Компактные EMI-фильтры SynQor для гражданских и военных применений

При разработке современных электротехнических изделий особое внимание уделяется вопросам электромагнитной совместимости (ЭМС). Понятие ЭМС объединяет такие известные электромагнитные явления как радиопомехи, влияния на питающую сеть, перенапряжения, колебания напряжения сети, электромагнитные влияния, паразитные связи, фон промышленной частоты синусоидального напряжения, воздействие заземления и т.д. Существует множество определений ЭМС, но наиболее актуальное представлено в ГОСТ Р 50397-92: «способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать электромагнитных помех другим техническим средствам и питающей электросети» [1,3].
В теории электромагнитной совместимости доминирующими являются понятия приемников и передатчиков ЭМП в широком их понимании. К основным видам передатчиков электромагнитной энергии, создающей помехи, относятся телевизионные и радиовещательные устройства, компоненты мобильной и спутниковой связи, глобальные системы позиционирования и источники ЭМП естественного происхождения, а также радиоэлектронные изделия, непреднамеренно излучающие в окружающую среду электромагнитную энергию и, конечно, импульсные преобразователи энергии — источники ЭМП, распространяющихся по цепям электропитания.
Радиоэлектронных изделий становится все больше, что на фоне бурного развития мобильных телекоммуникационных технологий и роста числа импульсных преобразователей энергии может привести к серьезным техническим проблемам в самом недалеком будущем. В связи с этим уже сейчас многие государства ужесточают требования существующих стандартов по ЭМС и регламентируют уровень радиопомех для оборудования различных классов. В свою очередь крупнейшие производители, следуя новым требованиям, расходуют значительные средства на создание новых и модернизацию существующих лабораторий для тестирования своей продукции на соответствие более жестким стандартам по ЭМС, применяя новейшее оборудование таких известных производителей как AR (http://www.ar-worldwide.com/) и TermoFisher Scientific (http://www.thermofisher.com).
Вопрос обеспечения ЭМС не имеет шаблонных решений и рассматривается в каждом конкретном случае на этапе проектирования изделия. При этом основное внимание уделяется ЭМП, возникающим в цепях электропитания, поскольку излучаемые в пространстве помехи могут быть полностью устранены с помощью простых конструктивных решений (экранирование). [2]

В отечественных и зарубежных стандартах в области ЭМС (см. табл.1) регламентированы следующие основные виды ЭМП:
1. Микросекундные импульсные помехи большой энергии (по ГОСТ Р 51317.4.5.), вызываемые перенапряжениями, возникающими в результате коммутационных переходных процессов и молниевых разрядов.
2. Наносекундные импульсные помехи (по ГОСТ Р 51317.4.4.), возникающие в результате коммутационных процессов (прерывания индуктивных нагрузок, размыкание контактов реле и т.д.) и воздействующие на цепи электропитания и сигналы ввода/вывода.
3. Электростатические разряды (по ГОСТ Р 51317.4.2.), возникающие как при прямом воздействии от оператора, так и при непрямом воздействии на расположенные вблизи технические средства, предметы и оборудование.
4. Радиочастотное электромагнитное поле в полосе частот 80…1000 МГц (по ГОСТ Р 51317.4.3.), источниками которого являются портативные приемопередатчики, применяемые эксплуатационным персоналом и службами безопасности, стационарные радио- и телевизионные передатчики, радиопередатчики подвижных объектов, различные промышленные источники излучений. К их числу относят также радиотелефоны и другие радиопередатчики, действующие на частотах 0,8…3 ГГц и использующие методы модуляции с непостоянной огибающей.
5. Кондуктивные помехи, наведенные радиочастотными электромагнитными полями (по ГОСТ Р 51317.4.6.), вызываемые излучениями преимущественно радиопередающих устройств в полосе частот 50 кГц…80 МГц.
6. Кондуктивные помехи в полосе частот 0…150 кГц (по ГОСТ Р 51317.4.16.), представляющие собой общие несимметричные напряжения на входные порты электропитания переменного и постоянного тока, сигнальные порты, порты управления и ввода-вывода.
7. Колебательные затухающие помехи (по ГОСТ Р 51317.4.12.) следующих видов:
а) одиночные колебательные затухающие помехи, возникающие в низковольтных силовых линиях и в линиях управления и сигнализации технических средств, получающих электропитание от низковольтных распределительных электрических сетей и систем электроснабжения промышленных предприятий;
б) повторяющиеся колебательные затухающие помехи, возникающие в основном в силовых линиях и линиях управления и сигнализации на электрических подстанциях высокого (выше 35 кВ) и среднего (6…35 кВ) напряжения. Повторяющиеся колебательные затухающие помехи относят к срабатыванию одного отдельного выключателя.
8. Динамические изменения напряжения электропитания (по ГОСТ Р 51317.4.11.) следующего вида: провалы, прерывания, выбросы, а также постепенные изменения напряжения электропитания.
9. Колебания напряжения электропитания (по ГОСТ Р 51317.4.14.), воздействующие на входные порты электропитания переменного тока.
10. Изменения частоты питающего напряжения (по ГОСТ Р 51317.4.28.) на входных портах электропитания переменного тока.
11. Искажения синусоидальности напряжения электропитания (по ГОСТ Р 50746.) при воздействии гармоник питающего напряжения.
12. Магнитное поле промышленной частоты (по ГОСТ Р 50648).
13. Импульсное магнитное поле (по ГОСТ 30336/ГОСТ Р 50649).
14. Затухающее колебательное магнитное поле (по ГОСТ Р 50652).
15. Токи кратковременных синусоидальных помех частотой 50 Гц в цепях защитного и сигнального заземления (по ГОСТ Р 50746.).
16. Токи микросекундных импульсных помех в цепях защитного и сигнального заземления (по ГОСТ Р 50746.).
При этом в зависимости от условий эксплуатации в ТУ на техсредства могут рассматриваться и другие виды помех, отражающих специфику электромагнитной обстановки. Так, специфика питающей электросети авиационной аппаратуры отражена в ГОСТ 19705-89 [4].

