Jump to content

    

ЭМС схемы питания +24В

Привет всем!

 

Помогите, пожалуйста, со следующей проблемой.

Мне сложно разобраться самому из-за отсутствия опыта, да и кое-каких знаний, пожалуй...

 

Есть схема, в которой требуется получить питание +/-15В, 3.3В и 5В из +24В.

Для этого используются DC/DC конверторы от Traco TEN40-2423WI, TEN152410 и TEN8-2411WI соответственно.

 

При разработке первоначальной схемы питания ЭМС была плохо учтена, и, как следствие, устройство, во-первых, обладает помехоизлучением по проводам питания +24В, которое превышает допустимые пределы, а, во-вторых, сильно восприимчиво к наносекундным и микросекундным помехам - сбоит и даже выходит из строя.

 

Эта "неправильная" схема питания имеет вид:

post-38176-1235405439_thumb.jpg

 

Был проведен тест на излучение помех от схемы по питанию +24В. Была получена картина, которая, как впоследствии выяснилось, оказалась очень близка с картиной излучения Traco из Applcation Note на него:

post-38176-1235405920_thumb.jpg

С той лишь разницей, что в нашем случае допустимые границы превышены. Отсюда был сделан вывод, что проблемы исходят именно от Traco и схему его обвязки надо изменить.

 

Сам Applcation Note вот: http://www.tracopower.com/products/ten40wi_application.pdf

 

В нем предложена схема, которая улучшает картину излучения помех:

post-38176-1235406337_thumb.jpg

С1=С3=4,7мкФ, С5=С6=1000пФ, L1=470мкГн, С2 и С4 не нужны.

 

Излучение самого трако схема снижает, но мне все равно кое-что непонятно:

 

1. Помогает ли эта схема только от помех, которые излучает Traco, или она может также помочь и с помехоустойчивостью самого трако, например при появлении на его входе наносекундных помех с амплитудой в 2кВ?

 

2. Нужно ли непременно использовать магнитосвязанные катушки (common mode choke) или можно обойтись отдельными катушками в + и - линиях?

 

3. Хватит ли емкости С3=4,7мкФ на входе трако? Не приведет ли это к увеличенным помехам на входе из-за импульсных токов?

 

4. В Applcation Note не очень ясно написано, как именно подключать С5 и С6: на схеме они между соответствующими входами и выходами, а на предложенной разводке С5 - между IN+ и +15, а С6 - между IN- и COM. Как правильнее?

 

5. Может быть, можно предпринять еще какие-то меры для улучшения ЭМС в этом случае?

 

Спасибо всем большое заранее!

Share this post


Link to post
Share on other sites

Входной фильтр на последней схеме является симметричным и двунаправленным, а значит снижает уровень помех как от входа к преобразователю, так и обратно. Дроссель, безусловно, должен быть двухобмоточным, что позволяет эффективно подавлять синфазные помехи. Такие П-образные фильтры выпускаются как отдельный узел серийно многими производителями, в качественных изделиях применяют 4-х выводные конденсаторы с низким ESR и низкой собственной индуктивностью. C2 и C4 могут быть полезны при борьбе с помехами именно в самом высокочастотном диапазоне спектра, типовая емкость 100 - 300pF. В этом же диапазоне частот для защиты DC/DC по входу последнего от наносекундных помех, которые "лезут" через входной фильтр по паразитной межвитковой емкости дросселя, эффективно применение супрессора. Или, даже, при большой мощности коротких импульсов применяют газовые разрядники.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Излучение самого трако схема снижает, но мне все равно кое-что непонятно:

1. Помогает ли эта схема только от помех, которые излучает Traco, или она может также помочь и с помехоустойчивостью самого трако, например при появлении на его входе наносекундных помех с амплитудой в 2кВ?

Приведенная схема должна хорошо давить дифференциальные помехи, а для common mode помех она будет работать неэффективно.

А наносекунды являются как раз common mode помехами. Для common-mode помех эффективно будет работать фильтр с Y-конденсаторами, подключенными в точку заземления. Иначе при данной схеме НИП в том виде, в котором они есть через паразитные емкости пролетят на выход источника питания. Сам источник, скорее всего от этого сбоить не будет, но помехи пройдут во вторичные цепи электопитания, и вызовут сбои в них.

