Návrhové techniky pro snižování emi v SMPS obvodech

V mém předchozím článku o EMI jsme zkoumali, jak úmyslná / neúmyslná povaha zdrojů EMI a jak ovlivňují výkon ostatních elektrických / elektronických zařízení (obětí) kolem nich. Na tento článek navázal další článek o elektromagnetické kompatibilitě (EMC), který poskytl informace o nebezpečích EMI a nabídl určité souvislosti toho, jak špatná úvaha o EMI může negativně ovlivnit tržní výkon produktu, a to buď z důvodu omezení regulace nebo selhání funkce.

Oba články obsahují široké tipy pro minimalizaci EMI (odchozí nebo příchozí) v designu, ale v následujících několika článcích se ponoříme hlouběji a prozkoumáme, jak minimalizovat EMI v určitých funkčních jednotkách vašeho elektronického produktu. Začneme tím, že minimalizujeme EMI v napájecích zdrojích se zvláštním zaměřením na spínané napájecí zdroje.

Spínaný napájecí zdroj je obecný termín pro napájecí zdroje AC-DC nebo DC-DC, které používají obvody s rychlými spínacími akcemi pro transformaci / konverzi napětí (buck nebo boost). Vyznačují se vysokou účinností, malým tvarovým faktorem a nízkou spotřebou energie, díky čemuž jsou zdrojem napájení pro nová elektronická zařízení / výrobky, i když jsou ve srovnání se zvyklostmi na výrobu podstatně složitější a obtížnější. oblíbené lineární napájecí zdroje. Kromě složitosti svých návrhů však SMPS představuje významnou hrozbu generování EMI kvůli rychlým spínacím frekvencím, které používají, aby dosáhly vysoké účinnosti, pro kterou jsou známy.

Vzhledem k tomu, že se každý den vyvíjí více zařízení (potenciálních obětí / zdrojů EMI), stává se překonání EMI pro inženýry velkou výzvou a dosažení elektromagnetické kompatibility (EMC) se stává stejně důležitým jako správné fungování zařízení.

V dnešním článku se podíváme na povahu a zdroje EMI v SMPS a prozkoumáme některé konstrukční techniky / přístupy, které lze použít při jejich zmírňování.

Zdroje EMI v SMPS

Řešení jakéhokoli problému s EMI obecně vyžaduje porozumění zdroji rušení, spojovací cestě k jiným obvodům (obětem) a povaze oběti, jejíž výkon je negativně ovlivněn. Během vývoje produktu je obvykle téměř nemožné určit dopad EMI na potenciální oběti, proto se snahy o kontrolu EMI obvykle zaměřují na minimalizaci zdrojů emisí (nebo na snížení citlivosti) a na eliminaci / snížení spojovacích cest.

Hlavním zdrojem EMI v napájecích zdrojích SMPS lze vysledovat jejich inherentní konstrukční povahu a spínací charakteristiky. Během procesu převodu z AC-DC nebo DC-DC vytvářejí spínací komponenty MOSFET v SMPS, které se zapínají nebo vypínají při vysokých frekvencích, falešnou sinusovou vlnu (čtvercovou vlnu), kterou lze popsat Fourierovou řadou jako součet mnoha sinusových vln s harmonicky souvisejícími frekvencemi. Toto celé Fourierovo spektrum harmonických, které je výsledkem spínací akce, se stává přenášeným EMI ze zdroje napájení do dalších obvodů v zařízení a do blízkých elektronických zařízení, která jsou citlivá na tyto frekvence.

Kromě šumu při přepínání je dalším zdrojem EMI v SMPS přechod rychlého proudu (dI / dt) a napětí (dV / dt) (který také souvisí s přepínáním). Podle Maxwellovy rovnice budou tyto střídavé proudy a napětí vytvářet střídavé elektromagnetické pole, a zatímco velikost pole klesá se vzdáleností, interaguje s vodivými částmi (jako jsou měděné stopy na desce plošných spojů), které fungují jako antény a způsobují další šum na vedeních, což vede k EMI.

Nyní není EMI u zdroje (občas) tak nebezpečný, dokud není spojen se sousedními obvody nebo zařízeními (oběťmi), takže eliminováním / minimalizací potenciálních vazebných cest lze EMI obecně snížit. Jak je popsáno v článku „Úvod do EMI“, k propojení EMI obvykle dochází prostřednictvím; vedení (přes nechtěné / opakované cesty nebo tzv. „plíživé obvody“), indukce (spojení indukčními nebo kapacitními prvky, jako jsou transformátory), a záření (vzduchem).

