Dizajnové techniky na znižovanie emi v SMPS obvodoch

V mojom predchádzajúcom článku o EMI sme skúmali, ako je zámerná / neúmyselná povaha zdrojov EMI a ako ovplyvňujú výkon iných elektrických / elektronických zariadení (obetí) v ich okolí. Po článku nasledoval ďalší o elektromagnetickej kompatibilite (EMC), ktorý poskytol informácie o nebezpečenstvách EMI a ponúkol určitý kontext toho, ako slabá úvaha o EMI môže negatívne ovplyvniť výkonnosť produktu na trhu, či už z dôvodu regulačných obmedzení alebo zlyhania funkčnosti.

Oba články obsahujú široké tipy na minimalizáciu EMI (odchádzajúce alebo prichádzajúce) v dizajne, ale v nasledujúcich niekoľkých článkoch sa ponoríme hlbšie a preskúmame, ako minimalizovať EMI v určitých funkčných jednotkách vášho elektronického produktu. Začneme veci minimalizáciou EMI v jednotkách napájania so špecifickým zameraním na zdroje napájania v spínanom režime.

Spínaný napájací zdroj je všeobecný pojem pre zdroje napájania AC-DC alebo DC-DC, ktoré používajú obvody s rýchlymi spínacími akciami na transformáciu / konverziu napätia (buck alebo boost). Vyznačujú sa vysokou účinnosťou, malým tvarovým faktorom a nízkou spotrebou energie, čo z nich urobilo zdroj napájania pre nové elektronické zariadenia / výrobky, aj keď sú v porovnaní s doteraz používanými podstatne zložitejšie a náročnejšie na dizajn. populárne lineárne zdroje napájania. Okrem zložitosti ich návrhov však SMPS predstavuje významnú hrozbu generovania EMI kvôli rýchlym spínacím frekvenciám, ktoré používajú, na dosiahnutie vysokej účinnosti, o ktorej sú známe.

Pretože sa každý deň vyvíja viac zariadení (potenciálnych obetí / zdrojov EMI), prekonanie EMI sa stáva pre inžinierov veľkou výzvou a dosiahnutie elektromagnetickej kompatibility (EMC) sa stáva rovnako dôležitým ako správne fungovanie zariadenia.

V dnešnom článku sa pozrieme na podstatu a zdroje EMI v SMPS a preskúmame niektoré návrhové techniky / prístupy, ktoré je možné pri ich zmierňovaní použiť.

Zdroje EMI v SMPS

Riešenie akýchkoľvek problémov s EMI si všeobecne vyžaduje pochopenie zdroja rušenia, spojovacej cesty k iným obvodom (obete) a povahy obete, ktorej výkon je negatívne ovplyvnený. Počas vývoja produktu je zvyčajne takmer nemožné určiť vplyv EMI na potenciálne obete, preto sa snahy o kontrolu EMI zvyčajne zameriavajú na minimalizáciu zdrojov emisií (alebo na zníženie citlivosti) a na elimináciu / zníženie spojovacích dráh.

Hlavným zdrojom EMI v napájacích zdrojoch SMPS možno vysledovať ich inherentnú konštrukčnú povahu a spínacie charakteristiky. Počas procesu konverzie z AC-DC alebo DC-DC vytvárajú spínacie komponenty MOSFET v SMPS, ktoré sa zapínajú alebo vypínajú pri vysokých frekvenciách, falošnú sínusovú vlnu (štvorcovú vlnu), ktorú môže Fourierova séria označiť ako súčet mnohých sínusových vĺn s harmonicky súvisiacimi frekvenciami. Toto celé Fourierovo spektrum harmonických, ktoré je výsledkom spínacej činnosti, sa stáva prenášaným EMI zo zdroja napájania do ďalších obvodov v zariadení a do blízkych elektronických zariadení, ktoré sú citlivé na tieto frekvencie.

