وقد أصبحت إمدادات الطاقة البديلة لبنة بناء متبادلة في كل جهاز إلكتروني حديث تقريباً، مُنحت من أجل كفاءتها العالية وحجمها المُتعاظم والوزن الخفيف، غير أن استخدامها في تغيير المبادئ العملية بين الدول التي تعاني من تردد الكهرومغناطيسي شديد، مما يؤدي إلى زيادة الضغط الكهربائي الذي يمكن أن يلحق الضرر بالتوافق الكهرومغناطيسي.

فهم إمدادات الطاقة البديلة

)٤( تحويل إمدادات الطاقة )المسماة أيضا بإمدادات الطاقة المبدلة أو أجهزة التحكم الآلي( الى طاقة كهربائية من مستوى فولتاج الى مستوى آخر باستخدام عنصر التحويل العالي الترددي - وهو من الناحية الشكلية محرك كهربائي أو إيغا بي تي.

(أ) تشمل الطبقات المشتركة البط (الخطوة إلى أسفل)، والزخم (الخطوة)، والزباب، والمحول الأمامي، والنصف/الملغم من تصميمات الجسور، ولكل من الطبقات تغيرات في الموجات، والخصائص الممزقة، والتوقيعات الضوضاء (على الرغم من اختلافاتها، فإن جميع النظم الخاصة بأجهزة التحكم الذاتي في الانبعاثات (الإنبعاثات) تولد عوامل تحول سريع التغير.

تحدي القدرة على المنافسة

EMC consists of two complementary aspects: emission] (the noise a tool generates) and ]immunity) (the tool's ability to operate correctly when exposed to external interference). Switching power supplies are notorious for generating high levels of conducted and radile

فبخلاف الامتثال التنظيمي، يمكن أن يسبب سوء الإدارة البيئية مشاكل تشغيلية في العالم الحقيقي، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تقترن هذه الحركات من إمدادات الطاقة بآثار إشارة قريبة على لوحة دائرة مطبوعة، أو تفسد نقل البيانات أو تسبب ازدحاماً خاطئاً في المنطق الرقمي، وفي البيئات الآلية والطبية، يمكن أن تترتب على هذا التدخل آثار في السلامة، وعلى العكس من ذلك، قد يكون سوء تصميم نظم الإدارة المستدامة عرضة للاختراق في الميادين الخارجية، مما يؤدي إلى عدم استقرار الناتج.

مصادر شركة EMI في إمدادات الطاقة البديلة

وتشمل المصادر الرئيسية لمؤسسة EMI في نظام إدارة المشاريع ما يلي:

  • Switching transients:] The abrupt turn-on and turn-off of the power shift generate voltage spikes and ringing due to parasitic inductances and capacitances in the circuit.
  • Diode reverse recovery:] When the output rectifier dio shiftes from conducting to blocking, its reverse recovery current laden a sharp current pulse laden with high-frequency harmonics.
  • High dv/dt and di/dt:] Fast voltage edges (high ]dv/dt) رسوم وتصريف المواهب الطفيلية، مما يخلق تيارات التشريد التي تتدفق عبر الطائرات الأرضية والبالوعة الحرارية.
  • في التلوجيات المعزولة، يخزن المحولات الطاقة التي تطلق كرن عندما يطفئ الزر، ويسهم في الضوضاء المُشعة والمُشعة.
  • Parasitic coupling:] Capacitive and inductive coupling between the primary and secondary sides of an isolated converter, or between the power stage and sensitive analog or digital circuits, can propagate noise.

آثار سوء الإدارة

ويمكن رفض منح شهادات التصديق التنظيمي للأجهزة التي لا تختبرها هذه، وإجبار المصنعين على الاستثمار في عمليات التصاميم والاختبار الإضافية، وفي الميدان، يمكن أن تؤدي الانبعاثات المفرطة إلى تعطيل الاتصالات اللاسلكية، أو أجهزة استقبال النظام العالمي لتحديد المواقع، أو شبكة الإنترنت، أو وصلات بلوتون، وفي بعض الحالات، يمكن أن يؤدي التدخل إلى نقل هذه الأجهزة الرئيسية إلى استخدام معدات أخرى على نفس الدائرة الكهربائية.

المعايير التنظيمية والامتثال

ولضمان مستوى اللعب والتقليل إلى أدنى حد من التدخل الضار، وضعت الحكومات والهيئات الدولية حدودا للانبعاثات ومتطلبات الحصانة، وتتمثل المعايير الأكثر اعتماداً فيما يتعلق بالالكترونيات التجارية فيما يلي:

  • CISPR 32] and ]CISPR 22 [الاستعيض عنه الآن بـ FRT 32 لمعدات الوسائط المتعددة): هذه تحدد الحدود للانبعاثات التي تُجرى على مدى التردد 150 كيلوهرتز إلى 30 ميغاهرتز والانبعاثات المشعّة من 30 ميغاهرتز إلى 1 جيهرتز (وتان حتى 6 غيغاهرتز).
  • FCC Part 15] for equipment sold in the United States: It classifies digital devices into Class A (industrial/commercial) and Class B (residential) with correspondingly stricter limits for Class B.
  • EN 55032] (المعادلة الأوروبية لرابطة الدول المستقلة 32) و]EN 55035]] للحصانة.
  • IEC 61000-4-x] series for basic EMC immunity tests such as electrostatic discharge (IEC 61000-4-2), radiated RF (IEC 61000-4-3), and electrical fast transients (IEC 61000-4).

