تحلیل مکانیزم جفت شدگی خازنی نویز مد مشترک در ترانسفورماتورهای ایزولاسیون منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) و استراتژی های کاهش EMI در فرکانس های بالا

تحلیل مکانیزم جفت شدگی خازنی نویز مد مشترک در ترانسفورماتورهای ایزولاسیون منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) و استراتژی های کاهش EMI در فرکانس های بالا

تصور کنید دیواری بتنی و مستحکم ساخته اید تا جلوی نفوذ آب را بگیرید، اما آب از میان منافذ میکروسکوپی که حتی با چشم دیده نمی شوند، به سمت دیگر نفوذ می کند. در منابع تغذیه سوئیچینگ، ترانسفورماتور ایزولاسیون دقیقا نقش این دیوار را ایفا می کند تا مانع از انتقال ولتاژهای خطرناک ورودی به خروجی شود. با این حال، یک دشمن نامرئی به نام «ظرفیت خازنی پارازیتی» بین سیم پیچ ها وجود دارد که مانند آن منافذ عمل می کند.
مسئله اصلی اینجاست: در فرکانس های سوئیچینگ بالا (صدها کیلوهرتز تا مگاهرتز)، تغییرات سریع ولتاژ (dv/dt) در گره سوئیچینگ اولیه، جریانی را از طریق این خازن های ناخواسته به سمت ثانویه و سپس به زمین (Earth) تزریق می کند. این جریان که به عنوان نویز مد مشترک (Common-Mode Noise) شناخته می شود، نه تنها باعث تداخل شدید در عملکرد مدارات حساس الکترونیکی می شود، بلکه عبور از استانداردهای سخت گیرانه سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) را برای محصول نهایی غیرممکن می سازد. اهمیت علمی مسئله در این است که هرچه تلاش کنیم سرعت سوئیچینگ را برای افزایش بازدهی بالا ببریم، شدت این نویز به صورت غیرخطی افزایش می یابد.

برای کالبدشکافی این پدیده، مفروضات و مدل های زیر مبنا قرار می گیرند:
مدل خازنی: سیم پیچ های اولیه و ثانویه به عنوان دو صفحه موازی با ساختار توزیع شده در نظر گرفته می شوند که توسط عایق (بوبین و نوار ایزوله) از هم جدا شده اند.
منبع نویز: گره درین ترانزیستور سوئیچینگ به عنوان یک مولفه ضربانی با دامنه ولتاژ بالا و لبه های بسیار تیز مدل می شود.
امپدانس مسیر: فرض بر این است که نویز از طریق خازن بین سیم پیچی (Cₚₛ)به ثانویه جفت شده و از طریق امپدانس بدنه و زمین به منبع باز می گردد.
محدوده فرکانسی: تمرکز بر بازه ۱۵۰ کیلوهرتز تا ۳۰ مگاهرتز (محدوده آزمون های هدایتی EMI) است.


جریان نویز مد مشترک I₍cₘ₎ که از سد ایزولاسیون عبور می کند، تابع مستقیمی از ظرفیت خازنی بین سیم پیچ اولیه و ثانویه و نرخ تغییرات ولتاژ است. این رابطه را می توان به سادگی به صورت زیر بیان کرد:
I₍cₘ₎ = Cₚₛ × ((dv) / (dt))
در یک تحلیل مرحله به مرحله، علت شدت یافتن این نویز در طراحی های نوین به شرح زیر است:
۱. تاثیر متریال سوئیچ: با ظهور نیمه هادی های نسل جدید (مانند GaN)، سرعت سوئیچینگ افزایش یافته است. این یعنی مقدار در مخرج کسر کوچک تر شده و حتی با ثابت ماندن ولتاژ، مقدار جریان نویز به شدت جهش می کند.
۲. توزیع پتانسیل: تمام نقاط سیم پیچ اولیه پتانسیل یکسانی ندارند. لایه ای که به گره سوئیچینگ متصل است، بیشترین نوسان ولتاژ را دارد، در حالی که لایه های داخلی تر که به خازن صافی ورودی متصل اند، پتانسیل نسبتا ثابتی دارند. بنابراین، موقعیت فیزیکی سیم پیچ ها نسبت به یکدیگر، تعیین کننده مقدار موثر است.
۳. تزریق جریان به زمین: این جریان پس از عبور از ترانسفورماتور، راه خود را از طریق شاسی فلزی یا خازن های ایزولاسیون خروجی به زمین پیدا می کند. از آنجایی که شبکه برق ورودی دارای امپدانس مشخصی (LISN در تست های آزمایشگاهی) است، این جریان نویز به افت ولتاژی تبدیل می شود که توسط دستگاه های اندازه گیری EMI به عنوان تخطی از استاندارد ثبت می گردد.