 

2. Нужно ли непременно использовать магнитосвязанные катушки (common mode choke) или можно обойтись отдельными катушками в + и - линиях?

Да, обязательно связанные.

 

 

В этом же диапазоне частот для защиты DC/DC по входу последнего от наносекундных помех, которые "лезут" через входной фильтр по паразитной межвитковой емкости дросселя, эффективно применение супрессора. Или, даже, при большой мощности коротких импульсов применяют газовые разрядники.

Неверное понимание. Наносекунды - это помехи common вида. То есть НИП помеха применительно к обсуждаемой схеме будет существовать в обоих проводах и приблизительно одинаковой амплитуды. Существовать она будет относительно земли (контура заземления). Поэтому применение супрессоров между двумя проводами не имеет ни малейшего смысла, они там бесполезны. Помеху нужно сливать в ту цепь, относительно которой она существует, то есть на контур заземления. Газовые же разрядники применяются только для микросекундных помех, для НИП они бесполезны.

 

сильно восприимчиво к наносекундным и микросекундным помехам - сбоит и даже выходит из строя.

После применения этой схемы проблемы с НИП и МИП останутся.

Возможно, с НИП ситуация может немного измениться. А с МИП - может ухудшиться, поскольку при подаче МИП на вход фильтра в нем будут возникать резонансные явления, в результате чего на выходе фильтра могут возникать напряжения, превышающие амплитуду МИП на входе.

 

 

Да, вы бы по МИП и НИП еще озвучили, какие воздействия подаются на устройство, с какими амплитудами, по каким схемам.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Спасибо большое за ответы!

 

Немного подробнее.

 

Само устройство выполняет измерения переменных/постоянных токов (порядка 500А посредством датчика) и напряжений: переменного трехфазного - напрямую до 500В амплитуды, постоянного - до 750В через датчик.

Датчики тока и напряжения питаются как раз от +/-15В нашего устройства (напряжене, полученное после описанного ранее трако).

Кроме того это напряжение +/-15В используют ОУ и АЦП измерительной цепи.

 

Питание +5 и +3,3В используется для ПЛИС, которая управляет всем этим делом, и АЦП тоже.

 

Это вкратце о схеме.

 

Помехи воздействовали следующим образом.

 

НИП были приложены относительно земли (массы) поочереди сначала по "плюсу" входа +24В, затем по "минусу" входа +24В.

Амплитуда НИП была +/-2кВ. Сбоила ПЛИС - рестарт.

 

МИП прикладывались сначала по тем же точкам что и НИП ("+" и "-" +24В), также относительно массы.

А еще и по измерительному входу для прямого измерения трехфазного напряжения сети: поочереди L1, L2, L3, N относительно массы.

Испытывалось всё с амплитудой 0,5кВ; 1кВ; 1,5кВ и 2кВ.

Устройство выдерживало помехи до 1кВ, но при 1,5кВ и 2кВ начанало сбоить - отказала ПЛИС - рестарт с неправильным восстановлением функций. Потом еще выяснилось, что после МИП испортились схемы измерений и частично пострадала сама ПЛИС.

 

Вот так вот.

 

А еще хотел бы спросить:

 

1. Если поставить Y-конденсаторы на массу сразу после связанных катушек на схеме для +24В входа, устранит ли это влияние НИП? Если да, то как опредеоиться с конкретной емкостью этих конденсаторов?

 

2. Как спастись от МИП? Можно ли применить варисторы или стабилитроны на нужное напряжение?

 

3. Еще есть большой непонятный вопрос по поводу подключения общей массы к корпусу и схеме.

Во-первых.

Как я уже упоминал, на плате есть входы для подключения сигналов с внешних датчиков - датчиков тока и напряжения:

 

датчик тока:

es1000c.pdf

датчик напряжения:

VS750B.pdf

 

Сигналы с датчиков подключаются экранированной витой парой из 3х жил: +15В, -15В и измерительный сигнал. Экран заземляется с обоих концов провода. Все это дело находится в очень помехонеблагоприятной среде, где рядом текут высокие переменные токи до 500А с основной частотой 50Гц, но есть и более высокочастотные составляющие.

