Designteknikker for å redusere emi i smps-kretser

I min forrige artikkel om EMI undersøkte vi hvordan den bevisste / utilsiktede naturen til EMI-kilder og hvordan de påvirker ytelsen til andre elektriske / elektroniske enheter (ofre) rundt dem. Artikkelen ble fulgt av en annen om elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) som ga innsikt i farene ved EMI og ga en viss kontekst til hvordan dårlig EMI-vurdering kunne påvirke produktets markedsytelse negativt, enten på grunn av reguleringstap eller funksjonsfeil.

Begge artiklene inneholder brede tips for å minimere EMI (utgående eller innkommende) i design, men i løpet av de neste par artiklene vil vi ta et dypere dykk og undersøke hvordan vi kan minimere EMI i visse funksjonelle enheter av det elektroniske produktet ditt. Vi vil sette i gang ting med å minimere EMI i strømforsyningsenheter med spesifikt fokus på brytermodus strømforsyninger.

Switch Mode Strømforsyning er en generisk betegnelse for AC-DC eller DC-DC strømkilder som bruker kretser med raske koblingshandlinger for spenningstransformasjon / konvertering (bukk eller boost). De er preget av høy effektivitet, liten formfaktor og lavt strømforbruk, noe som har gjort dem til den valgte strømforsyningen for nytt elektronisk utstyr / produkter, selv om de er betydelig mer komplekse og vanskelige å designe sammenlignet med brukt til- bli populære lineære strømforsyninger. Men utover kompleksiteten i designene, presenterer SMPS en betydelig EMI-generasjonstrussel på grunn av de raske byttefrekvensene de bruker, for å oppnå den høye effektiviteten de er kjent for.

Med flere enheter (potensielle EMI-ofre / kilde) som utvikles hver dag, blir det å overvinne EMI en stor utfordring for ingeniører, og å oppnå elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) blir like viktig som å få enheten til å fungere riktig.

For dagens artikkel vil vi se på naturen og kildene til EMI i SMPS, og undersøke noen designteknikker / tilnærminger som kan brukes til å dempe dem.

Kilder til EMI i SMPS

Å løse ethvert EMI-problem krever generelt en forståelse av kilden til forstyrrelser, koblingsveien til andre kretser (ofre) og arten til offeret hvis ytelse påvirkes negativt. Under produktutvikling er det vanligvis nesten umulig å bestemme virkningen av EMI på potensielle ofre, som sådan er EMI-kontrollinnsats vanligvis fokusert på å minimere utslippskilder (eller redusere følsomhet), og eliminere / redusere koblingsveier.

Den viktigste kilden til EMI i SMPS-strømforsyninger kan spores til deres iboende designkarakter og bytteegenskaper. Enten under prosessen med konvertering fra AC-DC eller DC-DC, skaper MOSFET-koblingskomponentene i SMPS, som slås av eller på ved høye frekvenser, en falsk sinusbølge (firkantbølge), som kan beskrives av en Fourier-serie som summering av mange sinusbølger med harmonisk relaterte frekvenser. Dette fulle Fourier-spekteret av harmoniske, som skyldes koblingshandling, blir EMI som overføres, fra strømforsyningen til andre kretser i enheten, og til elektroniske enheter i nærheten som er utsatt for disse frekvensene.

Bortsett fra støy fra bytte, er en annen kilde til EMI i SMPS hurtigstrøm (dI / dt) og spenning (dV / dt) overganger (som også er relatert til bytte). I følge Maxwells ligning vil disse vekselstrømmene og spenningene produsere et alternerende elektromagnetisk felt, og mens feltets styrke reduseres med avstand, samhandler det med ledende deler (som kobberspor på kretskortet) som fungerer som antenner og forårsaker ekstra støy på linjene, som fører til EMI.

Nå er EMI ved kilden ikke så farlig (til tider) før den er koblet til nabokretser eller enheter (ofre), som sådan, ved å eliminere / minimere de potensielle koblingsbanene, kan EMI generelt reduseres. Som diskutert i artikkelen "Introduksjon til EMI", skjer EMI-kobling generelt gjennom; ledning (via uønskede / repurposed baner eller såkalte "sneak circuits"), induksjon (kobling med induktive eller kapasitive elementer som transformatorer) og stråling (over-the-air).