Okrem šumu z prepínania je ďalším zdrojom EMI v SMPS prechod rýchleho prúdu (dI / dt) a napätia (dV / dt) (ktoré tiež súvisia s prepínaním). Podľa Maxwellovej rovnice bude tento striedavý prúd a napätie produkovať striedavé elektromagnetické pole, a hoci sa veľkosť poľa so vzdialenosťou zmenšuje, interaguje s vodivými časťami (napríklad medené stopy na doske plošných spojov), ktoré pôsobia ako antény a spôsobujú ďalší šum na linkách., čo vedie k EMI.

Teraz nie je EMI pri zdroji tak občas nebezpečná, kým nie je spojená so susednými obvodmi alebo zariadeniami (obeťami), pretože elimináciou / minimalizáciou potenciálnych väzbových ciest sa dá EMI všeobecne znížiť. Ako je uvedené v článku „Úvod do EMI“, k spojeniu EMI obvykle dochádza prostredníctvom; vedenie (prostredníctvom nežiaducich / opakovaných ciest alebo takzvaných „zakrádacích obvodov“), indukcia (spojenie indukčnými alebo kapacitnými prvkami, ako sú transformátory) a žiarenie (bezdrôtové vysielanie).

Pochopením týchto väzbových ciest a toho, ako ovplyvňujú EMI v spínaných napájacích zdrojoch, môžu dizajnéri vytvoriť svoje systémy takým spôsobom, že sa minimalizuje vplyv väzbovej dráhy a zníži sa šírenie rušenia.

Rôzne typy väzbových mechanizmov EMI

Prejdeme každý spojovací mechanizmus, ktorý sa týka SMPS, a ustanovíme prvky návrhov SMPS, ktoré vedú k ich existencii.

Vyžarované EMI v SMPS:

Vyžarovaná väzba nastáva, keď zdroj a receptor (obeť) fungujú ako rádiové antény. Zdroj vyžaruje elektromagnetické vlnenie, ktoré sa šíri po otvorenom priestranstve medzi zdrojom a obeťou. V SMPS je šírenie vyžarovaného EMI zvyčajne spojené so spínanými prúdmi s vysokou di / dt, zosilnenou existenciou slučiek s rýchlymi dobami nárastu prúdu v dôsledku zlého usporiadania konštrukcie a postupmi zapojenia, ktoré vedú k únikovej indukčnosti.

Zvážte obvod uvedený nižšie;

Rýchla zmena prúdu v obvode vedie k výstupu normálneho napätia (Vmeas) aj k vzniku rušivého napätia (Vnoise). Spojovací mechanizmus je podobný činnosti transformátorov, takže Vnoise je dané rovnicou;

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

Kde M / K je väzbový faktor, ktorý závisí od vzdialenosti, plochy a orientácie magnetických slučiek a magnetickej absorpcie medzi príslušnými slučkami - rovnako ako v transformátore. Takže v usporiadaní návrhu / PCB so zlým ohľadom na orientáciu slučky a veľkou oblasťou prúdovej slučky existuje tendencia k vyššej úrovni vyžarovaného EMI.

Vedené EMI v SMPS:

K prepojeniu vedenia dôjde, keď sú emisie EMI prenášané pozdĺž vodičov (drôty, káble, kryty a medené stopy na PCB) spájajúcich zdroj EMI a prijímač dohromady. EMI spojené týmto spôsobom je bežné na napájacích vedeniach a zvyčajne ťažké na komponente H-poľa.

Prevodové prepojenie v SMPS je buď vedenie v bežnom režime (rušenie sa objavuje vo fáze na kladnej a GND linke) alebo diferenciálne pôsobenie (rušenie sa objavuje mimo fázy na dvoch vodičoch).

Emisie vedené v spoločnom režime sú zvyčajne spôsobené parazitnými kapacitami, ako sú chladič a transformátor, spolu s usporiadaním dosky a tvarom spínacieho napätia na prepínači.

Emisie vedené v diferenciálnom režime sú na druhej strane výsledkom spínacej činnosti, ktorá spôsobuje prúdové impulzy na vstupe a vytvára spínacie hroty, ktoré vedú k existencii diferenciálneho šumu.