Pochopením těchto vazebních drah a toho, jak ovlivňují EMI v spínaných napájecích zdrojích, mohou návrháři vytvářet své systémy tak, aby byl minimalizován vliv vazební cesty a sníženo šíření rušení.

Různé typy vazebních mechanismů EMI

Projdeme každý spojovací mechanismus související s SMPS a stanovíme prvky návrhů SMPS, které vedou k jejich existenci.

Vyzařované EMI v SMPS:

Vyzařovaná vazba nastává, když zdroj a receptor (oběť) fungují jako rádiové antény. Zdroj vyzařuje elektromagnetické vlnění, které se šíří po otevřeném prostoru mezi zdrojem a obětí. V SMPS je šíření vyzařovaného EMI obvykle spojeno se spínanými proudy s vysokou di / dt, posílenou existencí smyček s rychlou dobou náběhu proudu v důsledku špatného uspořádání konstrukce a postupy zapojení, které vedou k únikové indukčnosti.

Zvažte obvod níže;

Rychlá změna proudu v obvodu vede kromě normálního napěťového výstupu (Vmeas) k vzniku hlučného napětí (Vnoise). Spojovací mechanismus je podobný činnosti transformátorů, takže Vnoise je dán rovnicí;

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

Kde M / K je vazebný faktor, který závisí na vzdálenosti, ploše a orientaci magnetických smyček a magnetické absorpce mezi dotyčnými smyčkami - stejně jako v transformátoru. V rozvržení designu / desky plošných spojů se špatnou orientací smyčky a velkou oblastí proudové smyčky tedy bývá vyšší úroveň vyzařovaného EMI.

Vedené EMI v SMPS:

K propojení vedení dochází, když jsou emise EMI přenášeny podél vodičů (dráty, kabely, kryty a měděné stopy na deskách plošných spojů) spojujících zdroj EMI a přijímač dohromady. EMI spojené tímto způsobem je běžné na napájecích vedeních a obvykle těžké na komponentě H-pole.

Vodivé propojení v SMPS je buď vedení v běžném režimu (rušení se objevuje ve fázi na vedení + ve a GND) nebo diferenciální režim (rušení se objevuje mimo fázi na dvou vodičích).

Společné emise prováděné v běžném režimu jsou obvykle způsobeny parazitními kapacitami, jako jsou chladič a transformátor, spolu s uspořádáním desky a křivkou spínacího napětí přes spínač.

Emise prováděné v diferenciálním režimu jsou naproti tomu výsledkem spínací akce, která způsobuje proudové pulsy na vstupu a vytváří spínací hroty, které vedou k existenci diferenciálního šumu.

Indukční EMI v SMPS:

Indukční vazba nastává, když existuje elektrická (kvůli kapacitně vázané) nebo magnetická (kvůli indukčně vázané) indukci EMI mezi zdrojem a obětí. K elektrické vazbě nebo kapacitní vazbě dochází, když mezi dvěma sousedními vodiči existuje měnící se elektrické pole, které indukuje změnu napětí přes mezeru mezi nimi, zatímco magnetická vazba nebo indukční vazba nastává, když existuje měnící se magnetické pole mezi dvěma paralelními vodiči, což vyvolává změnu v napětí podél přijímacího vodiče.

Stručně řečeno, zatímco hlavním zdrojem EMI v SMPS je vysokofrekvenční přepínací akce spolu s výslednými rychlými přechodovými di / dt nebo dv / dt, aktivátory, které usnadňují šíření / šíření generovaného EMI potenciálním obětem na stejné desce (nebo externí systémy) jsou faktory, které jsou výsledkem špatného výběru komponent, špatného uspořádání návrhu a existence rozptýlené indukčnosti / kapacity v proudových drahách.

Návrhové techniky pro snížení EMI v SMPS

Než projdete touto částí, může být užitečné se podívat na standardy a předpisy týkající se EMI / EMC, abyste si připomněli, jaké jsou cíle návrhu. Přestože se standardy mezi zeměmi / regiony liší, patří mezi nejuznávanější dva, které jsou díky harmonizaci přijatelné pro certifikaci ve většině regionů; předpisy FCC EMI Control a CISPR 22 (třetí vydání Mezinárodního zvláštního výboru pro rádiové rušení (CISPR), pub. 22). Složité podrobnosti o těchto dvou standardech byly shrnuty v článku o standardu EMI, o kterém jsme diskutovali dříve.