Ved å forstå disse koblingsbanene og hvordan de påvirker EMI i strømforsyninger i brytermodus, kan designere lage sine systemer på en slik måte at påvirkningen fra koblingsbanen minimeres og spredningen av interferensen reduseres.

Ulike typer EMI-koblingsmekanismer

Vi vil gå gjennom hver av koblingsmekanismene som er relatert til SMPS og etablere elementene i SMPS-design som gir opphav til deres eksistens.

Strålt EMI i SMPS:

Strålt kobling oppstår når kilden og reseptoren (offeret) fungerer som radioantenner. Kilden utstråler en elektromagnetisk bølge som forplanter seg over det åpne rommet mellom kilden og offeret. I SMPS er utstrålt EMI-forplantning vanligvis assosiert med svitsjede strømmer med høy di / dt, forsterket av tilstedeværelsen av sløyfer med rask strømstigningstid på grunn av dårlig designoppsett, og ledningsføringsmetoder som gir opphav til lekkasjonsinduktans.

Tenk på kretsen nedenfor;

Den raske strømendringen i kretsen gir opphav til en støyende spenning (Vnoise) i tillegg til den normale spenningsutgangen (Vmeas). Koblingsmekanismen er lik driften av transformatorer slik at Vnoise er gitt av ligningen;

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

Der M / K er koblingsfaktoren som avhenger av avstanden, arealet og retningen til magnetløkkene, og magnetisk absorpsjon mellom de aktuelle løkkene - akkurat som i en transformator. Således har det en tendens til å være et høyere nivå av utstrålt EMI i design / PCB-oppsett med dårlig sløyfeorientering og stort strømsløyfeareal.

Gjennomført EMI i SMPS:

Ledningskobling oppstår når EMI-utslipp føres langs ledere (ledninger, kabler, kapslinger og kobberspor på PCB) som forbinder kilden til EMI og mottakeren. EMI koblet på denne måten er vanlig på strømforsyningslinjene og vanligvis tung på H-feltkomponenten.

Ledningskobling i SMPS er enten ledning i Common Mode (interferensen vises i fase på + ve- og GND-linjen) eller Differensial Mode (interferensen ser ut av fase på to ledere).

Vanlige modusutførte utslipp er vanligvis forårsaket av parasittiske kapasitanser som de til kjøleribben og transformatoren sammen med brettoppsettet, og bytte spenningsbølgeform over bryteren.

Differensialmodus ledede utslipp er derimot et resultat av byttehandlingen som forårsaker strømimpulser ved inngangen og skaper koblingspigger som fører til eksistensen av differensialstøy.

Induktiv EMI i SMPS:

Induktiv kobling oppstår når det er en elektrisk (på grunn av en kapasitivt koblet) eller magnetisk (på grunn av en induktivt koblet) EMI-induksjon mellom kilden og offeret. Elektrisk kobling eller kapasitiv kobling oppstår når et varierende elektrisk felt eksisterer mellom to tilstøtende ledere, noe som induserer en endring i spenningen over gapet mellom dem, mens en magnetisk kobling eller induktiv kobling oppstår når et varierende magnetfelt eksisterer mellom to parallelle ledere, som induserer en endring i spenning langs mottakerlederen.

Oppsummert, mens den viktigste kilden til EMI i SMPS er den høyfrekvente byttehandlingen sammen med de resulterende raske di / dt- eller dv / dt-transientene, aktiverer de som muliggjør forplantning / spredning av den genererte EMI til potensielle ofre på samme tavle. (eller eksterne systemer) er faktorer som skyldes dårlig komponentvalg, dårlig designoppsett og eksistensen av svindelinduktans / kapasitans i nåværende baner.

Designteknikker for å redusere EMI i SMPS

Før du går gjennom denne delen, kan det være givende å ta en titt på standardene og forskriftene rundt EMI / EMC for å få en påminnelse om hva designmålene er. Selv om standardene varierer mellom land / regioner, er de to mest aksepterte, som takket være harmonisering, akseptable for sertifisering i de fleste regioner; FCC EMI Control-regelverket og CISPR 22 (tredje utgave av International Special Committee on Radio Interference (CISPR), Pub. 22). Intrikate detaljer om disse to standardene ble oppsummert i EMI-standardartikkelen som vi diskuterte tidligere.

