EMC-optimalisatie van snelle borstelloze motoren

1. Oorzaken van EMC en beschermingsmaatregelen

Bij snelle borstelloze motoren vormen EMC-problemen vaak de kern van het hele project en de grootste uitdaging. Het optimaliseren van de EMC-waarden kost bovendien veel tijd. Daarom is het essentieel om eerst de oorzaken van de overschrijding van de norm door EMC-waarden en de bijbehorende optimalisatiemethoden correct te identificeren.

EMC-optimalisatie begint hoofdzakelijk vanuit drie richtingen:

• Verbeter de bron van de storing.

Bij de aansturing van snelle borstelloze motoren is de belangrijkste bron van interferentie het aansturingscircuit, dat bestaat uit schakelcomponenten zoals MOS- en IGBT-transistoren. Zonder de prestaties van de snelle motor te beïnvloeden, kan de elektromagnetische interferentie (EMC) effectief worden verminderd door de draaggolffrequentie van de microcontroller te verlagen, de schakelsnelheid van de schakelbuis te verlagen en een schakelbuis met de juiste parameters te selecteren.

• Het verkorten van het koppelingspad van de interferentiebron

Het optimaliseren van de routing en lay-out van de printplaat kan de EMC effectief verbeteren, en koppeling tussen de lijnen kan leiden tot meer interferentie. Vooral bij hoogfrequente signaallijnen is het belangrijk om te voorkomen dat de sporen lussen of antennes vormen. Indien nodig kan de afschermingslaag worden versterkt om de koppeling te verminderen.

• Middelen om interferentie te blokkeren

De meest gebruikte methode voor EMC-verbetering is het gebruik van verschillende soorten inductoren en condensatoren, waarbij de juiste parameters worden geselecteerd voor verschillende soorten interferentie. Een Y-condensator en een common-mode inductor zijn bedoeld voor common-mode interferentie, terwijl een X-condensator bedoeld is voor differentiële interferentie. De magnetische ring met inductoren is onderverdeeld in een hoogfrequente en een laagfrequente magnetische ring, en indien nodig moeten beide soorten inductoren tegelijkertijd worden toegevoegd.

2. EMC-optimalisatiecase

Bij de EMC-optimalisatie van een borstelloze motor met 100.000 toeren per minuut van ons bedrijf, zijn hier enkele belangrijke punten die hopelijk voor iedereen nuttig zullen zijn.

Om de motor een hoge snelheid van honderdduizend omwentelingen te laten bereiken, is de initiële draaggolffrequentie ingesteld op 40 kHz, wat twee keer zo hoog is als bij andere motoren. In dit geval bleken andere optimalisatiemethoden niet in staat de EMC effectief te verbeteren. De frequentie werd verlaagd naar 30 kHz en het aantal schakelcycli van de MOS-transistor werd met een derde verminderd voordat er een significante verbetering optrad. Tegelijkertijd werd vastgesteld dat de Trr (reverse recovery time) van de omgekeerde diode van de MOS-transistor van invloed is op de EMC, en er werd een MOS-transistor met een snellere reverse recovery time geselecteerd. De testgegevens zijn weergegeven in de onderstaande figuur. De marge tussen 500 kHz en 1 MHz is met ongeveer 3 dB toegenomen en de piek in de golfvorm is afgevlakt.

Door de speciale lay-out van de printplaat (PCBA) zijn er twee hoogspanningsleidingen die gebundeld moeten worden met andere signaalleidingen. Nadat de hoogspanningsleiding is vervangen door een getwist paar, is de onderlinge interferentie tussen de draden aanzienlijk kleiner. De testgegevens zijn weergegeven in de onderstaande afbeelding, en de marge bij 24 MHz is met ongeveer 3 dB toegenomen.

In dit geval worden twee common-mode inductoren gebruikt, waarvan één een laagfrequente magnetische ring is met een inductantie van ongeveer 50 mH, die de EMC in het frequentiebereik van 500 kHz tot 2 MHz aanzienlijk verbetert. De andere is een hoogfrequente magnetische ring met een inductantie van ongeveer 60 µH, die de EMC in het frequentiebereik van 30 MHz tot 50 MHz aanzienlijk verbetert.

De testgegevens van de laagfrequente magnetische ring worden weergegeven in de onderstaande afbeelding, en de algehele marge is met 2 dB toegenomen in het bereik van 300 kHz tot 30 MHz:

De testgegevens van de hoogfrequente magnetische ring worden weergegeven in de onderstaande afbeelding, en de marge is met meer dan 10 dB toegenomen:

Ik hoop dat iedereen van gedachten kan wisselen en kan brainstormen over EMC-optimalisatie, en de beste oplossing kan vinden voor continue testen.