Tehnici de proiectare pentru reducerea emi în circuitele SMPS

În articolul meu anterior despre EMI, am examinat modul în care natura intenționată / neintenționată a surselor EMI și modul în care acestea afectează performanța altor dispozitive electrice / electronice (victime) din jurul lor. Articolul a fost urmat de un altul despre compatibilitatea electromagnetică (EMC), care a oferit informații despre pericolele EMI și a oferit un anumit context asupra modului în care o considerație slabă a EMI ar putea afecta negativ performanța pe piață a unui produs, fie din cauza reducerilor de reglementare sau a eșecurilor funcționalității.

Ambele articole conțin sfaturi largi pentru minimizarea EMI (de ieșire sau de intrare) în proiectare, dar în următoarele câteva articole, vom face o scufundare mai profundă și vom examina cum să minimizăm EMI în anumite unități funcționale ale produsului dvs. electronic. Vom începe lucrurile cu minimizarea EMI în unitățile de alimentare cu un accent specific pe sursele de alimentare în modul comutare.

Modul de comutare Alimentarea cu energie este un termen generic pentru sursele de alimentare AC-DC sau DC-DC care utilizează circuite cu acțiuni de comutare rapidă pentru transformarea / conversia tensiunii (buck sau boost). Acestea se caracterizează prin eficiență ridicată, factor de formă redus și consum redus de energie, ceea ce le-a făcut sursa de alimentare la alegere pentru echipamentele / produsele electronice noi, chiar dacă sunt semnificativ mai complexe și dificil de proiectat în comparație cu cele obișnuite - fii popularul surselor de alimentare liniare. Cu toate acestea, dincolo de complexitatea proiectelor lor, SMPS prezintă o amenințare semnificativă a generației EMI datorită frecvențelor de comutare rapidă pe care le utilizează, pentru a atinge eficiența ridicată pentru care sunt cunoscuți.

Odată cu dezvoltarea mai multor dispozitive (potențiale victime EMI / sursă) în fiecare zi, depășirea EMI devine o provocare majoră pentru ingineri și realizarea compatibilității electromagnetice (EMC) devine la fel de importantă ca funcționarea corectă a dispozitivului.

Pentru articolul de astăzi, vom analiza natura și sursele EMI în SMPS și vom examina câteva tehnici / abordări de proiectare care pot fi utilizate în atenuarea acestora.

Surse de EMI în SMPS

Rezolvarea oricărei probleme EMI necesită în general o înțelegere a sursei de interferență, a traseului de cuplare la alte circuite (victime) și a naturii victimei a cărei performanță este afectată negativ. În timpul dezvoltării produsului, este de obicei aproape imposibil să se determine impactul EMI asupra potențialelor victime, ca atare, eforturile de control EMI sunt de obicei axate pe minimizarea surselor de emisii (sau reducerea susceptibilității) și eliminarea / reducerea căilor de cuplare.

Sursa principală de EMI în sursele de alimentare SMPS poate fi urmărită prin natura lor inerentă de proiectare și caracteristicile de comutare. Fie în timpul procesului de conversie de la AC-DC sau DC-DC, componentele de comutare MOSFET în SMPS, pornind sau oprind la frecvențe înalte, creează o undă sinusoidală falsă (undă pătrată), care poate fi descrisă de o serie Fourier ca fiind însumarea multor unde sinusoidale cu frecvențe legate de armonie. Acest spectru Fourier complet de armonici, rezultat din acțiunea de comutare devine EMI care este transmis, de la sursa de alimentare la alte circuite din dispozitiv și la dispozitivele electronice din apropiere care sunt susceptibile la aceste frecvențe.

În afară de zgomotul de la comutare, o altă sursă de EMI în SMPS sunt tranzițiile de curent rapid (dI / dt) și tensiune (dV / dt) (care sunt, de asemenea, legate de comutare). Conform ecuației lui Maxwell, acești curenți și tensiuni alternative vor produce un câmp electromagnetic alternativ și, în timp ce magnitudinea câmpului se reduce odată cu distanța, interacționează cu părțile conductoare (cum ar fi urmele de cupru de pe PCB) care acționează ca antenele și provoacă zgomot suplimentar pe linii, ducând la EMI.

Acum, EMI la sursă nu este atât de periculos (uneori) până când nu este cuplat în circuite sau dispozitive învecinate (victime), ca atare, prin eliminarea / minimizarea căilor de cuplare potențiale, EMI poate fi în general redus. După cum sa discutat în articolul „Introducere în EMI”, cuplarea EMI are loc în general prin intermediul; conducția (prin căi nedorite / reutilizate sau așa-numitele „circuite furtive”), inducție (cuplare prin elemente inductive sau capacitive, cum ar fi transformatoarele) și radiații (peste aer).

