Techniki projektowania redukcji emi w obwodach SMPS

W moim poprzednim artykule na temat EMI zbadaliśmy, w jaki sposób zamierzony / niezamierzony charakter źródeł EMI i jak wpływają one na działanie innych urządzeń elektrycznych / elektronicznych (ofiar) wokół nich. Po artykule pojawił się kolejny dotyczący kompatybilności elektromagnetycznej (EMC), który dostarczył wglądu w niebezpieczeństwa związane z EMI i przedstawił kontekst, w jaki sposób słabe uwzględnienie EMI może negatywnie wpłynąć na wydajność rynkową produktu, z powodu ograniczeń regulacyjnych lub awarii funkcjonalności.

Oba artykuły zawierają ogólne wskazówki dotyczące minimalizowania EMI (wychodzących lub przychodzących) w projektowaniu, ale w ciągu kilku następnych artykułów przyjrzymy się głębiej i zbadamy, jak zminimalizować EMI w niektórych jednostkach funkcjonalnych twojego produktu elektronicznego. Zaczniemy od zminimalizowania EMI w zasilaczach, ze szczególnym naciskiem na zasilacze impulsowe.

Zasilacz impulsowy to ogólny termin określający źródła zasilania AC-DC lub DC-DC, które wykorzystują obwody z szybkimi działaniami przełączającymi do transformacji / konwersji napięcia (obniżanie lub zwiększanie). Charakteryzują się wysoką wydajnością, niewielkimi rozmiarami i niskim poborem mocy, co sprawiło, że są wybierane jako źródło zasilania dla nowych urządzeń / produktów elektronicznych, mimo że są znacznie bardziej złożone i trudniejsze w projektowaniu w porównaniu do używanych be-popularne Zasilacze liniowe. Jednak poza złożonością konstrukcji, SMPS stanowi poważne zagrożenie generowaniem EMI ze względu na szybkie częstotliwości przełączania, które wykorzystują, aby osiągnąć wysoką sprawność, z której są znane.

Ponieważ każdego dnia opracowywanych jest coraz więcej urządzeń (potencjalnych ofiar / źródeł EMI), przezwyciężenie EMI staje się głównym wyzwaniem dla inżynierów, a osiągnięcie kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) staje się równie ważne, jak zapewnienie prawidłowego działania urządzenia.

W dzisiejszym artykule przyjrzymy się naturze i źródłom EMI w SMPS oraz zbadamy niektóre techniki / podejścia projektowe, które można zastosować w celu ich złagodzenia.

Źródła EMI w SMPS

Rozwiązanie każdego problemu związanego z EMI ogólnie wymaga zrozumienia źródła zakłóceń, ścieżki sprzężenia z innymi obwodami (ofiarami) oraz natury ofiary, na której działanie ma negatywny wpływ. Podczas opracowywania produktu zwykle prawie niemożliwe jest określenie wpływu EMI na potencjalne ofiary, w związku z czym działania kontrolne EMI są zwykle skoncentrowane na minimalizowaniu źródeł emisji (lub zmniejszaniu podatności) oraz eliminowaniu / ograniczaniu ścieżek sprzężenia.

Głównym źródłem zakłóceń elektromagnetycznych w zasilaczach SMPS jest ich nieodłączny charakter konstrukcyjny i charakterystyka przełączania. Podczas procesu konwersji z AC-DC lub DC-DC, elementy przełączające MOSFET w SMPS, włączające się lub wyłączające przy wysokich częstotliwościach, tworzą fałszywą falę sinusoidalną (prostokątną), którą można opisać szeregiem Fouriera jako sumowanie wielu fal sinusoidalnych o częstotliwościach powiązanych harmonicznie. To pełne spektrum harmonicznych Fouriera, wynikające z operacji przełączania, staje się EMI, które jest przesyłane z zasilacza do innych obwodów w urządzeniu oraz do pobliskich urządzeń elektronicznych, które są podatne na te częstotliwości.

