Tervezési technikák az emi csökkentésére az smps áramkörökben

Az EMI-ről szóló korábbi cikkemben azt vizsgáltuk, hogy az EMI források szándékos / nem szándékos jellege hogyan befolyásolja a körülöttük lévő egyéb elektromos / elektronikus eszközök (áldozatok) teljesítményét. A cikk után következett egy másik cikk az elektromágneses kompatibilitásról (EMC), amely betekintést engedett az EMI veszélyeibe, és némi összefüggést kínált arra, hogy a gyenge EMI megfontolás negatívan befolyásolhatja-e a termék piaci teljesítményét, akár a szabályozás visszaszorulása, akár a funkcionalitás hibái miatt.

Mindkét cikk átfogó tippeket tartalmaz az EMI (kimenő vagy bejövő) minimalizálásához a tervezés során, de a következő néhány cikkben mélyebb elmélyülést vizsgálunk, és megvizsgáljuk, hogyan lehet minimalizálni az EMI-t az elektronikus termék egyes funkcionális egységeiben. Megkezdjük a dolgokat az EMI minimalizálásával a tápegységekben, különös tekintettel a kapcsoló üzemmódú tápegységekre.

A kapcsolóüzemű tápegység általános kifejezés az AC-DC vagy DC-DC áramforrásokra, amelyek gyors kapcsolási műveleteket alkalmaznak a feszültség átalakításához / átalakításához (buck vagy boost). Jellemzőjük a nagy hatékonyság, a kis formátumú tényező és az alacsony energiafogyasztás, ami miatt az új elektronikus berendezések / termékek számára a választott áramforrás lett, annak ellenére, hogy lényegesen bonyolultabbak és nehezebben tervezhetők a használt készülékekhez képest. népszerű lineáris tápegységek. Tervezéseik összetettségén túl azonban az SMPS jelentős EMI generációs veszélyt jelent az általuk alkalmazott gyors kapcsolási frekvenciák miatt, hogy elérjék a magas hatékonyságot, amelyről ismertek.

Mivel naponta több eszközt (potenciális EMI-áldozatot / forrást) fejlesztenek, az EMI leküzdése a mérnökök számára nagy kihívássá válik, és az elektromágneses összeférhetőség (EMC) elérése ugyanolyan fontos, mint az eszköz megfelelő működésének elérése.

A mai cikkünkben megvizsgáljuk az EMI természetét és forrásait az SMPS-ben, és megvizsgálunk néhány tervezési technikát / megközelítést, amelyek ezek enyhítésére használhatók.

Az EMI forrásai SMPS-ben

Bármely EMI probléma megoldásához általában meg kell érteni az interferencia forrását, a kapcsolási utat más áramkörökhöz (áldozatokhoz) és az áldozat természetét, akinek teljesítményét negatívan befolyásolja. A termékfejlesztés során általában szinte lehetetlen meghatározni az EMI potenciális áldozatokra gyakorolt ​​hatását, mint ilyen, az EMI ellenőrzési erőfeszítései általában a kibocsátási források minimalizálására (vagy az érzékenység csökkentésére) és a kapcsolási utak kiküszöbölésére / csökkentésére irányulnak.

Az EMPS fő forrása az SMPS tápegységekben a bennük rejlő tervezési jellegre és kapcsolási jellemzőkre vezethető vissza. Vagy a folyamat során a konverzió AC-DC vagy DC-DC, a MOSFET kapcsoló komponensek SMPS, vagy bekapcsolja nagy frekvenciákon, hozzon létre egy hamis szinuszhullám (négyszögjel), amely lehet leírni egy Fourier-sor, mint a sok harmonikusan kapcsolódó frekvenciájú szinusz hullám összegzése. A kapcsolási művelet eredményeként a harmonikusok teljes Fourier-spektruma az átvitt EMI-kké válik, az áramellátásból a készülék többi áramkörébe és a közeli elektronikus eszközökbe, amelyek ezekre a frekvenciákra érzékenyek.