Înțelegând aceste căi de cuplare și modul în care acestea afectează EMI în sursele de alimentare cu comutare, proiectanții își pot crea sistemele astfel încât influența căii de cuplare să fie redusă la minimum și răspândirea interferenței să fie redusă.

Diferite tipuri de mecanisme de cuplare EMI

Vom trece peste fiecare dintre mecanismele de cuplare legate de SMPS și vom stabili elementele proiectelor SMPS care dau naștere existenței lor.

EMI radiat în SMPS:

Cuplarea radiată are loc atunci când sursa și receptorul (victima) acționează ca antene radio. Sursa radiază o undă electromagnetică care se propagă în spațiul deschis dintre sursă și victimă. În SMPS, propagarea EMI radiată este de obicei asociată cu curenți comutați cu di / dt ridicat, stimulată de existența buclelor cu timpi de creștere rapidă a curentului datorită aspectului slab de proiectare și a practicilor de cablare care dau naștere la inductanță de scurgere.

Luați în considerare circuitul de mai jos;

Schimbarea rapidă de curent în circuit dă naștere unei tensiuni zgomotoase (Vnoise) în plus față de ieșirea normală de tensiune (Vmeas). Mecanismul de cuplare este similar cu funcționarea transformatoarelor, astfel încât Vnoise este dat de ecuație;

V _zgomot = R _M / (R _S + R _M) * M * di / dt

Unde M / K este factorul de cuplare care depinde de distanța, aria și orientarea buclelor magnetice și absorbția magnetică între buclele în cauză - la fel ca într-un transformator. Astfel, în aspectele de proiectare / PCB cu o orientare slabă a orientării buclei și o zonă mare a buclei de curent, tinde să existe un nivel mai ridicat de EMI radiat.

EMI efectuate în SMPS:

Cuplarea prin conducție are loc atunci când emisiile EMI sunt transmise de-a lungul conductoarelor (fire, cabluri, carcase și urme de cupru pe PCB) care conectează sursa EMI și receptorul împreună. EMI cuplat în acest mod este comun pe liniile de alimentare cu energie și, de obicei, greu pe componenta câmpului H.

Cuplarea de conducere în SMPS este fie conducerea în modul comun (interferența apare în fază pe linia + ve și GND), fie modul diferențial (interferența apare în fază pe doi conductori).

Emisiile conduse în mod obișnuit sunt de obicei cauzate de capacități parazite precum cele ale radiatorului și transformatorului, împreună cu structura plăcii, și comutarea formei de undă de tensiune pe întrerupător.

Emisiile efectuate în mod diferențial, pe de altă parte, sunt rezultatul acțiunii de comutare care provoacă impulsuri de curent la intrare și creează vârfuri de comutare care duc la existența zgomotului diferențial.

EMI inductiv în SMPS:

Cuplarea inductivă are loc atunci când există o inducție EMI electrică (datorită unei cuplări capacitive) sau magnetică (datorită unei cuplări inductive) între sursă și victimă. Cuplarea electrică sau cuplarea capacitivă are loc atunci când există un câmp electric diferit între doi conductori adiacenți, inducând o schimbare a tensiunii peste spațiul dintre ei, în timp ce o cuplare magnetică sau cuplarea inductivă are loc atunci când există un câmp magnetic diferit între doi conductori paraleli, inducând o schimbare în tensiune de-a lungul conductorului receptor.

Pe scurt, în timp ce sursa principală de EMI în SMPS este acțiunea de comutare de înaltă frecvență, împreună cu tranzitorii rezultanți di / dt sau dv / dt, facilitatorii care facilitează propagarea / răspândirea EMI generat către potențialele victime pe aceeași placă (sau sistemele externe) sunt factori care rezultă dintr-o selecție slabă a componentelor, un aspect slab de proiectare și existența inductanței / capacității rătăcite în căile curente.

Tehnici de proiectare pentru reducerea EMI în SMPS

Înainte de a parcurge această secțiune, ar putea fi plăcut să aruncăm o privire la standardele și reglementările din jurul EMI / EMC pentru a obține o reamintire a obiectivelor de proiectare. Deși standardele variază între țări / regiuni, cele mai acceptate două, care datorită armonizării, sunt acceptabile pentru certificare în majoritatea regiunilor; regulamentele FCC EMI Control și CISPR 22 (Ediția a treia a Comitetului internațional special pentru interferențe radio (CISPR), Pub. 22). Detaliile complicate ale acestor două standarde au fost rezumate în articolul standard EMI despre care am discutat mai devreme.

