Input EMI filter design according to electromagnetic compatibility standards for automotive electronics

Abstract

Aktif devre elemanlarının zaman içersinde gelişmesiyle birlikte transistör temelli eletkronik sistemlerin kullanımı hızla artmıştır. Aktif ve pasif devre elemanları içeren kontrol, haberleşme ve güç temelli sistemler, çevremizde yer alan teknolojik ekipmanların temelini oluşturmaktadır. Farklı görevleri olan komponentler bir araya gelerek sistem seviyesinde çalışan ürünler olarak son tüketiciye sunulmaktadır. Tüketici elektroniğinin 20. yüzyılın ortalarından itibaren hızlı bir şekilde ilerlemesi beraberinde yeni sorunlar doğurmuştur. Komponent seviyesinden sistem seviyesine kadar göz önünde bulundurulduğunda, geçmişten daha da karmaşık hale gelen bu sistemler zamanla daha düşük çalışma gerilimlerine sahip ve daha yüksek çalışma frekanslarına sahip komponentlerden oluşmaktadır. Her bir sistem içersinde yer alan tüm donanımların sağlıklı bir şekilde çalışabilmesi için çevresinde yer alan başka sistemlerin oluşturmuş olduğu manyetik gürültülerden etkilenmemesi, çevresinde çalışan herhangi başka bir sistemi etkilememesi ve kendi içersinde yer alan komponentlerin birbirini etkilememesi gerekmektedir. Bahsedilen bu etkiler ilk olarak İkinci Dünya Savaşı sırasında gözlemlenmiştir. Yüksek frekans bölgesinde çalışan radar ekipmanları, hava savunma sistemleri, haberleşme sistemleri ve kontrol sistemlerine sahip savaş ekipmanlarının bazı durumlarda düzgün çalışmadığı hatta düzgün çalışan başka sistemler ile birlikle çalıştırılmak istendiğinde diğer sistemleri etkilediği gözlemlenmiştir. Vietnam savaşı esnasında F-4B Phantom tipi savaş uçağında yer alan füzelerden bir tanesi uçak gemisi üzerindeyken bir anormallik sonucu ateşlenmiş olup, USS Forrestal uçak gemisinde yangın çıkmasına sebep olmuştur. Bu olaya ait nedenler araştırıldığında, F-4B Phantom savaş uçağında yer alan füze ateşleme sisteminin, USS Forrestal uçak gemisinin oluşturmuş olduğu manyetik etkilerden etkilenerek kontrolsüz bir şekilde ateşlemeyi tetiklediği belirlenmiştir. Bu olay ve benzeri birçok olayın sebepleri araştırıldığında yüksek çalışma frekanslarına sahip sistemlerin, çevresinde yer alan başka sistemleri ve içerisinde yer aldığı üst sistemleri etkilediği gözlemlenmiştir. Düşük çalışma gerilimlerine sahip sistemlerin çevresel etkilere daha duyarlı hale geldiği belirlenmiştir. Yıllar içerisinde gelişen teknoloji ile birlikte günümüzde 1V ve altında çalışan aktif devre elemanlarını içeren sistemler aynı şekilde yüksek çalışma frekanslarına sahiptir. Bu komponentlerin yer aldığı sistemlerin çalışmasını etkilememesi gerektiği gibi çevresinde yer alan başka bir sistemi de etkilememesi gerekmektedir. Bu etkiye ek olarak, çevresinde yer alan başka bir sistemden de etkilenmemesi yani bağışıklığı yeterli seviyede olması gerekmektedir. Pek çok sistem gerekli önlemler alınmadığı takdirde yüksek miktarda elektromanyetik enerji yaymaktadır. Bilgisayarlarımızda yer alan işlemciler, askeri radar sistemleri, Wi-Fi modemler, AC besleme hattında yer alan beyaz eşyalar bu sistemlere örnek olarak verilebilir. Uluslararası Radyo Girişimi Özel Komitesi (CISPR), yüksek frekansı 9kHz ve üstü olarak tanımlamaktadır. Buna göre, 9kHz üzerinde çalışan donanımlar elektromanyetik girişimde bulunmamalı ve herhangi bir sistemin oluşturmuş olduğu manyetik girişimden etkilenmemelidir. Enerji, Planck sabiti ve frekans çarpımı şeklinde hesaplandığından, bir sistem ne kadar yüksek çalışma frekansına sahip ise sahip olduğu ve çevresine yaymış olduğu enerji de frekansı ile orantılı olacak şekilde yüksektir. Elektromanyetik girişim kaynaklarının temelinde anahtarlama ve durum değişimleri yer almaktadır. Bu değişimler, endüktif bir yük tarafından çekilen yüksek bir akım, anahtarlama modlu güç kaynakları veya yüksek çalışma frekansına sahip entegreler olabilir. İletim emisyonları olarak tanımlanan, iletim hattı üzerinde yer alan sistemlerin oluşturmuş olduğu elektromanyetik parazitler diferansiyel ve ortak mod olarak sınıflandırılır. Diferansiyel mod gürültüsünde, gürültü kaynağı güç iletim hattı boyunca görülür ve güç iletim hattı ile seri haldedir. Yani, gürültü akımı güç kaynağı akımı ile aynı yönde