Tehnike oblikovanja za zmanjšanje emi v smps vezjih

V prejšnjem članku o EMI smo preučili, kako namerna / nenamerna narava virov EMI in kako vplivajo na delovanje drugih električnih / elektronskih naprav (žrtev) okoli njih. Članku je sledil še en članek o elektromagnetni združljivosti (EMC), ki je omogočil vpogled v nevarnosti EMI in ponudil nekaj konteksta, kako lahko slabo upoštevanje EMI negativno vpliva na tržno uspešnost izdelka bodisi zaradi ukinitev predpisov bodisi zaradi okvar funkcionalnosti.

Oba članka vsebujeta široke nasvete za zmanjšanje EMI (odhodnega ali dohodnega) pri oblikovanju, v naslednjih nekaj člankih pa se bomo poglobili in preučili, kako zmanjšati EMI v nekaterih funkcionalnih enotah vašega elektronskega izdelka. Stvari bomo začeli z zmanjševanjem EMI v napajalnih enotah, s posebnim poudarkom na napajalnikih v stikalnem načinu.

Preklopni način Napajanje je splošni izraz za izmenične in enosmerne ali enosmerne enosmerne vire, ki uporabljajo vezja s hitrimi preklopnimi dejanji za pretvorbo / pretvorbo napetosti (buck ali boost). Zanje je značilna visoka učinkovitost, majhen faktor faktorja in nizka poraba energije, zaradi česar so izbrani napajalniki za novo elektronsko opremo / izdelke, čeprav so v primerjavi z rabljenimi bistveno bolj zapleteni in težji priljubljeni linearni napajalniki. Vendar pa SMPS poleg zapletenosti svojih načrtov predstavlja veliko nevarnost za nastanek EMI zaradi hitrih preklopnih frekvenc, ki jih uporabljajo, da bi dosegli visoko učinkovitost, po kateri so znani.

Ker se vsak dan razvija več naprav (potencialnih žrtev / virov EMI), premagovanje EMI postaja glavni izziv za inženirje, doseganje elektromagnetne združljivosti (EMC) pa postaja enako pomembno kot pravilno delovanje naprave.

Za današnji članek bomo preučili naravo in vire EMI v SMPS ter preučili nekatere tehnike / pristope oblikovanja, ki jih lahko uporabimo za njihovo ublažitev.

Viri EMI v SMPS

Reševanje kakršnih koli težav z EMI na splošno zahteva razumevanje vira motenj, povezave do drugih vezij (žrtev) in narave žrtve, katere delovanje negativno vpliva. Med razvojem izdelka je običajno skoraj nemogoče ugotoviti vpliv EMI na potencialne žrtve, saj so napori za nadzor EMI običajno osredotočeni na zmanjšanje virov emisij (ali zmanjšanje občutljivosti) in odpravljanje / zmanjševanje povezav.

Glavni vir EMI v napajalnikih SMPS lahko izsledimo glede na njihovo naravo in preklopne značilnosti. Med postopkom pretvorbe iz AC-DC ali DC-DC stikalne komponente MOSFET v SMPS, ki se vklopijo ali izklopijo pri visokih frekvencah, ustvarijo lažni sinusni val (kvadratni val), ki ga Fourierjeva serija lahko opiše kot seštevanje številnih sinusnih valov s harmonično povezanimi frekvencami. Ta celoten Fourierjev spekter harmonikov, ki je posledica preklopnega delovanja, postane EMI, ki se prenaša, od napajanja do drugih vezij v napravi in ​​do bližnjih elektronskih naprav, ki so dovzetne za te frekvence.

Poleg hrupa od preklopa je še en vir EMI v SMPS hitri pretok toka (dI / dt) in napetosti (dV / dt) (ki sta povezana tudi s preklopom). V skladu z Maxwellovo enačbo bodo ti izmenični tokovi in ​​napetosti povzročili izmenično elektromagnetno polje in medtem ko se obseg polja zmanjšuje z razdaljo, deluje v prevodnih delih (kot so bakrene sledi na PCB-ju), ki delujejo kot antene in povzročajo dodaten hrup na linijah, ki vodi do EMI.

Zdaj EMI pri viru ni tako nevaren (včasih), dokler ni povezan z sosednjimi vezji ali napravami (žrtev), saj ga z odpravo / minimiziranjem potencialnih povezav lahko na splošno zmanjšamo. Kot je razloženo v članku »Uvod v EMI«, povezovanje EMI na splošno poteka skozi; prevodnost (preko neželenih / preoblikovanih poti ali tako imenovanih »sneak tokokrogov«), indukcija (spenjanje z induktivnimi ali kapacitivnimi elementi, kot so transformatorji), in sevanje (po zraku).