A kapcsolás zajától eltekintve az EMPS másik forrása az SMPS-ben a gyorsáram (dI / dt) és a feszültség (dV / dt) átmenetek (amelyek szintén kapcsolódnak a kapcsoláshoz). A maxwell-egyenlet szerint ez a váltakozó áramok és feszültségek váltakozó elektromágneses teret hoznak létre, és bár a mező nagysága csökken a távolságtól, kölcsönhatásba lép olyan vezető részekkel (mint a réz nyomai a NYÁK-on), amelyek antennaként működnek és további zajt okoznak a vonalakon, ami az EMI-hez vezet.

Most az EMI a forrásnál nem olyan veszélyes (időnként), amíg a szomszédos áramkörökhöz vagy eszközökhöz (áldozatokhoz) nem kapcsolódik, mint ilyen, a potenciális kapcsolási utak kiküszöbölésével / minimalizálásával az EMI általában csökkenthető. Amint azt a „Bevezetés az EMI-be” cikkben tárgyaltuk, az EMI összekapcsolása általában keresztül történik; vezetés (nem kívánt / visszaforgatott utakon vagy úgynevezett „besurranó áramkörökön keresztül”), indukció (induktív vagy kapacitív elemek, például transzformátorok által történő összekapcsolás) és sugárzás (levegőn keresztül).

Ha megértik ezeket a kapcsolási útvonalakat és azt, hogy ezek hogyan befolyásolják az EMI-t a kapcsoló üzemmódú tápegységekben, a tervezők úgy hozhatják létre rendszereiket, hogy a csatolási út hatása minimalizálódjon, és csökkenjen az interferencia terjedése.

Az EMI összekapcsolási mechanizmusainak különféle típusai

Áttekintjük az összes kapcsolási mechanizmust az SMPS-hez kapcsolódóan, és meghatározzuk az SMPS-tervek azon elemeit, amelyek a létezésüket megalapozzák.

Sugárzott EMI SMPS-ben:

Sugárzott kapcsolás akkor következik be, amikor a forrás és a receptor (áldozat) rádióantennaként működik. A forrás elektromágneses hullámot sugároz, amely a forrás és az áldozat közötti szabad téren terjed. Az SMPS-ben a sugárzott EMI terjedése általában magas di / dt értékű kapcsolt áramokkal társul, amit a rossz tervezési elrendezés miatt gyors áramfelvételi időkkel rendelkező hurkok és a szivárgásinduktivitást okozó vezetékezési gyakorlatok fokoznak.

Tekintsük az alábbi áramkört;

Az áramkör gyors áramváltása a normál feszültség kimenetén (Vmeas) kívül zajos feszültséget (Vnoise) eredményez. A kapcsolási mechanizmus hasonló a transzformátorok működéséhez, így a Vnoise értéket az egyenlet adja;

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

Ahol M / K az a kapcsolási tényező, amely függ a mágneses hurkok távolságától, területétől és tájolásától, valamint a kérdéses hurkok közötti mágneses abszorpciótól - akárcsak egy transzformátornál. Így a rossz hurok orientációval és nagy áramkörrel rendelkező tervezés / PCB elrendezéseknél általában magasabb a sugárzott EMI.

Vezetett EMI SMPS-ben:

Vezetés Csatolás akkor következik be, amikor az EMI-kibocsátás az EMI forrását és a vevőt összekötő vezetők (vezetékek, kábelek, házak és réz nyomok) mentén halad át. Az így összekapcsolt EMI gyakori az áramellátó vezetékeken, és általában nehéz a H-mező komponensen.

Vezetéscsatlakozás az SMPS-ben vagy a Közös módú vezetés (az interferencia szakaszban jelenik meg a + ve és a GND vonalon), vagy a Differenciál mód (az interferencia fázison kívül jelenik meg két vezetőn).