Indukčné EMI v SMPS:

K indukčnej väzbe dochádza, keď existuje elektrická (kvôli kapacitne viazanej) alebo magnetická (kvôli indukčne viazanej) indukcii EMI medzi zdrojom a obeťou. Elektrická väzba alebo kapacitná väzba nastáva, keď existuje meniace sa elektrické pole medzi dvoma susednými vodičmi, čo vyvoláva zmenu napätia cez medzeru medzi nimi, zatiaľ čo magnetické spojenie alebo indukčné spojenie nastáva, keď existuje meniace sa magnetické pole medzi dvoma paralelnými vodičmi, čo vyvoláva zmenu v napätí pozdĺž prijímacieho vodiča.

Stručne povedané, zatiaľ čo hlavným zdrojom EMI v SMPS je vysokofrekvenčné prepínanie spolu s výslednými rýchlymi di / dt alebo dv / dt prechodnými javmi, aktivátory, ktoré uľahčujú šírenie / šírenie generovaného EMI potenciálnym obetiam na tej istej doske (alebo externé systémy) sú faktory, ktoré sú výsledkom zlého výberu komponentov, zlého usporiadania dizajnu a existencie rozptýlenej indukčnosti / kapacity v prúdových dráhach.

Dizajnové techniky na zníženie EMI v SMPS

Predtým, ako prejdete touto časťou, môže byť užitočné pozrieť sa na normy a predpisy týkajúce sa EMI / EMC, aby ste si pripomenuli, aké sú ciele návrhu. Aj keď sa normy v jednotlivých krajinách / regiónoch líšia, dva najbežnejšie akceptované, ktoré sú vďaka harmonizácii prijateľné pre certifikáciu vo väčšine regiónov, zahŕňajú; nariadenia FCC o riadení EMI a CISPR 22 (tretie vydanie Medzinárodného osobitného výboru pre rádiové rušenie (CISPR), pub. 22). Zložité podrobnosti o týchto dvoch štandardoch boli zhrnuté v článku o štandardoch EMI, o ktorom sme hovorili už skôr.

Úspešné absolvovanie certifikačných procesov EMC alebo iba zabezpečenie dobrého fungovania vašich zariadení, keď sa nachádzajú v blízkosti iných zariadení, si vyžaduje, aby ste udržali svoje úrovne emisií pod hodnotami opísanými v normách.

Na zmiernenie EMI v SMPS existuje pomerne veľa dizajnových prístupov a pokúsime sa ich pokryť jeden po druhom.

1. Choďte lineárne

Úprimne povedané, ak si to vaša aplikácia môže dovoliť (objemnosť a neefektívnosť), môžete si ušetriť veľa stresu EMI súvisiaceho s napájaním pomocou lineárneho napájacieho zdroja. Nevytvárajú významné EMI a vývoj nebude stáť toľko času a peňazí. Ich účinnosť, aj keď to nemusí byť na rovnakej úrovni ako SMPS, môžete stále dosiahnuť primeranú úroveň účinnosti pomocou lineárnych regulátorov LDO.

2. Používajte napájacie moduly

Dodržiavanie osvedčených postupov na získanie dobrého výkonu EMI nemusí byť niekedy dosť dobré. V situáciách, keď si nemôžete nájsť čas alebo iné zdroje na vyladenie a dosiahnutie najlepších výsledkov EMI, je obvykle vhodný jeden prístup k napájacím modulom.

Napájacie moduly nie sú dokonalé, ale jedna vec, ktorú robia, zaisťuje, že sa nedostanete do pascí obvyklých vinníkov EMI, ako je zlé usporiadanie dizajnu a parazitná indukčnosť / kapacita. Niektoré z najlepších výkonových modulov na trhu už zohľadňujú potrebu prekonať EMI a sú navrhnuté tak, aby umožňovali vývoj rýchlych a ľahkých napájacích zdrojov s dobrým výkonom EMI. Výrobcovia ako Murata, Recom, Mornsun atď. Majú širokú škálu modulov SMPS, ktoré sa už o nás starajú o problémy EMI a EMC.

