DC-DCコンバーター用のMIL-SPEC COTS EMC入力フィルター
DC-DCコンバータのスイッチング動作は、頻度スペクトルの多くの点で受け入れがたい干渉を引き起こす可能性があります。前段(またはパワーライン)フィルタは、DC-DCコンバータの前に使用され、電磁干渉(EMI)を軽減するために設計されています。これらのカスタマイズ可能なまたは市販の前段フィルタは、供給業者のスイッチング電源(SMPS)またはDC-DCコンバータの設計に合わせて、電磁相互運用性(EMC)監督基準(FCC、ETSI、CISPR、MIL-SPECなど)を満たすことができます。
これらの市販の前段フィルタは、電源変換装置の電磁特性に基づいてカスタム設計されています。ただし、軍用機器の要件を満たすためには、他の電気(例えば、電圧ピーク、リップル)、機械(例えば、振動、衝撃)、および環境(例えば、高高度)の設計制約も考慮する必要があります。本記事では、前段フィルタの設計に関する考慮事項と、軍用機器のDC電源モジュールのテスト要件について説明します。
前段フィルタとは何ですか?
この入力フィルタの設計は、EMC基準と目標に準拠することが非常に重要です。前段または入力フィルタは以下の目的で使用されます。
- 電源の第1段階に入りうるノイズとサージを抑制する
- 基本周波数(すなわちスイッチング周波数)およびその高調波の発射ノイズを低減する
スイッチング電源は、電子機器で使用されるようになり、周波数スペクトルに豊富な内容を持つため、物理的な接触を介して回路の他の部分に伝導し、近くの感度の高い回路に干渉する可能性があります。スイッチング速度が高くなるにつれて、ノイズはより大きな問題となります。特に、高速スイッチングトランジスタが電流の中断を引き起こす場合(電圧ピークと高周波ノイズを引き起こす)、電流の中断は降圧コンバータの入力端、昇圧コンバータの出力端、およびフライバックおよび降昇コンバータの入力および出力端に見出されます。
さまざまな電圧レギュレータのノイズ源
DC/DC降圧コンバータの入力側には、急速なスイッチングデバイスの急速なオンとオフがあり、中断電流の急激な上昇と下降エッジ(高いdi/dt)がキャパシタに生じます。これにより、基本周波数およびいくつかの高調波(通常は低次高調波)が基準に合わなくなります。昇圧コンバータは、CCMで動作する場合、出力端でEMIを経験します。これは、高速に反転する二極管の急速な回復が必要であるためです。これにより、パワーロスは大幅に低減されますが、電流の変化(di/dt)はさらに激しくなり、EMIが増加します。DCMで運転する場合、主要な電流リップルが大きくなります。リップルは変化する信号を作成し、共通の接触部分を介してシステムの他の部分に伝播します。
EMI:放射および導電性の発射
通常、導電性の発射は30 MHz以下の周波数に関連していますが、放射性の発射は通常30 MHz以上の周波数範囲(通常は50〜300 MHz)にあります。ただし、導電性と放射性の発射は重複する場合があります。スイッチング電源では、電圧サージ(高いdV/dt)が通常は放射ノイズの原因です。上記のように、導電性EMIは通常、中断電流(高いdi/dt)から発生し、共通モード(CM)および差動モード(DM)ノイズに分解できます。
差動モードおよび共通モードノイズ
DM電流は通常、di/dtによって支配され、電源線と回路間を流れます。DMノイズは低周波数を支配します。一般に、di/dtの振る舞いを根本的に変更せずに回路を変更することは非常に困難です。間欠的な電流による振動を抑制するために、受動的なローパスEMIフィルタ(例えば、R-Cダンパー、L-C、Piジェクト、Tジェクトなど)を使用して、di/dtによって引き起こされる振動を低減できます。
CM電流は通常、dV/dtの関数であり、各電源線とグランドの間を流れます。CM電流が長い導体またはケーブルに結合されると、ケーブルはアンテナとして機能し、CMノイズは高周波数でより顕著になります。意図しない回路のループ面積は、ケーブルの長さと導体間の距離、および基準グランド平面によって異なります。効果的なレイアウト設計は、CMを大幅に抑制することができます。これには、導体を基準グランド平面により近い位置に移動する、安全性の高いコンデンサを慎重に配置する、接続されたケーブル束をマスキングする、またはCM電流パスにCMインダクターコイルを配置するなどの方法があります。CMインダクターコイルは、CM電流がYキャパシタを介して流れ出し、EMIグランドを形成するための高インピーダンス直列パスを提供します。
DMおよびCMの両方がEMIに貢献するため、一般に、EMIフィルタを設計する前にDMおよびCMノイズ成分を量子化して、業界のEMC基準に合わせる必要があります。入力EMIは通常、待機中の装置(DUT)の入力端およびスペクトルアナライザを使用して、回路インピーダンス安定ネットワーク(LISN)で量子化されます。
前端フィルターの設計に関する考慮事項
通常、受動型EMIフィルターは、ノイズ抑制の最も一般的な方法です。しかし、フィルターが異なる負荷インピーダンスとSMPSの異なるノイズソースに終端される場合、これは困難であることがあります。これらのフィルターは通常、さまざまな並び順の抵抗、キャパシタ、およびインダクタで構成されています。基本的なコンポーネントおよび最初のいくつかの高調波のサイズが最大であり、全体的なノイズに最大の貢献をし、高次の高調波の振幅は周波数が上がるにつれて徐々に小さくなります。フィルターがこれらのノイズ成分を抑制する能力は、周波数が上昇するにつれて増加するため、ノイズを軽減するために、基本周波数と低次の高調波での設計上の課題があります。
