УДК 621.311 АНАЛИЗ ПОМЕХООБРАЗОВАНИЯ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

УДК 621.311
АНАЛИЗ ПОМЕХООБРАЗОВАНИЯ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА
Цырук С.А., Янченко С.А.
Россия, Москва, НИУ «МЭИ»
В статье исследуются симметричные (СМ) кондуктивные электромагнитные помехи
(ЭМП) от бытовой электронной нагрузки, в частности от персональных компьютеров
(ПК). Высокое насыщение бытовых распределительных сетей нагрузками с
импульсными источниками питания (ИИП) вызывает трудности в обеспечении
электромагнитной совместимости (ЭМС) и энергоэффективности. При моделировании
СМ ЭМП от ИИП ПК анализируются высокочастотные (ВЧ) эквивалентные схемы,
получают математическое описание коммутационных ЭМП.
This paper considers the differential-mode (DM) electromagnetic interference (EMI) current
flow, produced by household electronic loads, especially by personal computers (PC). High
abundance of loads, using switch mode power supplies (SMPS), in low voltage distribution
systems arouses problems of electromagnetic compatibility (EMC) and energy efficiency. To
model conductive DM EMI, generated by PC SMPS, equivalent high frequency circuits of
SMPS are analyzed, analytical equations of voltage switching patterns are derived.
В современных ИИП повышение КПД достигается за счет роста частоты работы
силовых активных элементов, что приводит к появлению ЭМП высокого уровня (~100
дБ/мкВ) и широкого спектра (103 – 106 Гц). Проблема обеспечения ЭМС бытовых
электроприемников (ЭП) с ИИП, в частности ПК, заключается в снижении
восприимчивости самого прибора к внешним ЭМП за счет установки ВЧ-фильтров, а
также в сведении к минимуму внутренних помех, генерируемых в нормальных
режимах работы схемы [1]. Уровни кондуктивных ЭМП нормируются ГОСТ 30428-96
[2].
ИИП ПК являются источниками интенсивных ЭМП, влияя на работу прочих
бытовых ЭП, подключенных к общей питающей сети. Кондуктивные помехи
проникают в первичную сеть через паразитные индуктивные и емкостные связи
разделительного трансформатора, дросселей и конденсаторов фильтров, общий
заземляющий контур, а также соединительные провода, и могут приводить к таким
негативным последствиям как:
1. Сбои и ошибки в работе телекоммуникационного оборудования и
радиоаппаратуры.
2. Старение и износ входных фильтров ЭП, вызванные низкочастотными
компонентами в спектре ЭМП.
3. Резонансные явления и автоколебания в цепях ЭП от ЭМП, наводимых в
питающих кабелях оборудования.
В данной статье рассматриваются СМ ЭМП, генерируемые при обычных
коммутациях силовых элементов ИИП и представляющие собой скачки и импульсы
напряжения, которые иногда сопровождаются резонансными колебаниями в
паразитных LC-контурах. На рисунке 1 представлена эквивалентная ВЧ-схема ИИП
ПК, состоящая из силовой части (СЧИП) на основе полумостового инвертора,
мостового выпрямителя с емкостным фильтром (МВЕФ), подключенных к сети через
эквивалент сети (ЭС). При составлении данной схемы были приняты следующие
допущения:
1. Биполярные транзисторы S1, S2 и диоды Шоттки D1, D2 во включенном
состоянии замещаются участками с нулевым сопротивлением; в выключенном
состоянии транзисторы замещаются емкостями перехода СС, диоды - обрывом.
2. Сопротивления обмоток и паразитные емкости первичной и вторичных
обмоток трансформатора не учитываются. Коэффициент трансформации много больше
единицы, паразитные емкости вторичных обмоток малы по сравнению с емкостью СS
первичной обмотки и ими можно пренебречь.
3. Для ВЧ пульсаций паразитные параметры емкостных фильтров и выходного
сглаживающего дросселя, а именно паразитные индуктивности lCf, lC и емкость CL,
представляют гораздо меньшее сопротивление, чем их основные параметры емкости Cf,
С и индуктивность L соответственно.
СЧИП
ЭС
МВЕФ
LN
LC
Ug
2RЭС
СЭ1/2
СЭ2/2
LN
lCf
Cf
US1(t)
2Сd lCf
Cf
CL
СС
R0
lS1
uD1(t) lS2
uC
S2
2
СС
L
lC
СS
R
C
Lm
D2 lS3
U0
Рисунок 1 – ВЧ эквивалентная схема ИИП ПК
Для получения математических выражений, описывающих переходные
напряжения на транзисторах и диодах после выключения и включения транзистора
(рисунок 2), СЧИП анализируется отдельно, после чего транзисторы и диоды
замещаются источниками напряжения помехи и рассчитывается напряжение на
измерительном резисторе RЭС ЭС. При нормальной работе схемы перенапряжения на
транзисторах S1, S2 и диодах D1, D2 возникают в двух случаях: при выключении и
включении транзисторов [3].
В первый момент после выключения транзистора на интервале (DT, DT+Δt) его
паразитная емкость СС перехода начинает заряжаться до величины Ug/2 (этап 1,
рисунок 2). При этом напряжение на первичной обмотке трансформатора становится
равным нулю, тем самым к диоду D1 прикладывается нулевое напряжение и он
открывается, меняя структуру схемы и начиная этап 2 переходного процесса.
Включение диода создает новый контур для протекания тока, вызывая
перераспределение энергии между паразитными индуктивностями вторичных обмоток
на интервале (DT+Δt, Т/2); образуется резонансный контур (этап 2, рисунок 2),
состоящий из индуктивностей рассеяния трансформатора и паразитной емкости
дросселя.
Ug C
 I ce
t, t  (DT, DT  t ), t 
,

