Методи проектування для зменшення emi в схемах SMPS

У моїй попередній статті про ЕМІ ми розглядали, як навмисний / ненавмисний характер джерел ЕМІ та як вони впливають на роботу інших електричних / електронних пристроїв (жертв) навколо них. За цією статтею виникла інша стаття про електромагнітну сумісність (ЕМС), яка дала уявлення про небезпеку ЕМІ та запропонувала певний контекст того, як неякісне врахування ЕМІ може негативно вплинути на ринкові показники продукту, як із-за обмежень регулювання, так і через відмову функціональності.

Обидві статті містять широкі поради щодо мінімізації ЕМІ (вихідних чи вхідних) у дизайні, але протягом наступних кількох статей ми глибше заглибимось і розглянемо, як мінімізувати ЕМІ у певних функціональних одиницях вашого електронного продукту. Ми почнемо з мінімізації EMI в блоках живлення з особливим акцентом на джерела живлення в режимі перемикання.

Комутаційний режим Джерело живлення - загальний термін для джерел змінного / постійного струму або постійного струму, які використовують схеми швидкого перемикання для перетворення / перетворення напруги (зниження або підвищення). Вони характеризуються високою ефективністю, малим форм-фактором та низьким енергоспоживанням, що зробило їх джерелом живлення для вибору нового електронного обладнання / виробів, хоча вони значно складніші та складніші у проектуванні в порівнянні із звичними популярні лінійні блоки живлення. Однак, крім складності своїх конструкцій, SMPS представляє значну загрозу генерування електромагнітних сполук через швидкі частоти перемикання, які вони використовують, для досягнення високої ефективності, якою вони відомі.

Оскільки щодня розробляється все більше пристроїв (потенційних жертв / джерел ЕМІ), подолання ЕМІ стає головним викликом для інженерів, а досягнення електромагнітної сумісності (ЕМС) стає настільки ж важливим, як і забезпечення належної роботи пристрою.

У сьогоднішній статті ми розглянемо сутність та джерела ЕМІ в СМПС та розглянемо деякі техніки / підходи до проектування, які можуть бути використані для їх пом’якшення.

Джерела EMI в SMPS

Вирішення будь-якої проблеми ЕМІ, як правило, вимагає розуміння джерела перешкод, шляху зв'язку до інших ланцюгів (жертви) та природи жертви, дія якої негативно впливає. Під час розробки продукту, як правило, майже неможливо визначити вплив ЕМІ на потенційних жертв, оскільки, таким чином, зусилля з контролю ЕМІ, як правило, спрямовані на мінімізацію джерел викидів (або зменшення сприйнятливості) та усунення / зменшення шляхів сполучення.

Основним джерелом EMI в джерелах живлення SMPS можна відстежувати їх властивий характер конструкції та характеристики перемикання. Або під час процесу перетворення з постійного та постійного струму компоненти MOSFET-комутації в SMPS, вмикаючи або вимикаючи на високих частотах, створюють помилкову синусоїду (квадратну хвилю), яка може бути описана серією Фур'є як підсумовування багатьох синусоїд із гармонічно пов'язаними частотами. Цей повний спектр Фур'є гармонік, що виникає внаслідок дії перемикання, стає ЕМІ, що передається, від джерела живлення до інших ланцюгів пристрою та до прилеглих електронних пристроїв, сприйнятливих до цих частот.

Окрім шуму від комутації, іншим джерелом EMI в SMPS є переходи швидкого струму (dI / dt) та напруги (dV / dt) (які, також, також пов'язані з комутацією). Відповідно до рівняння Максвелла, ці змінні струми та напруги створюватимуть змінне електромагнітне поле, і хоча величина поля зменшується з відстанню, воно взаємодіє з провідними частинами (як мідні сліди на друкованій платі), які діють як антени і викликають додаткові шуми на лініях, що призводить до EMI.

Тепер ЕМІ у джерела не є настільки небезпечним (часом), поки він не з'єднаний з сусідніми ланцюгами або пристроями (жертвами), як такий, усуваючи / мінімізуючи потенційні шляхи з'єднання, ЕМІ, як правило, можна зменшити. Як обговорювалось у статті "Вступ до EMI", зв'язок EMI, як правило, відбувається через; провідність (через небажані / змінені шляхи або так звані «крадіжкові ланцюги»), індукцію (зв'язок індуктивними або ємнісними елементами, такими як трансформатори), і випромінювання (по повітрю).