Z razumevanjem teh spenjalnih poti in njihovega vpliva na EMI v napajalnih napajalnikih v sklopnem načinu lahko oblikovalci ustvarijo svoje sisteme tako, da je vpliv spenjalne poti čim manjši in širjenje motenj zmanjšano.

Različni tipi EMI mehanizmov za spenjanje

Preučili bomo vsak mehanizem za spenjanje, povezan z SMPS, in ugotovili elemente zasnove SMPS, ki vodijo do njihovega obstoja.

Sevani EMI v SMPS:

Sevano spenjanje se zgodi, ko vir in receptor (žrtev) delujeta kot radijski anteni. Vir oddaja elektromagnetno valovanje, ki se širi po odprtem prostoru med virom in žrtev. V SMPS je razširjeno sevanje EMI običajno povezano s preklopnimi tokovi z visokim di / dt, kar je podkrepljeno z obstojem zank s hitrimi časi porasta toka zaradi slabe zasnove in praksami ožičenja, ki povzročajo induktivnost puščanja.

Razmislite o spodnjem vezju;

Hitra sprememba toka v tokokrogu poleg normalne izhodne napetosti (Vmeas) povzroči tudi hrupno napetost (Vnoise). Mehanizem spenjanja je podoben delovanju transformatorjev, tako da Vnoise dobi enačba;

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

Kjer je M / K faktor sklopke, ki je odvisen od razdalje, površine in usmeritve magnetnih zank ter magnetne absorpcije med zadevnimi zankami - tako kot pri transformatorju. Tako je pri postavitvah načrtovanja / tiskanih vezij z upoštevanjem slabe usmerjenosti zanke in velikim območjem tokovne zanke navadno višja raven sevanega EMI.

Izvedeni EMI v SMPS:

Prevodna sklopka se pojavi, ko se emisije EMI prenašajo vzdolž vodnikov (žic, kablov, ohišij in bakrenih sledi na PCB-jih), ki med seboj povezujejo vir EMI in sprejemnika. Tako povezani EMI je pogost na napajalnih vodih in ponavadi močan na komponenti H-polja.

Prevodna sklopka v SMPS je bodisi prevod v skupnem načinu (motnje se pojavijo v fazi na progi + ve in GND) bodisi diferencialni način (motnje se pojavijo izven faze na dveh vodnikih).

Emisije, ki se izvajajo v običajnem načinu, običajno povzročajo parazitske kapacitivnosti, kot so hladilnik in transformator, skupaj s postavitvijo plošče in preklopna valovna oblika napetosti čez stikalo.

Po drugi strani pa so emisije, ki jih vodi diferencialni način, posledica preklopnega delovanja, ki povzroči vhodne impulze na vhodu in ustvari preklopne konice, ki vodijo do obstoja diferenčnega šuma.

Induktivni EMI v SMPS:

Induktivno spenjanje se pojavi, kadar obstaja električna (zaradi kapacitivno sklopljene) ali magnetne (zaradi induktivno sklopljene) EMI indukcije med virom in žrtev. Električna ali kapacitivna sklopka se pojavi, kadar med dvema sosednjima vodnikoma obstaja spremenljivo električno polje, ki povzroči spremembo napetosti na reži med njima, magnetna ali induktivna sklopka pa, kadar med dvema vzporednima vodnikoma obstaja spremenljivo magnetno polje, ki povzroči spremembo v napetosti vzdolž sprejemnega vodnika.

Če povzamemo, čeprav je glavni vir EMI v SMPS visokofrekvenčni preklopni učinek skupaj s posledičnimi hitrimi prehodnimi di / dt ali dv / dt prehodnimi elementi, omogočevalci, ki olajšajo širjenje / širjenje ustvarjenega EMI na potencialne žrtve na isti plošči (ali zunanji sistemi) so dejavniki, ki so posledica slabe izbire komponent, slabe zasnove zasnove in obstoja blodne induktivnosti / kapacitivnosti v trenutnih poteh.

Tehnike oblikovanja za zmanjšanje EMI v SMPS

Preden se lotimo tega razdelka, bi bilo koristno pogledati standarde in predpise v zvezi z EMI / EMC, da bi dobili opomnik, kakšni so cilji zasnove. Čeprav se standardi med državami / regijami razlikujejo, sta najpogosteje sprejeta, kar je zaradi uskladitve sprejemljivo za certificiranje v večini regij; predpisi FCC EMI o nadzoru in CISPR 22 (tretja izdaja Mednarodnega posebnega odbora za radijske motnje (CISPR), pub. 22). Zapletene podrobnosti teh dveh standardov so povzete v standardnem članku EMI, ki smo ga obravnavali prej.