Oprócz szumów z przełączania, innym źródłem EMI w SMPS są szybkie przejścia prądu (dI / dt) i napięcia (dV / dt) (które są również związane z przełączaniem). Zgodnie z równaniem Maxwella, te przemienne prądy i napięcia będą wytwarzać zmienne pole elektromagnetyczne, a podczas gdy wielkość pola zmniejsza się wraz z odległością, oddziałuje z częściami przewodzącymi (takimi jak ślady miedzi na PCB), które działają jak anteny i powodują dodatkowe szumy na liniach, co prowadzi do EMI.

Teraz EMI u źródła nie jest tak niebezpieczne (czasami), dopóki nie zostanie sprzężone z sąsiednimi obwodami lub urządzeniami (ofiarami), jako takie, eliminując / minimalizując potencjalne ścieżki sprzężenia, można ogólnie zmniejszyć EMI. Jak omówiono w artykule „Wprowadzenie do EMI”, sprzężenie EMI generalnie zachodzi poprzez; przewodzenie (za pośrednictwem niepożądanych / zmienionych ścieżek lub tak zwanych „obwodów ukrytych”), indukcję (sprzężenie przez elementy indukcyjne lub pojemnościowe, takie jak transformatory) i promieniowanie (drogą radiową).

Dzięki zrozumieniu tych ścieżek sprzężenia i ich wpływu na EMI w zasilaczach impulsowych, projektanci mogą tworzyć swoje systemy w taki sposób, aby zminimalizować wpływ ścieżki sprzężenia i zmniejszyć rozprzestrzenianie się zakłóceń.

Różne typy mechanizmów sprzęgania EMI

Omówimy każdy z mechanizmów sprzęgania w odniesieniu do SMPS i ustalimy elementy projektów SMPS, które powodują ich istnienie.

Promieniowane EMI w SMPS:

Sprzężenie promieniowane występuje, gdy źródło i receptor (ofiara) działają jak anteny radiowe. Źródło emituje falę elektromagnetyczną, która rozchodzi się po otwartej przestrzeni między źródłem a ofiarą. W SMPS propagacja promieniowania EMI jest zwykle związana z prądami przełączanymi o wysokim di / dt, wzmocnionymi przez istnienie pętli z szybkimi czasami narastania prądu z powodu złego układu projektowego i praktykami okablowania, które powodują indukcyjność upływu.

Rozważ poniższy obwód;

Szybka zmiana prądu w obwodzie powoduje powstanie zakłóconego napięcia (Vnoise) oprócz normalnego napięcia wyjściowego (Vmeas). Mechanizm sprzęgający jest podobny do działania transformatorów, tak że Vnoise jest określone równaniem;

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

Gdzie M / K jest współczynnikiem sprzężenia, który zależy od odległości, powierzchni i orientacji pętli magnetycznych oraz absorpcji magnetycznej między tymi pętlami - tak jak w transformatorze. W związku z tym w projektach / układach PCB ze słabym uwzględnieniem orientacji pętli i dużym obszarem pętli prądowej występuje zwykle wyższy poziom promieniowania EMI.

EMI przewodzone w SMPS:

Sprzężenie przewodzące występuje, gdy emisje EMI są przesyłane wzdłuż przewodów (przewodów, kabli, obudów i ścieżek miedzianych na PCB) łączących źródło EMI i odbiornik razem. EMI sprzężone w ten sposób jest powszechne w liniach zasilających i zwykle ciężkie w komponencie pola H.

Sprzężenie przewodzące w SMPS to przewodzenie w trybie wspólnym (interferencja pojawia się w fazie na linii + ve i GND) lub w trybie różnicowym (interferencja pojawia się poza fazą na dwóch przewodach).

Emisje przewodzone w trybie wspólnym są zwykle powodowane przez pasożytnicze pojemności, takie jak radiator i transformator, wraz z układem płytki, oraz przełączanie przebiegu napięcia na przełączniku.

Z drugiej strony, emisje przewodzone w trybie różnicowym są wynikiem operacji przełączania, która powoduje impulsy prądu na wejściu i tworzy skoki przełączania, które prowadzą do istnienia szumu różnicowego.