Napríklad zvyčajne majú väčšinu komponentov, ako sú tlmivky, zapojených vnútorne vo vnútri balenia, takže vo vnútri modulu existuje veľmi malá oblasť slučky a vyžarované EMI sa zníži. Niektoré moduly idú tak ďaleko, že tienia tlmivky a uzol spínača, aby zabránili vyžarovanému EMI z cievky.

3. Tienenie

Mechanizmom hrubej sily na zníženie EMI je tienenie SMPS kovom. To sa dosiahne umiestnením zdrojov generujúcich šum do napájacieho zdroja, v uzemnenom vodivom (kovovom) kryte, s jediným rozhraním pre vonkajšie obvody prostredníctvom zabudovaných filtrov.

Tienenie však zvyšuje náklady na materiál a veľkosť plošných spojov ako také, čo môže byť zlý nápad pre projekty s nízkymi nákladmi.

4. Optimalizácia rozloženia

Dizajnové usporiadanie sa považuje za jeden z hlavných problémov, ktoré uľahčujú šírenie EMI v obvode. To je dôvod, prečo je jednou zo širokých všeobecných techník na znižovanie EMI v SMPS optimalizácia rozloženia. Je to niekedy dosť nejednoznačný pojem, pretože by to mohlo znamenať rôzne veci, od eradikácie parazitických komponentov po oddelenie hlučných uzlov od uzlov citlivých na hluk, zmenšenie oblastí súčasných slučiek atď.

Niektoré tipy na optimalizáciu rozloženia pre návrhy SMPS zahŕňajú;

Chráňte uzly citlivé na šum pred hlučnými uzlami

To je možné dosiahnuť ich umiestnením čo najďalej od seba, aby sa zabránilo elektromagnetickému spojeniu medzi nimi. Niektoré príklady šumovo citlivých a hlučných uzlov sú uvedené v nasledujúcej tabuľke;

Hlučné uzly	Uzly citlivé na hluk
Tlmivky	Snímacie cesty
Prepnúť uzly	Kompenzačné siete
Vysoké kondenzátory dI / dt	Spätná väzba
FET	Riadiace obvody

Udržujte stopy pre uzly citlivé na hluk krátke

Medené stopy na DPS fungujú ako antény pre vyžarované EMI. Jedným z najlepších spôsobov, ako zabrániť stopám priamo pripojeným k uzlom citlivým na šum v získavaní vyžarovaného EMI, je udržiavať ich čo najkratšie presunutím komponentov, ku ktorým sú pripojené. byť pripojený, čo najbližšie. Napríklad dlhá stopa zo siete deliča odporov, ktorá sa napája na kolík spätnej väzby (FB), môže fungovať ako anténa a zachytávať okolo nej vyžarované EMI. Hluk privádzaný do kolíka spätnej väzby spôsobí ďalší šum na výstupe systému, čo spôsobí nestabilitu výkonu zariadenia.

Znížte kritickú (anténnu) oblasť slučky

Stopy / vodiče, ktoré prenášajú spínací priebeh, by mali byť čo najbližšie k sebe.

Vyžarované EMI je priamo úmerné veľkosti prúdu (I) a oblasti slučky (A), cez ktorú preteká, zmenšením plochy prúdu / napätia môžeme znížiť úroveň vyžarovaného EMI. Dobrým spôsobom, ako to urobiť pre elektrické vedenie, je položiť elektrické vedenie a spätnú cestu cez seba na susedné vrstvy DPS.

Minimalizujte túlavú indukčnosť

Impedancia drôtenej slučky (ktorá prispieva k vyžarovanému EMI, keďže je úmerná ploche), sa dá znížiť zväčšením veľkosti stôp (elektrického vedenia) na doske plošných spojov a ich smerovaním rovnobežne s ich spätnou cestou, aby sa znížila indukčnosť stôp..