Å bestå EMC-sertifiseringsprosesser eller bare sikre at enhetene dine fungerer bra når det gjelder andre enheter, krever at du holder utslippsnivåene under verdiene som er beskrevet i standardene.

Det finnes ganske mange designtilnærminger for å redusere EMI i SMPS, og vi vil prøve å dekke dem etter hverandre.

1. Gå lineært

Ærlig talt, hvis søknaden din har råd (den store og ineffektive naturen), kan du spare deg for mye strømforsyningsrelatert EMI-stress ved å bruke en lineær strømforsyning. De genererer ikke betydelig EMI og vil ikke koste så mye tid og penger å utvikle seg. For effektiviteten, selv om det kanskje ikke er på nivå med SMPS, kan du fortsatt få rimelige effektivitetsnivåer ved å bruke LDO lineære regulatorer.

2. Bruk strømmoduler

Å følge beste praksis for å oppnå en god EMI-ytelse er kanskje ikke bra nok til tider. I de situasjonene hvor du ikke ser ut til å finne tid eller andre ressurser til å stille inn og få de beste EMI-resultatene, er en tilnærming som vanligvis fungerer å bytte til strømmoduler.

Strømmoduler er ikke perfekte, men en ting de gjør, sørger for at du ikke faller i fellene til vanlige EMI-skyldige som dårlig designoppsett og parasittisk induktans / kapasitans. Noen av de beste kraftmodulene i markedet tar allerede hensyn til behovet for å overvinne EMI og er designet for å muliggjøre utvikling av raske og enkle strømforsyninger, med god EMI-ytelse mulig. Produsenter som Murata, Recom, Mornsun, etc. har et bredt utvalg av SMPS-moduler som allerede tar seg av EMI- og EMC-problemer for oss.

For eksempel har de vanligvis de fleste komponenter som induktorer, koblet internt i pakken, som sådan eksisterer det et veldig lite sløyfeområde inne i modulen og utstrålt EMI reduseres. Noen moduler går så langt som å skjerme induktorene og bryterknutepunktet for å forhindre utstrålt EMI fra spolen.

3. Skjerming

En brute force-mekanisme for å redusere EMI beskytter SMPS med metall. Dette oppnås ved å plassere støygenererende kilder i strømforsyningen, i et jordet, ledende (metall) hus, med det eneste grensesnittet til eksterne kretser via inline-filtre.

Imidlertid gir skjerming tilleggskostnader i materialer og PCB-størrelse til prosjektet, som sådan kan det være en dårlig idé for prosjekter med lave kostnadsmål.

4. Layoutoptimalisering

Designoppsettet betraktes som en av de viktigste problemene som letter forplantningen av EMI over kretsen. Dette er grunnen til at Layout Optimization er en av de brede, generelle teknikkene for å redusere EMI i SMPS. Noen ganger er det et ganske tvetydig begrep, da det kan bety forskjellige ting, alt fra utryddelse av parasittkomponenter til separasjon av støyende noder fra støyfølsomme noder, og reduksjon av nåværende sløyfeområder osv.

Noen tips om optimalisering av layout for SMPS-design inkluderer;

Beskytt støyfølsomme noder fra støyende noder

Dette kan gjøres ved å plassere dem så langt unna hverandre for å forhindre elektromagnetisk kobling mellom dem. Noen eksempler på støyfølsomme og støyende noder er gitt i tabellen nedenfor;

Støyende noder	Støyfølsomme noder
Induktorer	Føler stier
Bytt noder	Kompensasjonsnettverk
Høye dI / dt kondensatorer	Tilbakemeldingsnål
FETs	Kontrollkretser

Hold spor etter støyfølsomme noder korte

Kobberspor på kretskort fungerer som antenner for utstrålt EMI, som sådan, en av de beste måtene å forhindre at spor direkte koblet til støyfølsomme noder i å skaffe seg utstrålt EMI, er å holde dem så korte som mulig ved å flytte komponentene de er til å være tilkoblet, så nært som mulig. For eksempel kan et langt spor fra et motstandsdelernettverk som mates inn i en tilbakemeldingspinne (FB) fungere som en antenne og plukke opp utstrålt EMI rundt den. Støyen som blir matet til tilbakemeldingsnålen vil gi ekstra støy ved systemets utgang, noe som gjør ytelsen til enheten ustabil.