Розуміючи ці шляхи з'єднання і те, як вони впливають на ЕМІ в джерелах живлення в режимі перемикання, конструктори можуть створити свої системи таким чином, щоб вплив шляху зв'язку був мінімізований і поширення перешкод зменшено.

Різні типи механізмів сполучення ЕМІ

Ми розглянемо кожен з механізмів зв’язку, пов’язаного із СМПС, та встановимо елементи конструкцій СМПС, що породжують їх існування.

Випромінюваний EMI в SMPS:

Випромінене зв’язок відбувається, коли джерело та рецептор (жертва) діють як радіоантени. Джерело випромінює електромагнітну хвилю, яка поширюється по простору між джерелом та жертвою. У SMPS випромінене ЕМІ поширення, як правило, пов'язане з комутованими струмами з великим ді / dt, що підсилюється існуванням петель із швидким часом наростання струму через погану конструкцію та практику проводки, що призводить до індуктивності витоків.

Розглянемо схему нижче;

Швидка зміна струму в ланцюзі призводить до шумної напруги (Vnoise) на додаток до вихідної напруги (Vmeas). Механізм зчеплення подібний до роботи трансформаторів, такий що Vnoise задається рівнянням;

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

Де M / K - коефіцієнт зв'язку, який залежить від відстані, площі та орієнтації магнітних петель та магнітного поглинання між цими циклами, як у трансформатора. Таким чином, у макетах дизайну / друкованої плати з поганим урахуванням орієнтації контуру та великою площею струмового контуру існує тенденція до вищого рівня випромінюваного ЕМІ.

Проведена ЕМІ в СМПС:

Провідна муфта виникає, коли випромінювання ЕМ проходить по провідниках (дроти, кабелі, корпуси та мідні сліди на друкованих платах), що з'єднують джерело ЕМІ та приймач разом. ЕМІ, зв'язані таким чином, є загальним для ліній електроживлення і зазвичай важким для компонента H-поля.

Провідна сполука в SMPS - це або провідність у звичайному режимі (перешкоди з'являються фазово на лінії + ve та GND) або диференціальний режим (перешкоди виникають поза фазою на двох провідниках).

Випромінювання, що проводяться в загальному режимі, зазвичай спричинені паразитними ємностями, такими як радіатор і трансформатор, а також компонування плати та перемикання сигналу напруги на комутаторі.

З іншого боку, диференціальні режими випромінювання є результатом комутаційної дії, яка спричиняє імпульси струму на вході та створює перемикання, що призводить до існування диференціального шуму.

Індуктивний EMI в SMPS:

Індуктивне зв’язування відбувається, коли між джерелом та жертвою існує електрична (через ємнісно-зв’язану) або магнітну (через індуктивно-зв’язану) ЕМІ-індукцію. Електричне зчеплення або ємнісне зчеплення виникає, коли між двома сусідніми провідниками існує різне електричне поле, що викликає зміну напруги на зазорі між ними, тоді як магнітне з’єднання або індуктивне з’єднання відбувається, коли між двома паралельними провідниками існує різне магнітне поле, індукуючи зміну по напрузі вздовж приймального провідника.

Підводячи підсумок, хоча основним джерелом EMI в SMPS є високочастотна комутаційна дія разом з результуючими швидкими перехідними процесами di / dt або dv / dt, засоби, що полегшують поширення / розповсюдження генерованого EMI до потенційних жертв на одній платі.

Методи проектування для зменшення EMI в ДЗПО

Перш ніж пройти цей розділ, може бути корисно поглянути на стандарти та правила навколо EMI / EMC, щоб отримати нагадування про те, які цілі проектування. Незважаючи на те, що стандарти різняться залежно від країни / регіону, два найбільш загальновизнані, які завдяки гармонізації є прийнятними для сертифікації в більшості регіонів; положення FCC EMI Control та CISPR 22 (третє видання Міжнародного спеціального комітету з питань радіоперешкод (CISPR), опубл. 22). Складні деталі цих двох стандартів були узагальнені у статті про стандарт EMI, яку ми обговорювали раніше.