Trecerea proceselor de certificare EMC sau asigurarea faptului că dispozitivele dvs. funcționează bine atunci când se află în jurul altor dispozitive necesită menținerea nivelurilor de emisii sub valorile descrise în standarde.

Există o serie de abordări de proiectare pentru atenuarea EMI în SMPS și vom încerca să le acoperim una după alta.

1. Du-te liniar

Sincer vorbind, dacă aplicația dvs. își poate permite (voluminozitatea și natura ineficientă), vă puteți economisi o mulțime de tensiuni EMI legate de alimentarea cu energie utilizând o sursă de alimentare liniară. Ele nu generează IME semnificativ și nu vor costa atât de mult timp și bani pentru a se dezvolta. Pentru eficiența lor, chiar dacă este posibil să nu fie la egalitate cu SMPS, puteți obține în continuare niveluri de eficiență rezonabile utilizând regulatoare liniare LDO.

2. Utilizați module de alimentare

Urmarea celor mai bune practici pentru a obține o performanță EMI bună poate să nu fie suficient de bună uneori. În acele situații în care nu pare să găsiți timpul sau alte resurse pentru a regla și a obține cele mai bune rezultate EMI, o abordare care funcționează de obicei este trecerea la modulele de alimentare.

Modulele de alimentare nu sunt perfecte, dar un lucru pe care îl fac bine vă asigură că nu cădeați în capcanele vinovaților EMI obișnuiți, cum ar fi un aspect defectuos al designului și inductanță / capacitate parazită. Unele dintre cele mai bune module de putere de pe piață explică deja nevoia de a depăși EMI și sunt concepute pentru a face posibilă dezvoltarea unor surse de alimentare rapide și ușoare, cu performanțe EMI bune. Fabricile precum Murata, Recom, Mornsun etc. au o gamă largă de module SMPS care se ocupă deja de problemele EMI și EMC pentru noi.

De exemplu, ele au de obicei majoritatea componentelor, cum ar fi inductoarele, conectate intern în interiorul pachetului, ca atare, există o zonă de buclă foarte mică în interiorul modulului și EMI radiat este redus. Unele module merg până la ecranarea inductoarelor și a nodului comutatorului pentru a preveni EMI radiat de la bobină.

3. Ecranarea

Un mecanism de forță brută pentru reducerea EMI protejează SMPS cu metal. Acest lucru se realizează prin plasarea surselor generatoare de zgomot în sursa de alimentare, într-o carcasă conductivă (metalică) împământată, singura interfață cu circuitele externe fiind prin intermediul filtrelor în linie.

Cu toate acestea, ecranarea adaugă costuri suplimentare în materiale și dimensiunea PCB-ului proiectului, ca atare, poate fi o idee proastă pentru proiectele cu obiective cu costuri reduse.

4. Optimizarea aspectului

Aspectul de proiectare este considerat unul dintre aspectele principale care facilitează propagarea EMI pe circuit. Acesta este motivul pentru care, una dintre tehnicile generale, largi pentru reducerea EMI în SMPS este Optimizarea aspectului. Este uneori un termen destul de ambiguu, deoarece ar putea însemna lucruri diferite, de la eradicarea componentelor parazitare până la separarea nodurilor zgomotoase de nodurile sensibile la zgomot și reducerea zonelor de buclă de curent etc.

Unele sfaturi de optimizare a aspectului pentru proiectele SMPS includ;

Protejați nodurile sensibile la zgomot de nodurile zgomotoase

Acest lucru se poate face prin poziționarea lor cât mai departe unul de celălalt pentru a preveni cuplarea electromagnetică între ele. Câteva exemple de noduri sensibile la zgomot și zgomotoase sunt furnizate în tabelul de mai jos;

Noduri zgomotoase	Noduri sensibile la zgomot
Inductori	Sensing căi
Schimbați nodurile	Rețele de compensare
Condensatori dI / dt mari	Pin de feedback
FET-uri	Circuite de control

Păstrați urmele scurte ale nodurilor sensibile la zgomot

Urmele de cupru de pe PCB acționează ca antene pentru EMI radiat, ca atare, una dintre cele mai bune modalități de a preveni urmele conectate direct la nodurile sensibile la zgomot să dobândească EMI radiat este menținerea lor cât mai scurtă posibil prin deplasarea componentelor în care sunt să fie conectat, cât mai aproape posibil. De exemplu, o urmă lungă dintr-o rețea de împărțire a rezistorului care se alimentează într-un pin de feedback (FB) poate acționa ca o antenă și poate prelua EMI radiat în jurul său. Zgomotul alimentat la pinul Feedback va introduce zgomot suplimentar la ieșirea sistemului, făcând performanța dispozitivului instabilă.