Reduser kritisk (antenne) sløyfeområde

Spor / ledninger som bærer svitsjebølgeform skal være så nær hverandre som mulig.

Strålt EMI er direkte proporsjonalt med størrelsen på strømmen (I) og sløyfearealet (A) som den strømmer gjennom, ved å redusere området for strøm / spenning, kan vi redusere nivået av utstrålt EMI. En god måte å gjøre dette på kraftledninger er å plassere kraftlinjen og returveien over hverandre på tilstøtende lag på PCB.

Minimer bortkommen induktans

Impedansen til en trådsløyfe (som bidrar til å stråles EMI som dens proporsjonal med arealet) kan reduseres ved å øke størrelsen på sporene (strømnett) på kretskortet og ruting det parallelt med dets returbane for å redusere induktansen av sporene.

Jording

Et ubrutt jordplan plassert på ytre overflater av PCB gir den korteste returveien for EMI, spesielt når den ligger rett under EMI-kilden der den undertrykker utstrålt EMI betydelig. Bakkenivå kan imidlertid være et problem hvis du tillater et kutt gjennom dem av andre spor. Kuttet kan øke det effektive sløyfearealet og føre til betydelige EMI-nivåer da returstrømmen må finne en lengre vei å gå rundt kuttet, for å gå tilbake til den nåværende kilden.

Filtre

EMI-filtre er et must for strømforsyninger, spesielt for å redusere utført EMI. De er vanligvis plassert ved inngang og / eller utgang fra strømforsyningen. Ved inngangen hjelper de med å filtrere støy fra strømnettet og ved utgangen, det forhindrer at støy fra forsyningen påvirker resten av kretsen.

I utformingen av EMI-filtre for å redusere gjennomført EMI, er det vanligvis viktig å behandle det vanlige utførte utslippet separat fra differensialmodusutslippet, da parameterne for filteret for å adressere dem vil være forskjellige.

For differensialmodus utført EMI-filtrering består inngangsfiltrene vanligvis av elektrolytiske og keramiske kondensatorer, kombinert for effektivt å dempe differensialmodusstrøm ved den lavere grunnleggende svitsjefrekvensen og også ved høyere harmoniske frekvenser. I situasjoner der ytterligere undertrykkelse er nødvendig, tilføres en induktor i serie med inngangen for å danne et enkelt-trinns LC lavpasfilter.

For vanlig modus-utført EMI-filtrering kan filtreringen effektivt oppnås ved å koble omløpskondensatorer mellom kraftlinjene (både inngang og utgang) og jord. I situasjoner der ytterligere demping er nødvendig, kan koblede chokeinduktorer tilsettes i serie med kraftledningene.

Vanligvis bør filterdesign ta hensyn til de verste tilfellene når komponentene velges. For eksempel vil Common-mode EMI være maksimal med høy inngangsspenning, mens Differential Mode EMI vil være maksimal med lav spenning og høy belastningsstrøm.

Konklusjon

Å ta alle punktene som er nevnt ovenfor i betraktning når du designer bytter strømforsyninger, er vanligvis en utfordring. Det er faktisk en av grunnene til at EMI-avbøtning blir referert til som en "mørk kunst", men når du blir mer vant til det, blir de andre natur.

Takket være IoT og forskjellige fremskritt innen teknologi, er elektromagnetisk kompatibilitet og den generelle evnen til hver enhet til å fungere skikkelig under normale driftsforhold, uten å påvirke driften av andre enheter i nærheten, enda viktigere enn før. Enheter må ikke være utsatt for EMI fra nærliggende forsettlige eller utilsiktede kilder, og de må heller ikke utstråle (med vilje eller utilsiktet) forstyrrelser på nivåer som kan føre til at andre enheter fungerer som de skal.

Av kostnadsrelaterte grunner er det viktig å vurdere EMC på et tidlig stadium av SMPS-design. Det er også viktig å vurdere hvordan tilkobling av strømforsyningen til hovedenheten påvirker EMI-dynamikken i begge enhetene, som i de fleste tilfeller, spesielt for innebygd SMPS, vil strømforsyningen bli sertifisert sammen med enheten som en enhet og eventuelle bortfall i enten kan føre til feil.