Проходження процесів сертифікації EMC або просто забезпечення того, щоб ваші пристрої працювали добре, коли навколо інших пристроїв потрібно, щоб ви підтримували рівень викидів нижче значень, описаних у стандартах.

Існує чимало дизайнерських підходів для пом’якшення ЕМІ в СМПС, і ми спробуємо охопити їх один за одним.

1. Перейдіть Лінійно

Чесно кажучи, якщо ваша програма може собі це дозволити (громіздкість та неефективність), ви можете заощадити багато енергетичного напруження, пов'язаного з електроживленням, використовуючи лінійний блок живлення. Вони не генерують значних EMI і не витратять стільки часу та грошей на розробку. Для їх ефективності, навіть якщо вона може бути не на рівні з SMPS, ви все одно можете отримати розумні рівні ефективності, використовуючи LDO лінійні регулятори.

2. Використовуйте модулі живлення

Дотримання найкращих практик для отримання хороших показників ЕМІ може часом бути недостатньо хорошим. У тих ситуаціях, коли ви не можете знайти час чи інші ресурси, щоб налаштуватися і отримати найкращі результати ЕМІ, один із підходів, який зазвичай працює, - це перехід на модулі живлення.

Силові модулі не ідеальні, але одна річ, яку вони роблять, гарантує, що ви не потрапите в пастки звичних винуватців EMI, таких як погана конструкція та паразитна індуктивність / ємність. Деякі з найкращих силових модулів на ринку вже пояснюють необхідність подолання ЕМІ і розроблені, щоб зробити розробку швидких і простих джерел живлення з можливістю хороших показників ЕМІ. Такі виробники, як Murata, Recom, Mornsun та ін., Мають широкий спектр модулів SMPS, що вже піклується про проблеми EMI та EMC.

Наприклад, вони, як правило, мають більшість компонентів, таких як котушки індуктивності, підключені всередині всередині корпусу, тому в модулі існує дуже мала площа петлі, і випромінюваний ЕМІ зменшується. Деякі модулі сягають екранування індукторів та вузла перемикача, щоб запобігти випромінюванню ЕМІ від котушки.

3. Екранування

Механізм грубої сили для зменшення ЕМІ захищає ДЗЗВ металом. Це досягається за рахунок розміщення джерел шуму в джерелі живлення в заземленому провідниковому (металевому) корпусі, єдиним інтерфейсом до зовнішніх ланцюгів є вбудовані фільтри.

Однак екранування додає додаткових витрат на матеріали та розмір друкованої плати до проекту, як такий, це може бути поганою ідеєю для проектів із недорогими цілями.

4. Оптимізація макета

Схема конструкції розглядається як одна з головних проблем, що полегшують поширення ЕМІ по колу. Ось чому однією із загальних загальних методик зменшення EMI в SMPS є оптимізація макета. Іноді це досить неоднозначний термін, оскільки він може означати різні речі, починаючи від викорінення паразитарних компонентів і закінчуючи відокремленням галасливих вузлів від чутливих до шуму вузлів та зменшенням діапазону струму струму тощо.

Деякі поради щодо оптимізації макета для конструкцій SMPS включають;

Захистіть чутливі вузли від шумних вузлів

Це можна зробити, розташувавши їх якомога далі один від одного, щоб запобігти електромагнітному зчепленню між ними. Деякі приклади чутливих до шуму та шумних вузлів наведені в таблиці нижче;

Шумні вузли	Шумочутливі вузли
Індуктори	Зондування шляхів
Комутаційні вузли	Компенсаційні мережі
Конденсатори з високим ді / дт	Штифт зворотного зв'язку
Польові транзистори	Схеми управління

Зберігайте сліди для чутливих до шуму вузлів

Мідні сліди на друкованій платі виступають антенами для випроміненого ЕМІ, як один, одним із найкращих способів запобігти слідам, безпосередньо підключеним до чутливих до шуму вузлів, набувати випромінюваного ЕМІ, шляхом утримання їх якомога коротшим шляхом переміщення компонентів, до яких вони бути підключеним, якомога ближче. Наприклад, довгий слід від мережі резисторних дільників, що подається в штифт зворотного зв'язку (FB), може виконувати роль антени і приймати випромінюваний ЕМІ навколо неї. Шум, який подається на штифт зворотного зв'язку, буде додавати додатковий шум на виході системи, роблячи продуктивність пристрою нестабільною.