ويجب أن يكون المصممون على علم أيضاً بمعايير صناعية محددة، مثل المعيار 25 من معايير كومنولث الدول المستقلة فيما يتعلق بالأجهزة الإلكترونية الآلية والوثيقة DO-160 بالنسبة للمحيطات، ويجرى اختبار الامتثال عادة في المختبرات المعتمدة باستخدام مجموعات اختبار محددة بدقة، بما في ذلك شبكات تثبيت المسافات، بالنسبة للانبعاثات التي تجرى ومواقع اختبار المناطق المفتوحة أو غرف تشخيص الانبعاثات المشععة.

Mitigation Techniques for EMC Compliance

ويتطلب تخفيض الانبعاثات الناشئة عن تحويل إمدادات الطاقة نهجا متعدد الجوانب يعالج الضجيج في مصدره، ويعرقل مسارات انتشاره، ويشعر النظام بالتدخل، وتورد الفروع التالية تفاصيل أكثر التقنيات فعالية.

المدخلات والمخرجات

(أ) إن مرشحات (الجبهة) هي خط الدفاع الأول، وجهاز تصفية (EMI) نموذجي يتكون من خنقات ذات حركة مشتركة وتفاوتية، مقترنة بـ (X) و(ي) للمرشحين، ويعرض الخنق على ضوضاء عالية التردد، ويسمح في الوقت نفسه بتجاوز الترددات الأساسية للتغذية.

عند تصميم المرشّحات، يجب أن يحسب المهندسون سبب عدم وجود المصدر و الحمولة لتعظيم فقدان الإدخال، الخرز المُتَعَدّة، الخنقات المُتَعَمّدة، مرشحات المُتعدّدِية للسيّارات، خيارات مشتركة، التردد المُقَطِّم للرشّة يجب أن يكون أقل بكثير من التردد المُبديل وكمّس لتوفير القدر الكافي من التكّة.

الشحن والشحن

(أ) تحتوي على مادة EMI المشعّة داخل الضميمة أو تمنع الحقول الخارجية من الانقلاب في الدائرة الابتدائية، وينبغي أن تكون الضواحي الدرعية الدروعية حداً أدنى من المواسير وأن تكون مواد مُسرِعة مثل الفولاذ أو الألمنيوم.

(ب) إن التقريب ] مهم بنفس القدر، كما أن طائرة أرضية منخفضة القوادة على PCB تساعد على التحكم في تيارات العودة وتقليل القفزة الأرضية إلى أدنى حد، وكثيراً ما تستخدم تقنيات تطهير النجوم لفصل أرض الطاقة الضئيلة من أرض الإشارات الحساسة، مع ربطها بنقطة واحدة، ويجب تجنب الحلقات الأرضية، خاصة عندما تكون أجهزة التحكم في المركبات الفضائية متصلة بالمعدات الخارجية باستخدام الكابلات المتعددة.

أفضل الممارسات في مجال خماسي كلور البنزين

وللترتيب المادي للعناصر على ثنائي الفينيل متعدد الكلور تأثير عميق على نظام إدارة الطاقة الكهربائية، وتشمل المبادئ التوجيهية الرئيسية ما يلي:

  • التقليل إلى أدنى حد من مجال الحلقات الحالية العالية التردد (مثلاً، الحلقة التي شكلها مفتاح تبديل الطاقة، والموصل، ومسجل النواتج في محول للبوم).
  • وضع أجهزة التفكيك في أقرب وقت ممكن إلى أجهزة التحويل للتزويد بالطلب الحالي الفوري.
  • ابقوا أثراً حساساً من المُسطرة أو الرقمي بعيداً عن مرحلة الطاقة وإستعمال آثار أرضية أو حلقات حراسة لعزلهم
  • استخدم طائرة أرضية صلبة على طبقة داخلية لحماية طبقة القاع من الضوضاء الطبقية
  • (مثلاً، تصريف مياه الأشعة المغنطية) مع حد أدنى من مساحة النحاس للحد من الإشعاع الشبيه بالهائي.
  • وضع مدخلات ومرشحات ناتجة قرب حافة اللوحة وضمان أن تكون عناصر التصفية مثبتة جيدا.

ويمكن أن تساعد أدوات المحاكاة، مثل المذيبات الميدانية الكهرومغناطيسية التي تستخدم ثلاثية الأبعاد أو المحاكاة التي تستخدمها شبكة EMI على مستوى الدوائر، في التنبؤ بالانبعاثات قبل وضع البطاقات وخفضها بتكلفة.

