Ochrona układów przed zakłóceniami elektromagnetycznymi

Rys. 1. Przykładowa charakterystyka współczynnika EMIRR w funkcji napięcia wejściowego

Podstawowym środkiem ochrony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi są filtry EMI. Układy takie stosuje się celem wytłumienia zakłóceń przewodzonych obecnych zarówno na liniach zasilania, jak i sygnałowych. Tłumieniu mogą podlegać zakłócenia pochodzące z otoczenia oraz te wytwarzane przez samo urządzenie.

Filtry EMI charakteryzują się wysoką wartością reaktancji, czyli zespolonej części impedancji. Dzięki temu działają jak filtry dolnoprzepustowe, czyli silnie tłumią sygnały o częstotliwościach wyższych od granicznej. Układy te wykonuje się zazwyczaj jako elementy dyskretne, choć coraz częściej producenci decydują się na ich integrację w układzie scalonym.

Przykładowo, firma Microchip Technology ma w ofercie grupę produktów (m.in. wzmacniacze operacyjne z rodziny MCP642x) z wbudowanymi na liniach wejściowych filtrami. Tego typu układy cechują się podwyższonym poziomem ochrony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi pochodzącymi ze źródeł zewnętrznych, takich jak linie wysokiego napięcia, stacje radiowe czy telefonia komórkowa.

Rodzaj sprzężenia

Rys. 2. Układ do pomiaru natężenia prądu baterii w konfiguracji high-side (rezystor pomiarowy w płaszczyźnie zasilania).

Głównym kryterium klasyfikacji zakłóceń EMI jest rodzaj sprzężenia występującego pomiędzy źródłem zakłóceń a układem zakłócanym. Sprzężenie rezystancyjne ma miejsce, gdy oba obwody mają wspólną płaszczyznę masy. Prąd wpływający do uziomu rozpływa się we wszystkich kierunkach proporcjonalnie do impedancji gruntu, jego część może zaś przepływać przez punkty uziemienia do innych obwodów, zakłócając w ten sposób ich pracę.

W przypadku sygnałów o wysokiej częstotliwości wspólna płaszczyzna masy może powodować również sprzężenie indukcyjne - jeśli między dwoma obwodami występuje pętla uziemienia, mogą pojawić się zakłócenia wywołane zmiennym zewnętrznym polem magnetycznym. By im zapobiec, należy nie dopuszczać do powstawania takich pętli, zaś jeśli nie jest to możliwe, starać się zminimalizować ich powierzchnię, ponieważ indukowany prąd jest proporcjonalny do powierzchni pętli.

Gdy dwa wzajemnie elektrycznie izolowane obwody rozdzielone są cienką warstwą dielektryka, pojawić się może sprzężenie pojemnościowe, czyli przepływ prądu przez pasożytniczą pojemność istniejącą między tymi obwodami. Tego typu sprzężenie może być źródłem przede wszystkim zakłóceń wewnętrznych, wytwarzanych przez urządzenie. Wartość natężenia przepływającego między obwodami prądu pasożytniczego wzrasta wraz z częstotliwością sygnału.

Tłumienie sygnału współbieżnego

Rys. 3. Wzmacniacz operacyjny z dołączonym na wejściu zewnętrznym filtrem EMI

Typową reakcją wzmacniacza operacyjnego na wystąpienie zakłóceń EMI jest zmiana wartości napięcia stałego na jego wyjściu, co powoduje również chwilową zmianę wejściowego napięcia niezrównoważenia. Może to spowodować przesunięcie punktu pracy wzmacniacza oraz niepożądaną zmianę jego parametrów.

Jeśli na obu liniach wejściowych wzmacniacza generują się zakłócenia EMI o zbliżonym poziomie (jest to dość częste, ponieważ linie te położone są blisko siebie), wzmacniacz jest tym bardziej odporny na ich wpływ, im wyższą wartością współczynnika tłumienia sygnału współbieżnego (CMRR) się charakteryzuje.

Innym parametrem określającym odporność układu na zakłócenia elektromagnetyczne jest współczynnik EMIRR (Electromagnetic Interference Rejection Ratio), który opisuje zdolność tłumienia zaburzeń wejściowych w układzie (przykładowy wykres tego parametru dla jednej częstotliwości przedstawiono na rys. 1). Im większa wartość tego parametru, tym lepsza kompatybilność EMC urządzenia, czyli zdolność do pracy w trudniejszym środowisku elektromagnetycznym.

Układy pomiaru natężenia prądu

Rys. 4. Wzmacniacz operacyjny w konfiguracji nieodwracającej z dołączonym na wejściu zewnętrznym filtrem EMI

Wzmacniacze operacyjne o dużym zakresie zmian napięcia wejściowego świetnie nadają się do konstruowania układów do pomiaru natężenia prądu, zarówno w konfiguracji high-side, jak i low-side, szczególnie jeśli mają wyjście rail-to-rail, co pozwala na detekcję prądów o niskim natężeniu. Na rysunku 2 przedstawiono tego typu układ mierzący prąd zasilania pobierany z baterii w konfiguracji high-side, w której rezystor pomiarowy umieszczony jest w płaszczyźnie linii zasilającej.