بررسی علی نشان می دهد که در فرکانس های بسیار بالا، سلف های نشتی ترانسفورماتور با این خازن های پارازیتی تشکیل مدارهای رزونانسی می دهند که می تواند باعث تقویت نویز در فرکانس های خاص و ایجاد پیک های شدید در طیف فرکانسی شود.

برای سد کردن این مسیر نویز، چندین استراتژی مهندسی وجود دارد که هر کدام مزایا و محدودیت های خاص خود را دارند:

شیلد فارادی (Faraday Shield): قرار دادن یک لایه فویل مسی نازک بین سیم پیچ اولیه و ثانویه که به یک پتانسیل ثابت (مانند زمین اولیه) متصل است.
نقاط قوت: جریان نویز به جای عبور به ثانویه، توسط شیلد جذب و به منبع بازگردانده می شود.
محدودیت: باعث افزایش سلف نشتی (Leakage Inductance) و کاهش بازدهی به دلیل تلفات جریان ادی در فویل می شود.


سیم پیچی متوازن (Cancellation Winding): اضافه کردن یک سیم پیچ کمکی که ولتاژی دقیقا مخالف ولتاژ اولیه تولید می کند تا جریان نویز تزریقی را خنثی کند.
نقاط قوت: بدون افزایش چشمگیر تلفات، نویز را در مبدا حذف می کند.
محدودیت: پیچیدگی در طراحی ترانسفورماتور و حساسیت بالا به دقت قرارگیری سیم پیچ ها.


استفاده از خازن های Y: اتصال یک خازن با گرید ایمنی بین زمین اولیه و ثانویه.
نقاط قوت: مسیری کم امپدانس برای بازگشت نویز به منبع فراهم می کند.
محدودیت: به دلیل ملاحظات ایمنی (جریان نشتی مجاز برای بدن انسان)، مقدار این خازن محدود است و نمی تواند تمام نویز را حذف کند.

تحلیل های فوق اثبات می کند که در منابع تغذیه پرقدرت و پرسرعت، ترانسفورماتور تنها یک انتقال دهنده انرژی نیست، بلکه یک المان الکترومغناطیسی پیچیده است که رفتار خازنی آن می تواند کل سیستم را با چالش مواجه کند. کلید موفقیت در طراحی، «مدیریت هندسی سیم پیچی» است. کاهش ظرفیت خازنی بین سیم پیچی از طریق افزایش فاصله عایقی یا استفاده از تکنیک های شیلدینگ هوشمند، بسیار موثرتر و ارزان تر از اضافه کردن فیلترهای حجیم و سنگین EMI در ورودی مدار است. یک طراحی بهینه باید توازنی دقیق بین سلف نشتی (برای بازدهی) و ظرفیت خازنی پارازیتی (برای سازگاری الکترومغناطیسی) ایجاد کند.

با توجه به استفاده روزافزون از ترانسفورماتورهای پلانار (Planar Transformers) که در آن ها سیم پیچ ها به صورت ترک های PCB هستند، ظرفیت خازنی بین لایه ای به دلیل سطح تماس زیاد، به شدت افزایش می یابد. چگونه می توان با استفاده از الگوریتم های بهینه سازی هندسی و تغییر چیدمان لایه ها (Interleaving)، به یک نقطه «صفر شدن جریان نویز» دست یافت بدون اینکه استقامت عایقی (Dielectric Strength) فدا شود؟ آیا استفاده از مواد دی الکتریک با ضریب نفوذ پذیری متغیر در طول بوبین می تواند راهکاری برای توزیع غیریکنواخت میدان الکتریکی و کاهش جفت شدگی نویز باشد؟