Prenos postopkov certificiranja EMC ali samo zagotavljanje, da vaše naprave dobro delujejo, kadar okoli drugih naprav zahteva, da raven emisij ohranjate pod vrednostmi, opisanimi v standardih.

Za ublažitev EMI v SMPS obstaja kar nekaj pristopov k oblikovanju, ki jih bomo poskušali pokriti enega za drugim.

1. Pojdi Linear

Iskreno rečeno, če si vaša aplikacija to lahko privošči (obsežnost in neučinkovitost), si lahko z linearnim napajalnikom prihranite veliko EMI stresa, povezanega z napajanjem. Ne ustvarjajo pomembnih EMI in ne bodo stali toliko časa in denarja za razvoj. Za njihovo učinkovitost, četudi morda ni enaka SMPS, lahko z linearnimi regulatorji LDO še vedno dosežete primerne ravni učinkovitosti.

2. Uporabite napajalne module

Upoštevanje najboljših praks za dobro delovanje EMI včasih morda ni dovolj dobro. V tistih situacijah, ko se vam zdi, da ne najdete časa ali drugih virov za uglaševanje in doseganje najboljših rezultatov EMI, en pristop, ki običajno deluje, je preklop na napajalne module.

Močnostni moduli niso popolni, toda ena stvar, ki jo dobro opravijo, zagotavlja, da se ne ujamete v običajne krivce EMI, kot so slaba zasnova zasnove in parazitska induktivnost / kapacitivnost. Nekateri najboljši napajalni moduli na trgu že pojasnjujejo potrebo po premagovanju EMI in so zasnovani tako, da omogočajo hiter in enostaven napajalnik z dobrim delovanjem EMI. Proizvajalci, kot so Murata, Recom, Mornsun itd., Imajo široko paleto modulov SMPS, ki za nas že skrbijo za EMI in EMC težave.

Na primer, ponavadi imajo večino komponent, kot so induktorji, ki so notranje povezani znotraj embalaže, zato je v modulu zelo majhna površina zanke in zmanjšana sevana EMI Nekateri moduli segajo tako daleč, da ščitijo induktorje in stikalno vozlišče, da preprečijo oddajanje EMI iz tuljave.

3. Zaščita

Mehanizem surove sile za zmanjšanje EMI ščiti SMPS s kovino. To dosežemo z namestitvijo virov, ki ustvarjajo hrup, v napajalnik, znotraj ozemljenega prevodnega (kovinskega) ohišja, pri čemer je edini vmesnik do zunanjih vezij prek vgrajenih filtrov.

Vendar zaščita projektu doda dodatne stroške materiala in velikost PCB-ja, zato je lahko slaba ideja za projekte z nizkocenovnimi cilji.

4. Optimizacija postavitve

Postavitev zasnove se šteje za eno glavnih vprašanj, ki olajšajo širjenje EMI po vezju. Zato je ena od splošnih splošnih tehnik za zmanjšanje EMI v SMPS optimizacija postavitve. To je včasih precej dvoumen izraz, saj bi lahko pomenil različne stvari, od izkoreninjenja parazitskih komponent do ločevanja hrupnih vozlišč od vozlišč, občutljivih na hrup, in zmanjšanja trenutnih površin zanke itd.

Nekateri nasveti za optimizacijo postavitve za zasnove SMPS vključujejo;

Zaščitite vozlišča, občutljiva na hrup, pred hrupnimi vozlišči

To lahko storite tako, da jih postavite čim dlje drug od drugega, da preprečite elektromagnetno spenjanje med njimi. Nekaj ​​primerov vozlišč, občutljivih na hrup, in hrupnih vozlišč je v spodnji tabeli;

Hrupna vozlišča	Vozlišča, občutljiva na hrup
Induktorji	Zaznavanje poti
Preklopi vozlišča	Kompenzacijska omrežja
Kondenzatorji z visokim dI / dt	Povratni zatič
FET	Krmilna vezja

Naj bodo sledi za vozlišča, občutljiva na hrup, kratka

Bakrene sledi na PCB delujejo kot antene za sevan EMI, zato je eden najboljših načinov, da sledi, ki so neposredno povezane z vozli, občutljivimi na hrup, pridobivanja sevanega EMI, tako da so čim krajši s premikanjem komponent, na katere so da je povezan čim bližje. Na primer, dolga sled iz omrežja uporovnih delilnikov, ki se napaja v povratni (FB) zatič, lahko deluje kot antena in pobere sevalni EMI okoli sebe. Hrup, ki se napaja na povratni zatič, bo povzročil dodaten šum na izhodu sistema, zaradi česar bo delovanje naprave nestabilno.