Компания Synqor, основанная в 1997 г. в США, для решения технических задач, связанных с обеспечением ЭМС индустриального радиоэлектронного оборудования, питающегося от сети постоянного тока, предлагает воспользоваться EMI-фильтрами серии InQor, выполненными в виде модулей стандартных габаритов (см. табл. 2) и со стандартным расположением выводных электрических контактов [5].
Группа InQor объединяет четыре модели EMI-фильтров с возможностью установки на панель (версия с фланцами) и на печатную плату (версия без фланцев). Данные модели изготавливаются в условиях полностью автоматизированного производства в соответствии с требованиями RoHS. Стоит отметить, что EMI-фильтры SynQor спроектированы без применения электролитических конденсаторов, что позволило снизить энергетические потери, увеличить ресурс эксплуатации и расширить рабочий температурный диапазон.
EMI-фильтры SynQor обеспечивают защиту радиоэлектронной аппаратуры от скачков напряжения в питающей сети, кондуктивных ЭМП и гарантируют высокое значение напряжения изоляции (не менее 2250 В постоянного тока) между питающей сетью и корпусом.

Кондуктивные ЭМП — это помехи, распространяющиеся в проводящей среде (по проводам, проводящим поверхностям), т.е. передающиеся контактным способом. В зависимости от происхождения и характера распространения кондуктивные помехи принято разделять на симметричные (дифференциальные) и несимметричные (синфазные или общего вида) [1].
Симметричная ЭМП возникает, когда ее напряжение приложено между положительным и отрицательным проводниками. В свою очередь несимметричная помеха действует между проводниками (положительным и отрицательным) и корпусом [2].

EMI-фильтры группы InQor основаны на проверенном временем схемотехническом  решении (см. рис.1), гарантирующем высокие показатели по снижению ЭМП и обеспечивающем надежную работу совместно с DC/DC-пре­об­ра­зователями группы InQor и прочими потребляющими устройствами (см. рис. 2). При этом суммарная нагрузочная способность фильтров составляет 320 Вт (см. табл. 3), что является оптимальным  решением для большинства задач [6].

Рис. 1. Обобщенная структурная схема EMI-фильтра группы InQor

Рис. 2. Типовая схема включения EMI-фильтров группы InQor

Группа изделий MilQor компании SynQor формируется из двух подгрупп: Hi-Rel и Mil-COTS. Изделия подгруппы Mil-COTS предназначены для транспортной, с повышенными требованиями к надежности, и военной техники. Конструктивно EMI-фильтры Mil-COTS  идентичны InQor, но при этом имеют увеличенный ресурс работы, широкий температурный диапазон эксплуатации: –55…100°С (на корпусе) и проходят жесткий выходной контроль. К слову, температура эксплуатации InQor составляет –40…100°С (на корпусе), а выходной контроль производится только при нормальных климатических условиях в минимальном объеме. [5]
По своим функциональным параметрам EMI-фильтры Mil-COTS полностью идентичны InQor, но модель MCOTS-F-28-T-HT имеет ряд отличительных черт, присущих изделиям более высокого класса, например, Hi-Rel. [6]
MCOTS-F-28-T-HT (см. рис. 3) обеспечивает дополнительную защиту от перегрузок, падения входного напряжения, короткого замыкания, переполюсовки, а также поддерживает функции soft-start (мягкий старт или плавный пуск), standby (отключение активных компонентов EMI-фильтра для сокращения энергопотребления при отключенной нагрузке), Enable Load (функция ретрансляции сигнала управления включением/выключением нагрузки).