Проблема была в том, что измерения от датчиков были сильно зашумлены, пока не соединили аналоговую землю платы с общей массой.

Но теперь не очень понятно с разработкой фильтров от помех. Ведь теперь есть фактически два подключения к массе - одно у корпуса, второе на аналоговой земле.

Куда сажать Y-конденсаторы от НИП в этом случае?

Нужно ли теперь еще соединять корпус с аналоговой землей?

 

Простите, если я не очень понятно пишу или задаю глупые вопросы. Просто очень хочется (да и очень надо) во всем разобраться. Если какой-то инфы еще не хватает - пишите, я отвечу поподробней.

Share this post


Link to post
Share on other sites

А не могли бы вы нарисовать структурную схему всего устройства? В той схеме, что вы привели, нет цепи защитного заземления (или массы, как вы ее назвали). Хотелось бы видеть, где все же она появляется, поскольку в словесном описании вы про нее говорите. И какие цепи устройства подключаются к защитному заземлению (экраны кабелей, еще что-то?). Также нужно бы посмотреть, как устройство выполнено конструктивно, что за корпус, как подходят кабели.

 

 

Да, и +24В откуда берутся, что это за источник? Какая протяженность линии?

Share this post


Link to post
Share on other sites
А не могли бы вы нарисовать структурную схему всего устройства?

post-38176-1235731932_thumb.jpg

 

Измерительные кабели около 2м.

 

В той схеме, что вы привели, нет цепи защитного заземления (или массы, как вы ее назвали). Хотелось бы видеть, где все же она появляется, поскольку в словесном описании вы про нее говорите.

 

Дело в том что защитное заземление подключается только к аналоговой земле устройства отдельным проводом.

Корпус заземляется также отдельным проводом. Т.е. в самом устройстве корпус и аналоговая земля не соединены.

 

Я могу привести схемы измерений токов и напряжений.

 

Измерение тока с помощью датчика:

post-38176-1235732597_thumb.jpg

 

Измерение напряжения с помощью датчика:

post-38176-1235732618_thumb.jpg

 

Измерение сетевого напряжения:

post-38176-1235732608_thumb.jpg

 

Да, и +24В откуда берутся, что это за источник? Какая протяженность линии?

 

Источник - импульсный AC/DC покупной источник питания на 24В.

Питание от него подключается к устройству кабелем до 2м.

 

Теперь поможете советом по подавлению помех?

Share this post


Link to post
Share on other sites
Измерительные кабели около 2м.

Если экраны кабелей заземлены на обоих концах, то это может ухудшить ситуация с помехами (есть возможность протекания токов по экрану).

Share this post


Link to post
Share on other sites

Давайте попробуем разобраться, но не со всем сразу, а с каждой проблемой по отдельности.

Начнем вот с этой:

 

Источник - импульсный AC/DC покупной источник питания на 24В.

Питание от него подключается к устройству кабелем до 2м.

 

Вопрос в следующем. Если вы питаете свое устройство от AC/DC и длина линии питания составляет 2м, то в этом случае вам по идее не должны подавать в цепь питания +24В как наносекунды, так и микросекунды. Эти помехи должны подаваться на вход AC/DC источника питания, то есть со стороны 220В. Какое обоснование дается тому (со стороны испытательной лаборатории), что помехи должны подаваться именно в цепь +24В?

 

 

Да, еще уточните, по каким ГОСТ классифицируют ваше оборудование? В этих ГОСТ должны быть определены степени жесткости испытаний.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Какое обоснование дается тому (со стороны испытательной лаборатории), что помехи должны подаваться именно в цепь +24В?

 

Обоснование следующее.

Наше устройство может делить +24В питание с другими устройствами. Это могут быть рэле, другие импульсные преобразователи (например DC/DC +24В в +15В), другие электронные устройства и т.д.

Все эти штуки могу генерить помехи для нашего устройства по его входу +24В. Поэтому нам было велено его тоже испытывать на все.

 

Да, еще уточните, по каким ГОСТ классифицируют ваше оборудование? В этих ГОСТ должны быть определены степени жесткости испытаний.

 

Проблема в том, что устройство должно соответствовать европейским стандартам:

НИП: EN61000-4-4

МИП: EN61000-4-5

эмиссия: EN55011

 

Область применеия устройство - индустриальная с напряжениями до 1000В.