Zmanjšajte kritično območje zanke (antene)

Sledi / žice, ki nosijo preklopno valovno obliko, morajo biti med seboj čim bližje.

Sevan EMI je neposredno sorazmeren z velikostjo toka (I) in območjem zanke (A), skozi katero teče, kot taka lahko z zmanjšanjem površine toka / napetosti zmanjšamo raven sevanega EMI. Dober način za to pri daljnovodih je, da daljnovod in povratno pot postavite drug na drugega na sosednje plasti PCB-ja.

Zmanjšajte razpršeno induktivnost

Impedanco žične zanke (ki prispeva k oddajanju EMI kot sorazmerne s površino) lahko zmanjšate tako, da povečate velikost gosenic (daljnovoda) na tiskani plošči in jo usmerite vzporedno z njeno povratno potjo, da zmanjšate induktivnost gosenic.

Ozemljitev

Neprekinjena ozemljitvena ravnina, ki se nahaja na zunanjih površinah tiskanega vezja, zagotavlja najkrajšo povratno pot za EMI, še posebej, če je neposredno pod izvorom EMI, kjer znatno zavira sevani EMI. Vendar bi lahko bila zemeljska letala težava, če dovolite, da jih prerežejo druge sledi. Zareza bi lahko povečala efektivno območje zanke in privedla do pomembnih ravni EMI, saj mora povratni tok najti daljšo pot okoli reza in se vrniti v trenutni vir.

Filtri

EMI filtri so nujni za napajalnike, zlasti za ublažitev izvedenih EMI. Običajno se nahajajo na vhodu in / ali izhodu napajalnika. Na vhodu pomagajo filtrirati hrup iz omrežja, na izhodu pa preprečuje, da bi hrup iz oskrbe vplival na ostalo vezje.

Pri zasnovi EMI filtrov za ublažitev izvedene EMI je običajno pomembno, da se vodeno oddajanje v skupnem načinu obravnava ločeno od emisije v diferenčnem načinu, saj se bodo parametri filtra za njihovo obravnavo razlikovali.

Za EMI filtriranje z diferencialnim načinom so vhodni filtri običajno sestavljeni iz elektrolitskih in keramičnih kondenzatorjev, kombiniranih za učinkovito dušenje diferenčnega toka pri nižji osnovni preklopni frekvenci in tudi pri višjih harmonskih frekvencah. V primerih, ko je potrebno nadaljnje zatiranje, se vhodno serijsko doda induktor, da se tvori enostopenjski LC nizkoprepustni filter.

Za EMI filtriranje v skupnem načinu je mogoče filtriranje učinkovito doseči s povezovanjem obvodnih kondenzatorjev med električnimi vodi (vhodnimi in izhodnimi) in tlemi. V primerih, ko je potrebno nadaljnje slabljenje, lahko serijsko dodamo dušilke dušilke zaporedno z električnimi vodi.

Na splošno morajo zasnove filtrov pri izbiri komponent upoštevati najslabši možni scenarij. Tako bo na primer EM v skupnem načinu največji pri visoki vhodni napetosti, medtem ko bo EMI v diferenčnem načinu največji pri nizki napetosti in toku z visoko obremenitvijo.

Zaključek

Upoštevanje vseh zgoraj omenjenih točk pri načrtovanju stikalnih napajalnikov je običajno izziv, zato je dejansko eden od razlogov, zakaj omilitev EMI označujejo kot "temno umetnost", ko pa se nanjo navadite, postane.

Zahvaljujoč IoT in različnim napredkom v tehnologiji je elektromagnetna združljivost in splošna sposobnost vsake naprave, da pravilno deluje v običajnih pogojih delovanja, ne da bi to negativno vplivalo na delovanje drugih naprav v njeni neposredni bližini, še pomembnejša kot prej. Naprave ne smejo biti dovzetne za EMI iz bližnjih namernih ali nenamernih virov in hkrati ne smejo oddajati (namerno ali nenamerno) motenj na ravneh, ki bi lahko povzročile okvare drugih naprav.

Zaradi stroškovnih razlogov je pomembno, da se EMC upošteva v zgodnji fazi zasnove SMPS. Pomembno je tudi razmisliti, kako priklop napajalnika na glavno napravo vpliva na dinamiko EMI v obeh napravah, saj bo v večini primerov, zlasti pri vgrajenih SMPS, napajalnik potrjen skupaj z napravo kot ena enota in morebitni napak bodisi lahko privede do neuspeha.