Předávání EMC certifikačních procesů nebo jen zajištění toho, aby vaše zařízení fungovala dobře i v případě jiných zařízení, vyžaduje, abyste udrželi své úrovně emisí pod hodnotami popsanými v normách.

Pro zmírnění EMI v SMPS existuje celá řada návrhových přístupů a pokusíme se je pokrýt jeden po druhém.

1. Jděte lineárně

Upřímně řečeno, pokud si to vaše aplikace může dovolit (objemnost a neúčinnost), můžete si ušetřit spoustu stresu EMI souvisejícího s napájením pomocí lineárního zdroje napájení. Nevytvářejí významné EMI a jejich vývoj nebude stát tolik času a peněz. Pro jejich účinnost, i když to nemusí být na stejné úrovni jako SMPS, můžete stále dosáhnout rozumné úrovně účinnosti pomocí lineárních regulátorů LDO.

2. Použijte napájecí moduly

Dodržování osvědčených postupů pro získání dobrého výkonu EMI nemusí být občas dost dobré. V situacích, kdy nemůžete najít čas nebo jiné zdroje pro vyladění a získání nejlepších výsledků EMI, je jedním z přístupů, které obvykle fungují, přechod na napájecí moduly.

Napájecí moduly nejsou dokonalé, ale jedna věc, kterou dělají dobře, zajišťuje, že nespadnete do pasti obvyklých viníků EMI, jako je špatné rozložení designu a parazitní indukčnost / kapacita. Některé z nejlepších výkonových modulů na trhu již zohledňují potřebu překonat EMI a jsou navrženy tak, aby umožňovaly vývoj rychlých a snadných napájecích zdrojů s dobrým výkonem EMI. Výrobci jako Murata, Recom, Mornsun atd. Mají širokou škálu modulů SMPS, které se již o nás starají o problémy EMI a EMC.

Například obvykle mají většinu komponent, jako jsou induktory, připojených interně uvnitř balíčku, takže uvnitř modulu existuje velmi malá oblast smyčky a vyzařované EMI je sníženo. Některé moduly jdou tak daleko, že stíní induktory a spínací uzel, aby zabránily vyzařovanému EMI z cívky.

3. Stínění

Mechanismem hrubé síly pro snížení EMI je stínění SMPS kovem. Toho je dosaženo umístěním zdrojů generujících šum v napájecím zdroji v uzemněném vodivém (kovovém) krytu, přičemž jediné rozhraní k externím obvodům je prostřednictvím filtrů v potrubí.

Stínění však zvyšuje náklady na materiál a velikost desky plošných spojů jako takové, což může být špatný nápad pro projekty s nízkými náklady.

4. Optimalizace rozložení

Návrhové rozvržení je považováno za jeden z hlavních problémů, které usnadňují šíření EMI napříč obvodem. To je důvod, proč je jednou z obecných obecných technik snižování EMI v SMPS optimalizace rozložení. Je to někdy poměrně nejednoznačný pojem, protože by to mohlo znamenat různé věci, od vymýcení parazitických komponentů po oddělení hlučných uzlů od uzlů citlivých na hluk a zmenšení oblastí proudové smyčky atd.

Některé tipy pro optimalizaci rozvržení návrhů SMPS zahrnují;

Chraňte uzly citlivé na hluk před hlučnými uzly

Toho lze dosáhnout jejich umístěním co nejdále od sebe, aby se zabránilo elektromagnetickému propojení mezi nimi. Některé příklady uzlů citlivých na hluk a šumu jsou uvedeny v následující tabulce;

Hlučné uzly	Uzly citlivé na hluk
Induktory	Snímací cesty
Přepnout uzly	Kompenzační sítě
Kondenzátory s vysokým dI / dt	Pin zpětné vazby
FET	Řídicí obvody

Udržujte stopy pro uzly citlivé na hluk krátké

Měděné stopy na desce plošných spojů fungují jako antény pro vyzařované EMI, jako jeden z nejlepších způsobů, jak zabránit stopám přímo připojeným k uzlům citlivým na šum v získávání vyzařovaného EMI, je udržovat je co nejkratší pohybem komponent, ke kterým jsou k připojení, co nejblíže. Například dlouhá stopa ze sítě děliče rezistorů, která se napájí do kolíku zpětné vazby (FB), může fungovat jako anténa a zachytit kolem ní vyzařované EMI. Hluk přiváděný do kolíku zpětné vazby způsobí další šum na výstupu systému, což způsobí nestabilitu výkonu zařízení.