Жесткость испытаний была выбрана до 2кВ.

Edited by hbot

Share this post


Link to post
Share on other sites

Немного переставлю порядок ответов на предыдующий пост.

 

Проблема в том, что устройство должно соответствовать европейским стандартам:

НИП: EN61000-4-4

МИП: EN61000-4-5

эмиссия: EN55011

В общем, надо начать с того, что в области ЭМС стандартны делятся на:

1. Базовые.

2. На продукцию.

3. На семейство.

4. Общие.

 

Базовые стандарты определяют требования к испытательному оборудованию и методы испытаний.

В этих стандартах устанавливаются возможные степени жесткости испытаний при испытаниях на помехоустойчивость, но конкретных требований к продукции не устанавливается.

Например, стандарты ГОСТ Р 51317.4.4-99, ГОСТ Р 51317.4.5-99 (или их европейские аналоги EN61000-4-4, EN61000-4-5) являются как раз базовыми стандартами.

 

Далее, в стандартах на продукцию, семейство, или общих уже указываются конкретный перечень помех, степени жесткости испытаний для продукции или семейства продукции.

Также в этих стандартах могут оговариваться какие-то дополнительные условия, которые влияют на выбор схемы испытаний, жесткости, а также критерии качества функционирования при испытаниях на каждый вид помех.

Например:

ГОСТ Р 51318.22-99 Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные от оборудования информационных технологий. Нормы и методы испытаний

как раз и определяет все эти требования для оборудования информационных технологий.

 

Так вот перечень помех и степени жествкости испытаний для:

Область применеия устройство - индустриальная с напряжениями до 1000В.

Жесткость испытаний была выбрана до 2кВ.

должны быть выбрана не с потолока, а именно по стандарту на продукцию или семейство.

Вот и вопрос - по каком стандарту вы это делаете?

 

Обоснование следующее.

Наше устройство может делить +24В питание с другими устройствами. Это могут быть рэле, другие импульсные преобразователи (например DC/DC +24В в +15В), другие электронные устройства и т.д.

Все эти штуки могу генерить помехи для нашего устройства по его входу +24В. Поэтому нам было велено его тоже испытывать на все.

 

Здесь нужно задаться вопросом: использование общего с другим оборудованием источника +24В, это требование, или это такой жест доброй воли?

Если это требование, то это одна ситуация. Но с точки зрения защиты от помех, эффективнее использовать собственный AC/DC.

Проектировать некоторый ограниченный набор устройств (объединенных в систему) и подключенных к одному источнику питания AC/DC, и подавать помехи на вход AC/DC, проще чем проектировать эти устройства устойчивыми к помехам во вторичной цепи источника (в вашем случае +24В).

 

Схемы испытаний для МИП по цепям питания включают в себя как подачу помех общего вида (относительно защитного заземления), так и дифференциальных (провод-провод).

В вашем описании вы озвучили только подачу помех общего вида по цепям питания, хотя формально вам должны были засунуть на вход источника помеху провод-провод (что значительно хуже, энергия этой помехи выше). Почему ее исключили - было бы интересно выслушать обоснования испытательной лаборатории (мне для общего развития).

Для защиты от МИП общего вида (common mode) цепь нужно рассматривать с точки зрения прочности изоляции цепи, в которую подается МИП. Фронт у МИП достаточно медленный для того, чтобы помеха пролезла за счет паразитных емкостных связей, однако если емкости на пути МИП установлены специально, их нужно также рассматривать.

Для анализа нужно рассмотреть возможные цепи протекания тока от МИП на цепь защитного заземления, в том числе рассматривать возможность пробоя цепи напряжением МИП.

Например, если у вас прочность изоляции DC/DC 1кВ, и у вас вторичная цепь источника связана с защитным заземлением, то при подаче МИП 2кВ у вас пробьет изоляцию DC/DC.

А если у вас у DC/DC прочность изоляции 3кВ, то не пробьет, и в принципе уже можно сказать, что ваша схема защищена от МИП.

К сожалению, те схемы, что бы привели - подробны не в тех местах, что интересны для анализа устойчивости. Например, не показан источник питания, и каким образом его цепи связаны с защитным заземлением.