C
2
I

ce

u S1 ( t )  
U
R
1
 g  I ce e 1t sin  t , t  (DT  t, T / 2),  
, 1 
.
1
1
2
2
 2
C
2l S1  n l S2
(
2
l

n
l
)
C
S
1
S
2


Ug
2I
u D1 ( t )  
 2 ce t, t  (T / 2  DT , T / 2  DT  t ).
n
n C
В общем случае переходной процесс состоит в линейном росте напряжения на
первичной обмотке трансформатора и, соответственно, обратного напряжения на
диоде, вызывая его отключение; а также в резонансных колебаниях от контура,
образованном паразитными индуктивностями вторичной обмотки и емкости дросселя.
Однако скорость роста напряжения на первичной обмотке достаточна велика, чтобы
считать этот рост мгновенным и рассматривать только резонансные колебания на
интервале (Т/2, Т/2 + DT).
U g 2lS1nI ce  2 t
R
1
u D1 ( t )  

e
sin 2 t, t  (T / 2, T / 2  DT ),  2  d , 2 
.
np
CLl
2l 
lCL
uS1
Ug
Ug/2
Этап 2
Этап 1
t
0
uVD1
0
DT
T/2
T/2+DT
Δt
Выключение D2 Выключение S1
Выключение D1
S1,D1 – вкл.;S2,
S2 – выкл.
S2, D2 – вкл.
D2 – выкл.
D2 – вкл.
S1, D1 – выкл.
-Ug/n
T
Включение S2
S1 – выкл.
D1 – вкл.
t
Δt
Рисунок 2 – Кривые напряжения помех на транзисторе и диоде
Пользуясь теоремой задержки, получают общие выражения для напряжений на
транзисторе и диоде в частотной области:
U g pT / 2 
U (p) 1  e  pT / 2  I ce 1 pDT
I ce / C 
U S1 (p)  C1 pT 
e
(1  e pt ) 
e p ( DTt ) 
e
,
 pT 
2
2
2
2p
1 e
1 e
(p  1 )  1
 C p

U ( p)
U D1 (p)  VD1pT 
1 e

2I 1
2
1  U g pT / 2 2lS1nI ce


e

e p ( T / 2)  2 ce 2 e p ( T / 2DT) (1  e pt ).
pT 
2
2
C L l  ( p   2 )  2
1  e  np
n C p

Используя данные выражения, с помощью метода контурных токов можно
рассчитать напряжение помехи на измерительном сопротивлении RЭС ЭС (рисунок 1).
Сравнение результатов теоретического и компьютерного моделирования с нормами
ГОСТ будет рассмотрено в одной из следующих работ.
Литература
1. Мкртчян Ж.А. Основы построения устройств электропитания ЭВМ. - М.: Радио и
связь, 1990.
2. ГОСТ 30428-96 Совместимость технических средств электромагнитная.
Радиопомехи индустриальные от аппаратуры радиосвязи. Нормы и методы испытаний.
3. Harada K., Ninomiya T. (1977) Noise generation of a switching regulator. IEEE
Transactions on aerospace and electronic systems, vol. AES-14, NO.1, January 1978.
Цырук Сергей Александрович, к.т.н., доцент, НИУ «МЭИ», зав. кафедрой ЭПП,
111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14. каф. ЭПП, e-mail: [email protected],
тел.: 362 73 86.
Янченко Сергей Александрович, аспирант, НИУ «МЭИ», инженер каф. ЭПП, 111250,
Москва, Красноказарменная ул., д.14. каф. ЭПП, e-mail: [email protected], тел.:
362 73 86.