Рис. 3. Обобщенная структурная схема EMI-фильтра MCOTS-F-28-T-HT

EMI-фильтры подгруппы Hi-Rel в отличие от Mil-COTS и InQor выполнены в более компактных корпусах (см. табл. 2), изготовленных по запатентованной технологии QorSeal (см. рис. 4). Их основу составляет цельнометаллический корпус из алюминия с защитным никелевым покрытием, обеспечивающим защиту от атмосферных воздействий, слабых органических кислот, растворов солей и щелочей (см. рис. 5). Для еще большего защитного эффекта на никелевое покрытие гальванически наносится тонкий слой золота [7].

Рис. 4. Конструктивное исполнение EMI-фильтров Mil-COTS и Hi-Rel

Рис. 5. Корпус, изготовленный по технологии QorSeal

Печатная плата (ПП) EMI-фильтров Hi-Rel не имеет непосредственного контакта с цельнометаллическим корпусом, поскольку ее крепление осуществляется за счет боковых П-образных планок, выполненных из полимерного материала. После размещения ПП в корпусе, сборка фиксируется четырьмя шплинтами. Стоит отметить, что боковые П-образные планки также обеспечивают фиксацию выводных электрических контактов и выполняют функцию боковых стенок.
Технология QorSeal предусматривает процедуру герметизации — заполнения теплопроводным компаундом внутренней полости. Компаунд подается под небольшим давлением через технологическое отверстие в корпусе, обеспечивая герметизацию и отвод тепла от компонентов. После затвердевания вытекший компаунд удаляется, а поверхность EMI-фильтра Hi-Rel полируется с последующим нанесением на нее маркировки. [7]
Особо стоит сказать о самой печатной плате. В EMI-фильтрах Hi-Rel не применяются  электролитические (включая танталовые) конденсаторы, а силовые полупроводниковые компоненты используются исключительно в компактных корпусах. С одной стороны, это позволило добиться устойчивой работы в широком диапазоне температур, а с другой обеспечило снижение габаритов. Однако использование силовых полупроводниковых компонентов в компактных корпусах обозначило проблему локального перегрева, а применение керамических конденсаторов привело к увеличению числа компонентов. Вкупе эти причины подтолкнули к использованию многослойной ПП, которая позволила увеличить плотность монтажа электронных компонентов, а с помощью дополнительных металлизированных слоев — решить проблему локального перегрева за счет перераспределения тепловой энергии. При этом теплопередача к элементам корпуса осуществляется посредством теплопроводного компаунда.
В отличие от EMI-фильтров Hi-Rel, InQor и Mil-COTS имеют упрощенную конструкцию: вместо цельнометаллического корпуса применяется сборный пластиковый, который состоит из трех частей — пластиковой подставки, алюминиевой пластины (с фланцами или без) и пластиковой крышки. При сборке внутри пластиковой крышки размещают ПП с установленными электронными компонентами, затем сверху вкладывают пластиковую подставку, обеспечивающую электрическую изоляцию ПП от металлических частей корпуса, а в завершение закрывают сборку алюминиевой пластиной, имеющей дополнительное технологическое отверстие. Герметизация и фиксация составных частей корпуса производится путем заполнения внутренней полости кремний-органическим теплопроводным клеем через технологическое отверстие. [7]
EMI-фильтры Hi-Rel выпускаются в четырех основных функциональных видах: «-P» (соответствует InQor, см. рис. 1); «-R» (обеспечивает дополнительную защиту от переполюсовки); «-T» и «-T6» (соответствует MCOTS-F-28-T-HT, см. рис. 3). Температурный диапазон эксплуатации во всех модификациях составляет: –55…125°С, который соответствует большинству гибридных EMI-фильтров. В свою очередь технические параметры Hi-Rel отличаются от InQor и Mil-COTS EMI-фильтров (см. табл. 3), поскольку адаптированы для применения в авиационной технике.

При проектировании радиоэлектронной аппаратуры современным разработчикам приходится решать множество технических задач, в числе которых не последнее место отводится обеспечению ЭМС. Современная аппаратура должна быть устойчива к различным ЭМП в соответствии с действующими стандартами. Су­щест­венно упростить задачу снижения кондуктивных ЭМП позволит применение EMI-фильтров питания компании SynQor — для индустриальных приложений и наземного транспорта (группа InQor), для военной техники и транспорта с высокими требованиями по надежности и устойчивости к внешним воздействиям (подгруппа Mil-COTS) и для авиационных приложений (подгруппа Hi-Rel). Все EMI-фильтры можно применять как отдельно, так и с DC/DC-пре­об­разователями компании SynQor (www.synqor.com).