Для того чтобы ограницить амплитуду МИП, их нужно слить на цепь, относительно которой они существуют, то есть на цепь защитного заземления. Для этого в вашем случае для цепей питания можно использовать варисторы, включенные между каждой из цепей 24В и цепью защитного заземления.

Варисторы выбираются таким образом, чтобы рассеивать мощности ваших помех. Достаточно хорошие appnotes на сей счет есть у Epcos:

http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sec...,locale=en.html

 

Также для ваших измерительных цепей нужно проанализировать, по какому пути будет протекать ток МИП, что за элементы у него на пути встречаются, и могут ли они быть повреждены этим током. При необходимости также нужно рассчитать схему защиты.

 

Если говорить о НИП, то это помехи всегда common-mode. Поэтому и сливать их нужно на цепь защитного заземления. Обычно НИП не выводят устройства из строя, энергия у них малая. Но зато за счет своего крутого фронта они лезут в схему через любые паразитные емкостные связи, вызывая различного вида сбои.

Для защиты от НИП со стороны питания можно применять фильтры, которые применяют также для подавления эмиссии кондуктивных помех. Например, appnotes на фильтры можно также посмотреть у Epcos:

http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sec...,locale=en.html

То есть применение этих фильтров помогает как в снижении уровня помехоэмиссии, так и увеличивает устойчивость к EFT (НИП) помехам. Только нужно, чтобы этот фильтр не просто в схеме стоял, но и был конструктивно расположен верно и верно подключен.

Второе направление защиты от НИП - это схемотехнические решения и разводка ПП. По этому поводу можно почитать статью Алексея Кузнецова (есть, например, на сахаре). Во всяком случае оцените своё устройство по критериям, которые там приводятся.

 

PS: Если что не ясно, задавайте уточняющие вопросы.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Andy Mozzhevilov, спасибо большое за подробный и содержательный ответ!

 

Так вот перечень помех и степени жествкости испытаний для:

должны быть выбрана не с потолока, а именно по стандарту на продукцию или семейство.

Вот и вопрос - по каком стандарту вы это делаете?

 

Я понял Вас, о чем речь идет.

Действительно, стандарт у нас был выбран для продукции: EN 61326 Электрооборудование для измерения, управления и лабораторного использования. Требования к электромагнитной совместимости.

Испытания по таблице 2 из этого ГОСТа. Цифры - как я ранее писал.

Я теперь больше понял... Спасибо!

 

Здесь нужно задаться вопросом: использование общего с другим оборудованием источника +24В, это требование, или это такой жест доброй воли?

 

это - требование в нашем случае.

 

Схемы испытаний для МИП по цепям питания включают в себя как подачу помех общего вида (относительно защитного заземления), так и дифференциальных (провод-провод).

В вашем описании вы озвучили только подачу помех общего вида по цепям питания, хотя формально вам должны были засунуть на вход источника помеху провод-провод (что значительно хуже, энергия этой помехи выше). Почему ее исключили - было бы интересно выслушать обоснования испытательной лаборатории (мне для общего развития).

 

Её не исключали. Это я просто не написал о ней. Сначала стали делать МИП относительно земли - устройство не выдержало, как я писал уже выше, и делать "провод-провод" не стали.

 

PS: Если что не ясно, задавайте уточняющие вопросы.

 

Я буду осмысливать то, что Вы мне написали. Уточняющие вопросы будут, возможно, позже.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Привет!

 

Снова возникла пара вопросов. Разрешите обратиться...

 

Насколько я понимаю, наносекундные помехи всегда прикладываются относительно точки защитного заземления и какого-нибудь провода, например, минуса или плюса 24-вольтового питающего входа в моем случае. Т.е. НП всегда - общего вида.

 

Микросекундные же помехи прикладываются как земля-провод (общий вид), так и провод-провод (дифференциальный вид).

 

Но если теперь использовать для питания схемы источник на 24В, минус которого подключен всегда к защитному заземлению, то получается, что все помехи и НП, и МП становятся одного типа?

Тогда получается можно значительно упростить входной фильтр, применив всего один дроссель в линии +24В и конденсатор после дросселя на землю?

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this