Indukcyjne EMI w SMPS:

Sprzężenie indukcyjne występuje, gdy występuje elektryczna (z powodu sprzężenia pojemnościowego) lub magnetyczna (ze względu na sprzężenie indukcyjne) EMI między źródłem a ofiarą. Sprzężenie elektryczne lub sprzężenie pojemnościowe występuje, gdy zmienne pole elektryczne istnieje między dwoma sąsiednimi przewodami, wywołując zmianę napięcia w szczelinie między nimi, podczas gdy sprzężenie magnetyczne lub sprzężenie indukcyjne występuje, gdy między dwoma równoległymi przewodami istnieje zmienne pole magnetyczne, powodując zmianę pod napięciem wzdłuż przewodu odbiorczego.

Podsumowując, podczas gdy głównym źródłem EMI w SMPS jest przełączanie wysokiej częstotliwości wraz z wynikającymi z tego szybkimi przejściami di / dt lub dv / dt, elementy umożliwiające propagację / rozprzestrzenianie się generowanego EMI do potencjalnych ofiar na tej samej płycie (lub systemy zewnętrzne) są czynnikami wynikającymi ze złego doboru komponentów, złego rozplanowania projektu i istnienia zbłąkanej indukcyjności / pojemności w ścieżkach prądowych.

Techniki projektowania w celu zmniejszenia EMI w SMPS

Przed przejściem przez tę sekcję warto przyjrzeć się normom i przepisom dotyczącym EMI / EMC, aby przypomnieć sobie, jakie są cele projektowe. Chociaż standardy różnią się w zależności od kraju / regionu, dwie najszerzej akceptowane, które dzięki harmonizacji są dopuszczalne do certyfikacji w większości regionów, obejmują; przepisy FCC EMI Control oraz CISPR 22 (trzecie wydanie Międzynarodowego Komitetu Specjalnego ds. Zakłóceń Radiowych (CISPR), Pub. 22). Skomplikowane szczegóły tych dwóch standardów zostały podsumowane w artykule dotyczącym standardu EMI, który omówiliśmy wcześniej.

Przejście procesów certyfikacji EMC lub po prostu upewnienie się, że Twoje urządzenia działają dobrze, gdy w pobliżu innych urządzeń wymagają utrzymania poziomów emisji poniżej wartości opisanych w normach.

Istnieje wiele podejść projektowych do łagodzenia EMI w SMPS i postaramy się je omówić jedno po drugim.

1. Idź liniowo

Szczerze mówiąc, jeśli Twoja aplikacja może sobie na to pozwolić (masywność i nieefektywny charakter), możesz zaoszczędzić sobie wielu stresów EMI związanych z zasilaniem, używając zasilacza liniowego. Nie generują znaczących EMI i nie będą kosztować tyle czasu i pieniędzy, aby je opracować. Ze względu na ich wydajność, nawet jeśli nie dorównuje ona SMPS, nadal można uzyskać rozsądne poziomy wydajności, stosując liniowe regulatory LDO.

2. Użyj modułów mocy

Przestrzeganie najlepszych praktyk w celu uzyskania dobrej wydajności EMI może czasami nie być wystarczająco dobre. W sytuacjach, w których wydaje się, że nie możesz znaleźć czasu lub innych zasobów, aby dostroić i uzyskać najlepsze wyniki EMI, jedną z metod, która zwykle działa, jest przejście na moduły zasilania.

Moduły mocy nie są doskonałe, ale jedna rzecz, którą robią dobrze, zapewnia, że ​​nie wpadniesz w pułapki zwykłych winowajców EMI, takich jak zły układ projektu i pasożytnicza indukcyjność / pojemność. Niektóre z najlepszych modułów mocy na rynku już teraz uwzględniają potrzebę przezwyciężenia EMI i są zaprojektowane tak, aby umożliwić rozwój szybkich i łatwych w obsłudze zasilaczy o dobrej wydajności EMI. Producenci tacy jak Murata, Recom, Mornsun itp. Mają szeroką gamę modułów SMPS, które już rozwiązują za nas problemy z EMI i EMC.