Reduceți zona de buclă critică (antenă)

Urmele / firele care poartă forma de undă de comutare ar trebui să fie cât mai apropiate între ele.

EMI radiat este direct proporțional cu magnitudinea curentului (I) și zona buclei (A) prin care curge, ca atare, prin reducerea ariei curentului / tensiunii, putem reduce nivelul EMI radiat. O modalitate bună de a face acest lucru pentru liniile electrice este să plasați linia electrică și calea de întoarcere una peste alta pe straturile adiacente ale PCB-ului.

Minimizați inductanța fără stăpân

Impedanța unei bucle de sârmă (care contribuie la EMI radiat ca proporțională cu suprafața) poate fi redusă prin mărirea dimensiunii pistelor (liniei de alimentare) de pe PCB și dirijarea acesteia paralelă cu calea sa de întoarcere pentru a reduce inductanța pistelor.

Împământare

Un plan de masă neîntrerupt situat pe suprafețele exterioare ale PCB oferă cea mai scurtă cale de întoarcere pentru EMI, mai ales atunci când este situat direct sub Sursa EMI, unde suprimă EMI radiat în mod semnificativ. Cu toate acestea, planurile terestre ar putea fi o problemă dacă permiteți tăierea prin alte urme. Tăierea ar putea crește zona efectivă a buclei și ar putea duce la niveluri EMI semnificative, deoarece curentul de retur trebuie să găsească o cale mai lungă pentru a înconjura tăierea, pentru a reveni la sursa curentă.

Filtre

Filtrele EMI sunt obligatorii pentru sursele de alimentare, în special pentru atenuarea EMI efectuate. Acestea sunt de obicei localizate la intrarea și / sau ieșirea sursei de alimentare. La intrare, acestea ajută la filtrarea zgomotului de la rețea, iar la ieșire, împiedică zgomotul din sursă să afecteze restul circuitului.

În proiectarea filtrelor EMI pentru a atenua EMI efectuate, este de obicei important să se trateze emisia condusă în mod comun separat de emisia în mod diferențial, deoarece parametrii filtrului pentru a le aborda vor fi diferiți.

Pentru filtrarea EMI efectuată în mod diferențial, filtrele de intrare sunt formate de obicei din condensatori electrolitici și ceramici, combinați, pentru a atenua eficient curentul modului diferențial la frecvența de comutare fundamentală mai mică și, de asemenea, la frecvențe armonice mai mari. În situațiile în care este necesară suprimarea suplimentară, se adaugă un inductor în serie cu intrarea pentru a forma un filtru trece jos LC cu un singur stadiu.

Pentru filtrarea EMI efectuată în modul comun, filtrarea poate fi realizată eficient prin conectarea condensatorilor de bypass între liniile de alimentare (atât de intrare, cât și de ieșire) și masă. În situațiile în care este necesară o atenuare suplimentară, inductoarele de sufocare cuplate pot fi adăugate în serie cu liniile electrice.

În general, proiectarea filtrelor ar trebui să ia în considerare scenariile cele mai nefavorabile la selectarea componentelor. De exemplu, modul comun EMI va fi maxim cu tensiune de intrare ridicată, în timp ce modul diferențial EMI va fi maxim cu tensiune scăzută și curent de sarcină mare.

Concluzie

Luarea în considerare a tuturor punctelor menționate mai sus la proiectarea surselor de alimentare cu comutare este de obicei o provocare, este efectiv unul dintre motivele pentru care atenuarea EMI este denumită „artă întunecată”, dar pe măsură ce vă obișnuiți, ele devin a doua natură.

Datorită IoT și diferitelor progrese în tehnologie, compatibilitatea electromagnetică și capacitatea generală a fiecărui dispozitiv de a funcționa corect în condiții normale de funcționare, fără a afecta negativ funcționarea altor dispozitive în imediata apropiere, este chiar mai importantă decât înainte. Dispozitivele nu trebuie să fie susceptibile la EMI din surse intenționate sau neintenționate din apropiere și, în același timp, nu trebuie să radieze (în mod intenționat sau neintenționat) interferențe la niveluri care ar putea duce la funcționarea defectuoasă a altor dispozitive.

Din motive legate de costuri, este important să se ia în considerare EMC în stadiul incipient al proiectării SMPS. De asemenea, este important să se ia în considerare modul în care conectarea sursei de alimentare la dispozitivul principal afectează dinamica EMI în ambele dispozitive, deoarece în majoritatea cazurilor, în special pentru SMPS încorporate, sursa de alimentare va fi certificată împreună cu dispozitivul ca o singură unitate și orice cadere în fie ar putea duce la eșec.