通常、大型の受動フィルターは低周波の放射を軽減するために使用されます。ただし、その寄生特性(キャパシタの等価直列抵抗およびインダクタの並列キャパシタなど)のため、高周波放射については追加の設計を必要とする場合があります。その他のEMIフィルタ技術には、アクティブコンポーネントを使用するものがあります。その1つの技術は、スイッチング周波数を拡張またはジッターを使用して変調することで、周波数領域で検出される基本周波数と低次の高調波のピークを減少させるものです。最終的に採用される技術は、SMPSの固有のノイズ特性、設計コスト、サイズ、および規制制限に依存します。
EMIフィルターは、EMC規制基準に適合するだけでなく、負荷からSMPS入力電源に反射する高電流瞬間変化を抑制する能力も含んでいます。各SMPSの予測される瞬間変化特性は異なるため、突発的な波形を充分に抑制するために、通常はカスタムデザインが必要です。これは、MIL-SPEC電源電子機器にとって追加の設計の考慮事項であることは間違いありません。軍用機器には、材料選択、電気、機械、および過酷な環境性能要件を満たすために、製造業者が電源電子機器を基本から詳細に設計する必要があります。
一般的な軍用電源規格
MIL-STD-461は、EMIの正確な測定を指導する導電性および放射性放射制限を電気機器に設定しています。SMPSがこれらの制限を超える場合、それは頻繁に起こります。この場合、EMIフィルターが必要になります。ただし、任意のEMIフィルターを選択しても、電源が規格要件を満たすようになるとは限りません。装置は非常にノイズが多く、入力端子にEMIフィルターを付加しても、部品が失敗する可能性があります。MIL-STD-461の要件とその説明は、表1に記載されています。特定のCE、CS、およびRE要件を満たす電子機器は通常、列挙されます。
EMIは、電子機器の正確性、信頼性、および安全性に関する唯一の考慮事項ではありません。電源は、逆極性、電圧ピーク、および電圧変動を含むさまざまな電圧条件で動作する必要があります。MIL-STD-1275Eは、28V電気電源システムの入力に適用されるテスト条件と、その装置の性能パラメータを提供しています。これらのシステムは、軍用地上車両、民間のオフロード車両、および軍用および民間の重機器で使用されることが期待されています。
その他の軍用規格--たとえば、航空機電力特性に関するMIL-STD 704Fおよび航空機搭載装置に関するDO-160Gなど--は、環境条件とテスト手順を規定し、さまざまな電圧条件を十分にシミュレートするためのものです。MIL-STD-810規格には、機械的な衝撃、振動、および高高度のテスト条件と要件が含まれています。これは、供給品が過酷な環境での長寿命と信頼性を確保するために必要な考慮事項である可能性があります。軍用車両や空中システムで動作する電源は、MIL-STD-1275E/MIL-STD 704F、MIL-STD-461、およびMIL-STD-810のさまざまな側面を満たす必要があるため、使用に適していると認められます。P-Dukeは、選択したDC/DCコンバータに対応するMCF軍規前段フィルタのシリーズを提供し、これらすべての仕様要件を満たすために使用できます。
P-DUKE MCFシリーズ
MCFシリーズは、導電性放射、導電性感受性、および放射性放射要件に準拠して、EMIフィルタリングとトランジェント保護を提供し、多数の軍事規格でのサージ/スパイク要件、およびMIL-STD-810(表2)での高度/衝撃/振動要件に対応します。
このシリーズは、アクティブ入力オーバーボルテージ保護機能を備えており、持続時間最大50msの過電圧を40V以下に制限し、+/-250Vのスパイク電圧を吸収し、内部保護回路が備わっています(図1)。
図2に示すように、このシリーズには、リモートオン/オフ制御、過負荷保護、出力短絡保護、反極性保護、起動電流制限などの他のアクティブ保護機能が含まれています。
図3に示すように、EMI性能が大幅に改善されています。200W HAE200 DC/DCコンバータのEMI性能を、MCFフィルターを適用する前と後にテストしました。これにより、カスタムEMIフィルターや周辺回路のコストと設計作業が大幅に削減されました。MCF前段フィルターは、定格出力が最大250Wであり、幅広い軍用機器に使用できます。
MCFフィルターが軍用システムの統合を簡素化できる理由
EMIフィルターを単に選択して、電源を規格要件に満たすわけにはいきません。これらのフィルターを設計するプロセスは非常に複雑で、非再現エンジニアリング費用(NRE)が高くなることがあります。これは、軍用装置にとって特に重要です。24Vバッテリーまたは28V発電機で駆動される軍用車両や航空機の搭載システムには、多くの要件があり、COTSデバイスやカスタムソリューションでは対応できない場合があります。P-DUKEは、関連するMCF前段フィルターとペアリングされた15Wから250WのDC-DCコンバータを提供し、軍事要件に対応するEMCとサージ抑制を実現できます。