Na przykład, zwykle mają większość elementów, takich jak cewki indukcyjne, połączone wewnętrznie wewnątrz obudowy, w związku z czym wewnątrz modułu istnieje bardzo mały obszar pętli, a promieniowane EMI są zredukowane. Niektóre moduły posuwają się nawet do ekranowania cewek indukcyjnych i węzła przełącznika, aby zapobiec promieniowaniu EMI z cewki.

3. Ekranowanie

Mechanizm brutalnej siły służący do zmniejszania EMI ekranuje SMPS metalem. Osiąga się to poprzez umieszczenie źródeł generujących szum w zasilaczu, w uziemionej przewodzącej (metalowej) obudowie, przy czym jedynym interfejsem do obwodów zewnętrznych są wbudowane filtry.

Jednak ekranowanie powoduje dodatkowe koszty materiałów i rozmiaru PCB do projektu, jako takie może być złym pomysłem w przypadku projektów o niskich kosztach.

4. Optymalizacja układu

Układ projektu jest uważany za jedną z głównych kwestii ułatwiających rozprzestrzenianie się EMI w obwodzie. Dlatego jedną z szerokich, ogólnych technik zmniejszania EMI w SMPS jest Optymalizacja układu. Czasami jest to raczej niejednoznaczny termin, ponieważ może oznaczać różne rzeczy, począwszy od eliminacji pasożytniczych komponentów, po oddzielenie hałaśliwych węzłów od węzłów wrażliwych na hałas i zmniejszenie obszarów pętli prądowych itp.

Niektóre wskazówki dotyczące optymalizacji układu dla projektów SMPS obejmują;

Chroń węzły wrażliwe na hałas przed węzłami hałaśliwymi

Można to zrobić umieszczając je jak najdalej od siebie, aby zapobiec sprzężeniu elektromagnetycznemu między nimi. Niektóre przykłady węzłów wrażliwych na szum i hałaśliwych przedstawiono w poniższej tabeli;

Hałaśliwe węzły	Węzły wrażliwe na hałas
Cewki indukcyjne	Wyczuwanie ścieżek
Przełącz węzły	Sieci kompensacyjne
Kondensatory o wysokim dI / dt	Pin opinii
FET	Obwody sterujące

Śledzenie węzłów wrażliwych na hałas jest krótkie

Ścieżki miedziane na PCB działają jak anteny dla wypromieniowanych EMI, jako takie, jednym z najlepszych sposobów, aby zapobiec pobieraniu promieniowanych EMI przez ślady bezpośrednio podłączone do węzłów wrażliwych na szum, jest utrzymywanie ich tak krótkich, jak to możliwe, poprzez przesuwanie komponentów, do których są być podłączony, jak najbliżej. Na przykład długi ślad z sieci dzielnika rezystorowego, który jest podawany do styku sprzężenia zwrotnego (FB), może działać jako antena i wychwytywać promieniowane EMI wokół niego. Szum podawany na styk sprzężenia zwrotnego wprowadzi dodatkowe szumy na wyjściu systemu, powodując niestabilne działanie urządzenia.

Zmniejsz krytyczny obszar pętli (anteny)

Ślady / przewody, które przenoszą przebieg przełączania, powinny znajdować się jak najbliżej siebie.

Promieniowane EMI jest wprost proporcjonalne do wielkości prądu (I) i obszaru pętli (A), przez które przepływa, jako takie, zmniejszając obszar prądu / napięcia, możemy zmniejszyć poziom wypromieniowywanego EMI. Dobrym sposobem na zrobienie tego w przypadku linii energetycznych jest umieszczenie linii zasilającej i ścieżki powrotnej jeden na drugim na sąsiednich warstwach PCB.

Minimalizuj rozproszoną indukcyjność

Impedancję pętli drutu (która przyczynia się do wypromieniowywanego EMI jako jego proporcjonalnej do powierzchni) można zmniejszyć poprzez zwiększenie rozmiaru ścieżek (linii energetycznej) na PCB i poprowadzenie ich równolegle do ścieżki powrotnej, aby zmniejszyć indukcyjność ścieżek.