Niska wartość rezystancji elementu pomiarowego (10 Ω) ogranicza straty mocy w układzie. Pobierany z baterii prąd przepływając przez rezystor, powoduje odkładanie się na nim napięcia o wartości poniżej VDD, zatem w dozwolonym dla wzmacniacza operacyjnego przedziale. Tego typu układ jest bardzo wrażliwy na zakłócenia EMI, które mogą, poprzez zmianę wartości napięcia wyjściowego, spowodować uzyskanie błędnego wyniku pomiaru.

Klasycznym sposobem ograniczenia wpływu zakłóceń elektromagnetycznych na pracę wzmacniacza jest umieszczenie w pobliżu jego wejścia filtru dolnoprzepustowego. Na rysunku 3 kondensator filtrujący (o pojemności C) umieszczony został pomiędzy dwoma identycznymi rezystancjami w układzie wzmacniacza odwracającego.

Warto zauważyć, że pojemność C nie może zostać połączona bezpośrednio z odwracającym wejściem wzmacniacza, ponieważ mogłoby to destabilizować jego pracę. Za to w przypadku wzmacniacza w konfiguracji nieodwracającej przedstawionego na rysunku 4 pojemność C może zostać połączona bezpośrednio z wejściem nieodwracającym, trzeba też zastosować rezystor o dwukrotnie mniejszej wartości rezystancji, by uzyskać taką samą częstotliwość graniczną, jak w przypadku konfiguracji odwracającej.

Rys. 5. Pierścień ochronny (guard ring) pełniący rolę ekranowania dla jednej ze ścieżek

W obu przypadkach konieczne jest zastosowanie kondensatorów o niskiej wartości indukcyjności oraz rezystancji strat. W konstrukcji filtra rezystor może zostać zastąpiony przez koralik ferrytowy, wiąże się z tym jednak kilka problemów - jego impedancja jest nieliniowa i dla niskich częstotliwości nie przekracza zazwyczaj 100 Ω. Niska wartość impedancji wymusza zaś użycie kondensatora o większej pojemności, co może być niekiedy kłopotliwe.

Ochronie podlegać musi również wyjście wzmacniacza, szczególnie jeśli steruje linią o znaczne długości, która może zachowywać się jak antena zbierająca sygnały zakłóceń z otoczenia. Odbierane zakłócenia poprzez sprzężenie zwrotne mogą trafiać ponownie na wejście wzmacniacza, gdzie wywołają niepożądane przesunięcie napięcia wyjściowego. Należy pamiętać, że zakłócenia trafiające różnymi sposobami na wejście wzmacniacza są przez ten element wzmacniane, co znacznie zwiększa ich negatywny wpływ na pracę obwodu.

Prowadzenie ścieżek na płytce drukowanej

Rys. 6. Pierścień ochronny może zapewniać ekranowanie nie tylko pojedynczej ścieżki, ale i całego obwodu

Nieodpowiednio poprowadzone ścieżki mogą znacząco zwiększyć poziom przenikających do obwodu zakłóceń elektromagnetycznych. Oprócz wspomnianych już pętli masy, niebezpieczne jest również umieszczanie zbyt blisko siebie równolegle biegnących ścieżek sygnałowych (asymetrycznych).

Jedną z metod eliminacji tego problemu może być wykorzystywanie linii symetrycznych (różnicowych). Dzięki temu zakłócenia generowane w położonych obok siebie liniach są na wyjściu różnicowym odrzucane jako sygnał wspólny, nie przenosząc się na sygnał wyjściowy. Linia różnicowa jest zatem znacznie bardziej odporna na oddziaływanie zakłóceń niż pojedyncza ścieżka asymetryczna.

Kolejnym skutecznym sposobem ochrony ścieżek przed przenikaniem zakłóceń elektromagnetycznych jest ekranowanie, wykonane np. jako pierścień ochronny z przewodnika otaczający ścieżkę, tak jak pokazano na rysunku 5. Pierścień ochronny powinien być połączony z płaszczyzną umożliwiającą odprowadzenie generowanego ładunku np. z obudową urządzenia. Między dwoma równoległymi ścieżkami umieścić można również ścieżkę ekranującą, podłączoną do potencjału masy lub zasilania, eliminującą wzajemne przenikanie zakłóceń

Podsumowanie

Wszystkie urządzenie elektroniczne pracują obecnie w środowisku silnie nasyconym zewnętrzną emisją elektromagnetyczną, muszą zatem być dobrze zabezpieczone przed szkodliwym działaniem zakłóceń EMI. Na ich oddziaływanie szczególnie narażone są układy analogowe, takie jak wzmacniacze. Przy konstruowaniu obwodów wzmacniających wskazane jest zatem stosowanie dodatkowych środków ochronnych, takich jak filtry EMI.

Duże znaczenie ma także właściwy projekt ścieżki drukowanej, szczególnie zaś odpowiednie poprowadzenie i ekranowanie linii sygnałowych oraz rozmieszczenie płaszczyzny masy. Wyższy poziom kompatybilności elektromagnetycznej urządzenia osiągnąć można również poprzez odpowiedni dobór układów - na rynku znaleźć można takie, które cechują się zwiększonym poziomem zabezpieczeń przed zakłóceniami EMI.

Damian Tomaszewski