Uzemnenie

Neprerušená základná rovina umiestnená na vonkajších plochách PCB poskytuje najkratšiu spätnú cestu pre EMI, najmä keď je priamo umiestnená pod zdrojom EMI, kde významne potlačuje vyžarované EMI. Pozemné lietadlá by však mohli byť problémom, ak povolíte prerezanie cez ne inými stopami. Odrezanie by mohlo zväčšiť efektívnu oblasť slučky a viesť k významným úrovniam EMI, pretože spätný prúd musí nájsť dlhšiu cestu, ako obísť rez, vrátiť sa k zdroju prúdu.

Filtre

Filtre EMI sú nevyhnutnosťou pre napájacie zdroje, najmä na zmiernenie vedeného EMI. Spravidla sú umiestnené na vstupe a / alebo výstupe napájacieho zdroja. Na vstupe pomáhajú filtrovať hluk z elektrickej siete a na výstupe, ktorý zabraňuje tomu, aby hluk z napájania ovplyvňoval zvyšok obvodu.

Pri navrhovaní filtrov EMI na zmiernenie EMI vedeného vedením je zvyčajne dôležité zaobchádzať s emisiou vedenou v bežnom režime oddelene od emisie v diferenciálnom režime, pretože parametre filtra, ktorým sa má riadiť, sa budú líšiť.

Pre EMI filtrovanie v diferenciálnom režime sú vstupné filtre zvyčajne tvorené elektrolytickými a keramickými kondenzátormi kombinovanými tak, aby účinne tlmili prúd diferenciálneho režimu pri nižšej základnej spínacej frekvencii a tiež pri vyšších harmonických frekvenciách. V situáciách, kde je potrebné ďalšie potlačenie, sa do série so vstupom pridáva tlmivka, aby sa vytvoril jednostupňový LC dolnopriepustný filter.

Pri spoločnom režime filtrovania EMI je možné filtráciu účinne dosiahnuť pripojením obtokových kondenzátorov medzi elektrické vedenia (vstupné aj výstupné) a zem. V situáciách, keď je potrebný ďalší útlm, je možné do série s elektrickým vedením pridať spojené tlmivky.

Pri výbere komponentov by návrhy filtrov mali vo všeobecnosti brať do úvahy najhoršie scenáre. Napríklad bežný režim EMI bude maximálny s vysokým vstupným napätím, zatiaľ čo diferenciálny režim EMI bude maximálny s nízkym napätím a prúdom vysokej záťaže.

Záver

Zohľadniť všetky vyššie spomenuté body pri navrhovaní spínaných zdrojov je zvyčajne výzva, je to skutočne jeden z dôvodov, prečo sa zmierňovanie elektromagnetického rušenia označuje ako „temné umenie“, ale keď si naň zvyknete, stávajú sa druhou prírodou.

Vďaka IoT a rôznym technologickým pokrokom je elektromagnetická kompatibilita a všeobecná schopnosť každého zariadenia správne fungovať za normálnych prevádzkových podmienok bez toho, aby to malo negatívny vplyv na činnosť iných zariadení v jeho tesnej blízkosti, ešte dôležitejšou než doteraz. Zariadenia nesmú byť citlivé na EMI z blízkych úmyselných alebo neúmyselných zdrojov a takisto nesmú súčasne vyžarovať (zámerne alebo neúmyselne) rušenie na úrovniach, ktoré by mohli viesť k poruche činnosti iných zariadení.

Z dôvodov súvisiacich s nákladmi je dôležité zvážiť EMC v ranej fáze návrhu SMPS. Je tiež dôležité vziať do úvahy, ako pripojenie napájacieho zdroja k hlavnému zariadeniu ovplyvňuje dynamiku EMI v obidvoch zariadeniach, pretože vo väčšine prípadov bude napájací zdroj certifikovaný spolu so zariadením ako jedna jednotka a hlavne v prípade zabudovaných SMPS bude vypadávať buď môže viesť k zlyhaniu.