Grunt

Nieprzerwana płaszczyzna uziemienia znajdująca się na zewnętrznych powierzchniach PCB zapewnia najkrótszą drogę powrotną dla EMI, zwłaszcza gdy znajduje się bezpośrednio pod źródłem EMI, gdzie znacznie tłumi promieniowane EMI. Samoloty naziemne mogą jednak stanowić problem, jeśli pozwolisz na przecięcie ich innymi śladami. Cięcie może zwiększyć efektywny obszar pętli i doprowadzić do znacznych poziomów EMI, ponieważ prąd powrotny musi znaleźć dłuższą ścieżkę, aby obejść cięcie, aby powrócić do bieżącego źródła.

Filtry

Filtry EMI są niezbędne w przypadku zasilaczy, zwłaszcza w celu zmniejszenia zakłóceń EMI. Zwykle znajdują się na wejściu i / lub wyjściu zasilacza. Na wejściu pomagają filtrować szumy z sieci, a na wyjściu zapobiegają wpływaniu szumów z zasilania na resztę obwodu.

Przy projektowaniu filtrów EMI w celu złagodzenia przewodzonych EMI, zwykle ważne jest, aby traktować emisję przewodzoną w trybie wspólnym oddzielnie od emisji w trybie różnicowym, ponieważ parametry filtru do ich rozwiązania będą różne.

W przypadku filtrowania EMI przewodzonego w trybie różnicowym, filtry wejściowe są zwykle zbudowane z połączonych kondensatorów elektrolitycznych i ceramicznych, aby skutecznie tłumić prąd różnicowy przy niższej podstawowej częstotliwości przełączania, a także przy wyższych częstotliwościach harmonicznych. W sytuacjach, w których wymagane jest dalsze tłumienie, cewka indukcyjna jest dodawana szeregowo z wejściem, tworząc jednostopniowy filtr dolnoprzepustowy LC.

W przypadku filtrowania EMI przewodzonego w trybie wspólnym filtrowanie można skutecznie osiągnąć, podłączając kondensatory obejściowe między liniami zasilającymi (zarówno wejściowymi, jak i wyjściowymi) a masą. W sytuacjach, w których wymagane jest dalsze tłumienie, można dodać połączone cewki dławikowe szeregowo z liniami energetycznymi.

Ogólnie rzecz biorąc, projekty filtrów powinny uwzględniać najgorsze scenariusze przy wyborze komponentów. Na przykład, EMI w trybie wspólnym będzie maksymalne przy wysokim napięciu wejściowym, podczas gdy EMI w trybie różnicowym będzie maksymalne przy niskim napięciu i wysokim prądzie obciążenia.

Wniosek

Biorąc pod uwagę wszystkie wymienione powyżej punkty podczas projektowania zasilaczy impulsowych, jest to zwykle wyzwanie, w rzeczywistości jest to jeden z powodów, dla których ograniczanie zakłóceń elektromagnetycznych jest określane jako „mroczna sztuka”, ale gdy się do tego przyzwyczajasz, stają się one drugą naturą.

Dzięki IoT i różnym postępom technologicznym, kompatybilność elektromagnetyczna i ogólna zdolność każdego urządzenia do prawidłowego funkcjonowania w normalnych warunkach pracy, bez negatywnego wpływu na działanie innych urządzeń znajdujących się w jego bliskim sąsiedztwie, jest jeszcze ważniejsza niż dotychczas. Urządzenia nie mogą być podatne na EMI z pobliskich umyślnych lub niezamierzonych źródeł, a jednocześnie nie mogą emitować (celowo lub nieumyślnie) zakłóceń na poziomach, które mogłyby prowadzić do nieprawidłowego działania innych urządzeń.

Ze względów kosztowych ważne jest, aby wziąć pod uwagę kompatybilność elektromagnetyczną na wczesnym etapie projektowania SMPS. Ważne jest również, aby wziąć pod uwagę, jak podłączenie zasilacza do głównego urządzenia wpływa na dynamikę EMI w obu urządzeniach, ponieważ w większości przypadków, szczególnie w przypadku wbudowanego SMPS, zasilacz zostanie certyfikowany razem z urządzeniem jako jedna jednostka i wszelkie przerwy albo może doprowadzić do awarii.