akar. Ortak mod gürültüsü, diferansiyel mod gürültüsüne ek olarak, elektronik donanım üzerinde yer alan sızıntı akımlarına gürültü akımının karışarak topraktan güç kaynağı hattına geri döndüğü gürültüdür. Yayılım şeklinde oluşan gürültüler ise elektrik, manyetik veya elektromanyetik alanlar şeklinde sistemden etrafa yayılan kablosuz gürültülerdir. Tasarlanacak olan tüm sistemlerin uyması gereken elektromanyetik uyumluluk (EMC) standartları bulunmaktadır. Tıp teknolojileri, uzay teknolojileri, ev aletleri, telefonlar ve çeşitli tüm elektronik ekipmanların tabi olduğu EMC standartlarına ait gereklilikler, çalışma koşulları göz önünde bulundurularak değerlendirlmektedir. Bu tez, otomotiv tasarımlarının önemli bileşenlerinden olan elektronik kontrol devrelerinin uyması gereken EMC standartlarına ait incelemeleri içermektedir. Otomobil tasarımı, sahip olduğu alt sistemler sayesinde çok karmaşık bir hal almaktadır. Geliştirilen ilk otomobillerde sadece içten yanmalı bir motor ve fren ekipmanları bulunmaktaydı. Zamanla otomobil üzerinde yer alan çoğu mekanik sistem bir elektronik kontrol ünitesi tarafından kontrol edilir hale gelmiştir. Gelişen tüketici elektroniği ile birlikte otomobiller içerisinde yer alan elektronik donanımların sayısı da giderek artmıştır. Temel olarak elektronik kontrol ünitesi, eviriciler, radyo sistemleri, aydınlatma sistemleri, kamera sistemleri, batarya yönetim sistemleri, park kontrol sistemleri, otonom sürüş sistemleri ve araç içi eğlence sistemleri bir araç içersinde yer alan elektronik donanımlar olarak tanımlanabilir. Bütün bu elektronik sistemler ile senkronize bir şekilde çalışması gereken mekanik sistemler de araç içerisinde yer almaktadır. Araç içerisinde yer alan tüm alt sistemlerin birbirlerini etkilememesi ve çevreden gelebilecek herhangi bir gürültüden etkilenmemesi gerekmektedir. Sürüş güvenliği göz önünde bulundurulduğunda, bir otomobil içerisindeki tüm alt sistemlerin uyması gereken EMC standartları bulunmaktadır. Bu standartlar Uluslararası Standartlar Organizasyonu (ISO) ve Uluslararası Radyo Girişimi Özel Komitesi (CISPR) tarafından belirlenmektedir. Bu standartlarda temel olarak güç hattı üzerinden iletilebilecek ortak mod veya diferansiyel mod gürültüleri, elektrik alan, manyetik alan ve eletkromanyetik alan ile birlikte temassız iletilebilecek gürültüler, elektrostatik deşarj ve yük boşaltımı uyumluluklarına ilişkin gerekliliklerin tanımları yapılmaktadır. Çoğu otomotiv üreticisi, uluslararası standartları temel alarak kendi standartlarını yayımlamıştır. Uluslararsı referansları temel alan bu standartlar, insan, araç ve sürüş güvenliğini yükseltmek için geliştirilen daha üst düzey standart ve testlerin ortaya çıkmasına sebep olmuştur. Tüm bu gereksinimler neticesinde dünya genelinde üretilecek olan tüm otomobillerin insan, araç ve sürüş güvenliğini hiçbir şekilde riske atmayacak şekilde tasarlanması garanti altına alınmaktadır. CISPR 12, CISPR 25 ve CISPR 36 karayolu taşıtlarının uyması gereken emisyon standartlarına örnek olarak verilebilir. ISO 7637, ISO 10305, ISO 10605 ve benzeri standartlar ise karayolu taşıtlarının uyması gereken bağışıklık standartlarına örnek olarak verilebilir. Otomobil üreticilerinin bu standartları temel alarak geliştirmiş olduğu bazı standartlara ise Volkswagen VW TL 81000, Toyota TSC 7001G-5, Renault 36.00.400, Hyundai ES 39110-00 ve BMW GS 95002 örnek olarak verilebilir. Bu tez çalışması, karayolu taşıtları için uyulması gereken yayılım standartlarının incelenmesi, incelenen standartların gereksinimlerini karşılayacak devre tasarımı süreçlerinde gerekli olan simülasyonlar ve hesaplamaları içermektedir. Otomotiv elektroniği tasarım süreçlerinde gerçekleştirilen simülasyonlar, devre tasarımı süreçlerinde geliştiricilere yardımcı olmaktadır. Bu tez çalışmasında, standartlara ilişkin test ortamları simüle edilerek elektronik donanım üzerinde yer alan devre elemanlarının elektromanyetik uyumluluk açısından etkileri gözlemlenmiştir. Simülasyonlar neticesinde elde edilen veriler kullanılarak filtre ve elektronik devre tasarımları önerilmiştir. Önerilen devreler ve filtreler karşılaştırılarak otomotiv içerisinde yer alabilecek elektronik bir alt sistemin tasarlanması hedeflenmiştir.