не затрагивает активные фильтры, поскольку они обрабатывают только обнаруженный высокочастотный слабый сигнал.

См. также

Ссылки

^ Али, Марван; Лабуре, Эрик; Коста, Франсуа (сентябрь 2013 г.). «Интегрированный гибридный фильтр электромагнитных помех: исследование и реализация активной части». 2013 15-я Европейская конференция по силовой электронике и приложениям (EPE) . стр. 1–8. дои : 10.1109/EPE.2013.6634697 . ISBN 978-1-4799-0116-6 . S2CID 10951074 .
^ Комиссия, IEC – Международная электротехническая. «Добро пожаловать в МЭК – Международную электротехническую комиссию» . www.iec.ch.
^ «Федеральная комиссия по связи» . Федеральная комиссия по связи .
^ «Тестирование излучаемых и кондуктивных излучений — Руководство для начинающих по тестированию ЭМС — EMC FastPass» . ЭМС ФастПасс . 2 июня 2015 г.
^ Такахаси, Исао; Канадзава, Хидетоши (август 1997 г.). «Активный фильтр электромагнитных помех для коммутационных помех высокочастотных преобразователей». Материалы конференции по преобразованию энергии - PCC '97 . Том. 1. С. 331–334. дои : 10.1109/PCCON.1997.645634 . ISBN 0-7803-3823-5 . S2CID 111187865 .
^ «В чем разница между пассивным и активным шумоподавлением?» . Электронный дизайн . 7 ноября 2017 г.
^ Пол, Клейтон Р. (2006). Введение в электромагнитную совместимость (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN 978-0-471-75500-5 .
^ Хашимян, Реза (ноябрь 1977 г.). «Символическое представление сетевых передаточных функций с использованием пар норатор-нуллатор - журналы и журналы IET». Журнал IEE по электронным схемам и системам . 1 (6): 193–197. doi : 10.1049/ij-ecs.1977.0032 .
^ Пун, Северная Каролина (июнь 2000 г.). «Методы подавления входных пульсаций тока: классификация и реализация». 2000 г. 31-я ежегодная конференция специалистов по силовой электронике IEEE. Материалы конференции (кат. № 00CH37018) . Том. 2. С. 940–945. дои : 10.1109/PESC.2000.879940 . HDL : 10397/709 . ISBN 0-7803-5692-6 . S2CID 110474919 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Сын Ё-Чан (март 2006 г.). «Обобщение активных фильтров для снижения электромагнитных помех и компенсации гармоник» . Транзакции IEEE для промышленных приложений . 42 (2): 545–551. дои : 10.1109/TIA.2006.870030 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Амадуччи, Алессандро (август 2017 г.). «Разработка широкополосного активного фильтра для подавления синфазных электромагнитных помех в автомобильных системах». Международный симпозиум IEEE по электромагнитной совместимости и целостности сигналов/питания (EMCSI) , 2017 г. стр. 612–618. дои : 10.1109/ISEMC.2017.8077941 . ISBN 978-1-5386-2229-2 . S2CID 11053622 .
^ Чжан, Дунбин (сентябрь 2000 г.). «Измерение импеданса источника шума автономных преобразователей» (PDF) . Транзакции IEEE по силовой электронике . 15 (5): 820–825. Бибкод : 2000ITPE...15..820Z . дои : 10.1109/63.867670 .
^ Шан, Сяофань (июнь 2017 г.). «Метод извлечения импеданса источника шума для работы ИИП с использованием модифицированного LISN и упрощенной процедуры калибровки». Транзакции IEEE по силовой электронике . 32 (6): 4132–4139. Бибкод : 2017ИТПЭ...32.4132С . дои : 10.1109/TPEL.2016.2631578 . S2CID 2719236 .

[1] Али, Марван; Лабуре, Эрик; Коста, Франсуа (сентябрь 2013 г.). «Интегрированный гибридный фильтр электромагнитных помех: исследование и реализация активной части». 2013 15-я Европейская конференция по силовой электронике и приложениям (EPE) . стр. 1–8. дои : 10.1109/EPE.2013.6634697 . ISBN 978-1-4799-0116-6 . S2CID 10951074 .

[2] Комиссия, IEC – Международная электротехническая. «Добро пожаловать в МЭК – Международную электротехническую комиссию» . www.iec.ch.

[3] «Федеральная комиссия по связи» . Федеральная комиссия по связи .

[4] «Тестирование излучаемых и кондуктивных излучений — Руководство для начинающих по тестированию ЭМС — EMC FastPass» . ЭМС ФастПасс . 2 июня 2015 г.

[5] Такахаси, Исао; Канадзава, Хидетоши (август 1997 г.). «Активный фильтр электромагнитных помех для коммутационных помех высокочастотных преобразователей». Материалы конференции по преобразованию энергии - PCC '97 . Том. 1. С. 331–334. дои : 10.1109/PCCON.1997.645634 . ISBN 0-7803-3823-5 . S2CID 111187865 .

[6] «В чем разница между пассивным и активным шумоподавлением?» . Электронный дизайн . 7 ноября 2017 г.

[7] Пол, Клейтон Р. (2006). Введение в электромагнитную совместимость (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN 978-0-471-75500-5 .

[8] Хашимян, Реза (ноябрь 1977 г.). «Символическое представление сетевых передаточных функций с использованием пар норатор-нуллатор - журналы и журналы IET». Журнал IEE по электронным схемам и системам . 1 (6): 193–197. doi : 10.1049/ij-ecs.1977.0032 .

[9] Пун, Северная Каролина (июнь 2000 г.). «Методы подавления входных пульсаций тока: классификация и реализация». 2000 г. 31-я ежегодная конференция специалистов по силовой электронике IEEE. Материалы конференции (кат. № 00CH37018) . Том. 2. С. 940–945. дои : 10.1109/PESC.2000.879940 . HDL : 10397/709 . ISBN 0-7803-5692-6 . S2CID 110474919 .

[:0-10] Перейти обратно: ^а ^б ^с Сын Ё-Чан (март 2006 г.). «Обобщение активных фильтров для снижения электромагнитных помех и компенсации гармоник» . Транзакции IEEE для промышленных приложений . 42 (2): 545–551. дои : 10.1109/TIA.2006.870030 .

[:1-11] Перейти обратно: ^а ^б Амадуччи, Алессандро (август 2017 г.). «Разработка широкополосного активного фильтра для подавления синфазных электромагнитных помех в автомобильных системах». Международный симпозиум IEEE по электромагнитной совместимости и целостности сигналов/питания (EMCSI) , 2017 г. стр. 612–618. дои : 10.1109/ISEMC.2017.8077941 . ISBN 978-1-5386-2229-2 . S2CID 11053622 .

[12] Чжан, Дунбин (сентябрь 2000 г.). «Измерение импеданса источника шума автономных преобразователей» (PDF) . Транзакции IEEE по силовой электронике . 15 (5): 820–825. Бибкод : 2000ITPE...15..820Z . дои : 10.1109/63.867670 .

[13] Шан, Сяофань (июнь 2017 г.). «Метод извлечения импеданса источника шума для работы ИИП с использованием модифицированного LISN и упрощенной процедуры калибровки». Транзакции IEEE по силовой электронике . 32 (6): 4132–4139. Бибкод : 2017ИТПЭ...32.4132С . дои : 10.1109/TPEL.2016.2631578 . S2CID 2719236 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]