التقنيات المتقدمة

وإلى جانب التصفيف والتصميم الأساسيين، يمكن لعدة تقنيات متقدمة أن تزيد من تحسين التصنيف البيئي الشامل:

  • () تعديل ترددات الطيف المسبق: By deliberately added a small variation (e.g., 5%) to the shifting frequency, the energy is spread over a wider bandwidth, reducing top emissions at any single harmonic. This technique is especially effective for meeting FCC limits without add bulk.
  • Soft shifting:] Techniques such as zero-voltage shifting (ZVS) and zero-current shifting (ZCS) reduce dv/dt and di/dt
  • Snubber circuits:] Resistor-capacitor (RC) or resistor-capacitor-diode (RCD) snubben high-frequency ringing across all exchangees and diodes. However, they dissipate power and reduce efficiency, so they should be used judiciously.
  • Gate drive optimization:] slowing the gate drive rise/fall time reduces ]dv/dt and associated ringing, but at the cost of increased shifting losses. A careful trade-off is required.

كما أن اختيار العناصر يهم: اختيار أجهزة الاسترجاع السريع أو أجهزة الاسترجاع الشوتكي ذات رسوم منخفضة على الاسترداد، باستخدام أجهزة الترددات المتوسطة الحجم التي تعمل بمقاومة البوابة المتكاملة، واختيار أجهزة الاستطلاع ذات السلسلة المنخفضة المكافئة والمقاومة، كلها تسهم في التحول الأنظف.

اختبار الامتثال من جانب لجنة التنسيق البيئية

والتأكد من أن التصميم يفي بحدود التصنيف البيئي الشامل هو خطوة أساسية في عملية تطوير المنتجات، ويمكن أن يلحق اختبارات ما قبل الامتثال، التي كثيرا ما تجرى داخلها مع محلل طيف ومختبرات قريبة من الحقول، مشاكل رئيسية في وقت مبكر، غير أنه يجب أن يقوم مختبر معتمد بإصدار الشهادات النهائية باستخدام معدات موحدة.

وتشمل الاختبارات النموذجية ما يلي:

  • Conducted emissions:] Using a LISN and a receiver, the noise on the AC mains is measured from 150 kHz to 30 MHz. Limits vary by class and standard.
  • Radiated emissions:] The tool under test is placed on a turntable in anechoic chamber, and antenna measures emissions from 30 MHz up to 6 GHz in some cases.
  • Immunity tests:] The tool is subjected to various disturbances (radiated RF, ESD, EFT, fl) while its performance is monitored for any degradation.

وكثيرا ما يتطلب الاختبار الناجح تغريدات متكررة إلى الدائرة أو التصميم، ويمكن أن تحدد البيانات المستمدة من المختبر الترددات الدقيقة وآليات التقارب، وأن تسترشد بها في الحالات التي يلزم فيها تصفية أو حماية إضافية، وأن يكون هناك فهم شامل لمصادر الضوضاء وقدرة على وضع نماذج لها، يمكن أن يقلل بشكل كبير من عدد حالات التكرار.

الاتجاهات المستقبلية في مجال الإمداد بالطاقة

ونظراً لأن التحولات في الترددات لا تزال تزداد إلى تقلص أحجام المكونات السلبية، تصبح إدارة الانبعاثات الناشئة أكثر صعوبة، إذ أن النواقل شبه المتحركة الواسعة النطاق مثل نيتريد الغاليوم (GaN) وكاربيد السيليكون (SiC) تتيح سرعة التحول (الحد الثاني من التعبئة ()(دv/dt()

وبالإضافة إلى ذلك، فإن ارتفاع شبكة الإنترنت في الأمور (IoT) ونقل الطاقة اللاسلكية يضيف قيودا جديدة على مستوى EMC، ويجب أن تتعايش المنتجات مع معايير متعددة لاسلكية (Bluetooth, Wi-Fi, 5G) في البيئات المكتظة، كما أن الهيئات التنظيمية تستكمل الحدود: تمتد الآن قاعدة بيانات الكومنولث المستقلة 32 من أجل قياس الانبعاثات المشع حتى إلى 6 جيهرتز بالنسبة لبعض المعدات، وقد تتطلب التحديثات الصناعية الناشئة قدرا أكبر من الآخذة في المستقبل.

خاتمة

إن استبدال إمدادات الطاقة لا غنى عنه في الأجهزة الالكترونية الحديثة، وتحقيق الكفاءة والترابط اللذين لا يمكن أن يضاهيهما المنظمون الخطيون، غير أن عمليات التحويل ذات التردد العالي التي يقوم بها هؤلاء الأشخاص تؤدي في حد ذاتها إلى تدخل الكهرومغناطيسي يمكن أن يعطل تشغيل الأجهزة وينتهك الحدود القصوى للانبعاثات التنظيمية، ومن خلال فهم مصادر الانبعاثات الاختيارية من التحول إلى مواقع ثابتة واستعادة القدرة على التقلب إلى محركات الانقلاب الطفيلي، يمكن أن تطبق مزيجا من تقنيات التصفية.