Зменшити критичну (антену) площу петлі

Сліди / дроти, що несуть форму сигналу, що перемикається, повинні бути якомога ближче один до одного.

Випромінюваний ЕМІ прямо пропорційний величині струму (I) та площі петлі (А), через яку він протікає, як такий, зменшуючи площу струму / напруги, ми можемо зменшити рівень випромінюваного ЕМІ. Хорошим способом зробити це для ліній електропередач є розміщення силової лінії та зворотного шляху один над одним на сусідніх шарах друкованої плати.

Мінімізуйте блукаючу індуктивність

Імпеданс дротяної петлі (що сприяє випромінюванню ЕМВ, пропорційно площі) можна зменшити, збільшивши розмір доріжок (силової лінії) на друкованій платі та проклавши її паралельно зворотному шляху для зменшення індуктивності доріжок.

Заземлення

Непошкоджена заземлена площина, розташована на зовнішніх поверхнях друкованої плати, забезпечує найкоротший шлях повернення для ЕМІ, особливо коли вона знаходиться безпосередньо під джерелом ЕМІ, де вона значно пригнічує випромінюваний ЕМІ. Однак наземні літаки можуть бути проблемою, якщо дозволити прорізати їх іншими слідами. Розріз може збільшити ефективну площу петлі та призвести до значних рівнів ЕМІ, оскільки зворотний струм повинен знайти довший шлях, щоб обійти виріз, щоб повернутися до джерела струму.

Фільтри

Фільтри EMI є необхідними для джерел живлення, особливо для пом'якшення проведених EMI. Зазвичай вони розташовані на вході та / або виході джерела живлення. На вході вони допомагають фільтрувати шум від мережі, а на виході він запобігає впливу шуму від джерела живлення на решту ланцюга.

При розробці EMI-фільтрів для пом'якшення проведених EMI, як правило, важливо трактувати загальномодовий випромінювання окремо від випромінювання диференціального режиму, оскільки параметри фільтра для їх адресування будуть різними.

Для фільтрації ЕМІ в диференціальному режимі вхідні фільтри, як правило, складаються з електролітичних та керамічних конденсаторів, об'єднаних для ефективного ослаблення струму диференціального режиму на нижчій основній частоті комутації, а також на більш високих гармонічних частотах. У ситуаціях, коли потрібне подальше придушення, послідовно з входом додається індуктор, щоб сформувати одноступеневий LC-фільтр низьких частот.

Для загальнорежимного фільтра EMI фільтрація може бути ефективно досягнута шляхом підключення байпасних конденсаторів між лініями електропередач (як вхідними, так і вихідними) та землею. У ситуаціях, коли необхідне подальше ослаблення, індуктори дроселя, що з'єднані, можуть бути додані послідовно до ліній електропередач.

Як правило, конструкції фільтрів повинні враховувати найгірші сценарії при виборі компонентів. Наприклад, EMI загального режиму буде максимальним при високій вхідній напрузі, тоді як диференціальний EMI буде максимальним при низькій напрузі та сильному струмі навантаження.

Висновок

Врахування всіх вищезазначених пунктів під час проектування імпульсних джерел живлення, як правило, є проблемою, це фактично одна з причин, чому пом'якшення ЕМІ називають "темним мистецтвом", але коли ви звикаєте до цього, вони стають другою природою.

Завдяки IoT та різним технологічним досягненням електромагнітна сумісність та загальна здатність кожного пристрою нормально функціонувати в нормальних робочих умовах, не негативно впливаючи на роботу інших пристроїв у його безпосередній близькості, навіть важливіші, ніж раніше. Пристрої не повинні бути сприйнятливими до ЕМІ із сусідніх навмисних чи ненавмисних джерел, і вони не повинні одночасно випромінювати (навмисно чи ненавмисно) перешкоди на рівнях, які можуть призвести до несправності інших пристроїв.

З причин, пов'язаних із витратами, важливо враховувати ЕМС на ранній стадії проектування СМПС. Важливо також врахувати, як підключення джерела живлення до основного пристрою впливає на динаміку ЕМІ в обох пристроях, оскільки в більшості випадків, особливо для вбудованих SMPS, джерело живлення буде сертифіковано разом із пристроєм як один блок та будь-які провали в будь-яке може призвести до невдачі.