Snižte kritickou (anténní) smyčku

Stopy / dráty, které nesou spínací křivku, by měly být co nejblíže k sobě.

Vyzařované EMI je přímo úměrné velikosti proudu (I) a oblasti smyčky (A), kterou protéká, zmenšením oblasti proudu / napětí můžeme snížit úroveň vyzařovaného EMI. Dobrým způsobem, jak to udělat pro elektrické vedení, je umístit vedení a zpátečku přes sebe na sousední vrstvy desky plošných spojů.

Minimalizujte zbloudilou indukčnost

Impedanci drátové smyčky (která přispívá k vyzařovanému EMI úměrně k ploše) lze snížit zvětšením velikosti stop (powerline) na desce plošných spojů a jejich směrováním rovnoběžně s jeho zpětnou cestou ke snížení indukčnosti stop.

Základy

Nepřerušovaná zemní rovina umístěná na vnějších plochách desky plošných spojů poskytuje nejkratší zpáteční cestu pro EMI, zvláště když je přímo umístěna pod zdrojem EMI, kde významně potlačuje vyzařované EMI. Pozemní letadla by však mohla být problémem, pokud je necháte proříznout jinými stopami. Řez by mohl zvýšit efektivní oblast smyčky a vést k významným úrovním EMI, protože zpětný proud musí najít delší cestu, jak obejít řez, vrátit se k aktuálnímu zdroji.

Filtry

Filtry EMI jsou nutností pro napájecí zdroje, zejména pro zmírnění prováděného EMI. Obvykle jsou umístěny na vstupu a / nebo výstupu napájecího zdroje. Na vstupu pomáhají filtrovat hluk ze sítě a na výstupu, čímž brání tomu, aby hluk ze zdroje ovlivňoval zbytek obvodu.

Při návrhu filtrů EMI ke zmírnění prováděného EMI je obvykle důležité zacházet s emisemi prováděnými v běžném režimu odděleně od emisí v diferenciálním režimu, protože parametry filtru pro jejich řešení se budou lišit.

U filtrování EMI prováděného v diferenciálním režimu jsou vstupní filtry obvykle tvořeny elektrolytickými a keramickými kondenzátory, které kombinují, aby účinně tlumily proud diferenciálního režimu při nižší základní spínací frekvenci a také při vyšších harmonických frekvencích. V situacích, kdy je vyžadováno další potlačení, je do série přidán induktor se vstupem pro vytvoření jednostupňového LC low pass filtru.

U filtrování EMI prováděného v běžném režimu lze filtrování efektivně dosáhnout připojením obtokových kondenzátorů mezi napájecí vedení (vstupní i výstupní) a zem. V situacích, kdy je vyžadován další útlum, mohou být do vedení přidány sdružené tlumivky.

Obecně by návrhy filtrů měly při výběru komponent zohlednit nejhorší scénáře. Například EMI v běžném režimu bude maximální s vysokým vstupním napětím, zatímco EMI v diferenciálním režimu bude maximální s nízkým napětím a proudem vysoké zátěže.

Závěr

Zohlednění všech výše zmíněných bodů při navrhování spínaných napájecích zdrojů je obvykle výzvou, je to vlastně jeden z důvodů, proč se zmírňování EMI označuje jako „temné umění“, ale jak si na něj zvyknete, stávají se druhou přirozeností.

Díky IoT a různým technologickým pokrokům je elektromagnetická kompatibilita a obecná schopnost každého zařízení správně fungovat za normálních provozních podmínek, aniž by to negativně ovlivnilo provoz dalších zařízení v jeho těsné blízkosti, ještě důležitější než dříve. Zařízení nesmí být citlivá na EMI z blízkých úmyslných nebo neúmyslných zdrojů a také nesmí současně vyzařovat (úmyslně či neúmyslně) interference na úrovních, které by mohly vést k nefunkčnosti jiných zařízení.

Z důvodů souvisejících s náklady je důležité zvážit EMC v rané fázi návrhu SMPS. Je také důležité vzít v úvahu, jak připojení napájecího zdroje k hlavnímu zařízení ovlivňuje dynamiku EMI v obou zařízeních, protože ve většině případů bude napájecí zdroj certifikován společně se zařízením jako jedna jednotka a zejména v případě zabudovaných SMPS buď by to mohlo vést k neúspěchu.