A közös üzemmódban vezetett emissziókat általában olyan parazita kapacitások okozzák, mint a hűtőborda és a transzformátor, valamint a kártya elrendezése, és a kapcsoló feszültségének hullámformája.

A differenciál üzemmódban vezetett emissziók viszont annak a kapcsolási műveletnek az eredményei, amely áramimpulzusokat vált ki a bemeneten, és olyan kapcsolási tüskéket hoz létre, amelyek differenciális zaj fennállásához vezetnek.

Induktív EMI SMPS-ben:

Az induktív kapcsolás akkor történik, ha a forrás és az áldozat között elektromos (egy kapacitívan összekapcsolt) vagy mágneses (induktívan összekapcsolt) EMI indukció van. Elektromos csatolás vagy kapacitív kapcsolás akkor fordul elő, amikor két szomszédos vezető között változó elektromos tér van, ami feszültségváltozást vált ki a köztük lévő résen, míg mágneses vagy induktív tengelykapcsoló akkor következik be, amikor változó mágneses tér van két párhuzamos vezető között, ami változást vált ki feszültségben a vevő vezető mentén.

Összefoglalva, míg az SMS fő forrása az SMPS-ben a nagy frekvenciájú kapcsolási művelet, az ebből eredő gyors di / dt vagy dv / dt tranziensekkel együtt, azok az engedélyezők, amelyek megkönnyítik a generált EMI terjedését / terjedését a potenciális áldozatok számára ugyanazon a táblán (vagy külső rendszerek) olyan tényezők, amelyek a rossz alkatrészválasztásból, a rossz elrendezésből és a kóbor induktivitás / kapacitás meglétéből származnak az áramutakban.

Tervezési technikák az EMI csökkentésére az SMPS-ben

Mielőtt áttekintené ezt a szakaszt, érdemes lehet átnézni az EMI / EMC körüli szabványokat és szabályozásokat, hogy emlékeztetőt kapjunk a tervezési célokról. Bár a szabványok országonként / régiónként eltérőek, a harmonizációnak köszönhetően a legtöbb régióban elfogadható a tanúsításhoz; az FCC EMI Control szabályzata és a CISPR 22 (A rádiózavarokkal foglalkozó nemzetközi különbizottság (CISPR) harmadik kiadása, 22. kiadvány). E két szabvány bonyolult részleteit összefoglaltuk az EMI szabvány cikkében, amelyet korábban tárgyaltunk.

Az EMC tanúsítási folyamatok átadása vagy annak biztosítása, hogy eszközei jól működjenek, ha más eszközök közelében megköveteli, hogy a kibocsátási szinteket a szabványokban leírt értékek alatt tartsa.

Elég sok tervezési megközelítés létezik az EMI enyhítésére az SMPS-ben, és megpróbáljuk ezeket egymás után lefedni.

1. Menj Lineáris

Őszintén szólva, ha az alkalmazás megengedheti magának (terjedelmessége és nem hatékony jellege), akkor lineáris tápegység használatával rengeteg energiát takaríthat meg az áramellátással kapcsolatos EMI stressztől. Nem generálnak jelentős EMI-t, és nem kerülnek annyi időbe és pénzbe a fejlesztés. Hatékonyságuk érdekében, még akkor is, ha ez nem egyezik meg az SMPS-szel, mégis elfogadható hatékonyságot érhet el az LDO lineáris szabályozók használatával.

2. Használjon tápegységeket

A bevált gyakorlatok követése a jó EMI-teljesítmény eléréséhez időnként nem biztos, hogy elég jó. Azokban a helyzetekben, amikor úgy tűnik, hogy nem talál időt vagy más forrást a legjobb EMI-eredmények elérésére, általában az egyik megközelítés a Power modulokra váltás.

A tápegységek nem tökéletesek, de egy dolog, amellyel jól járnak, biztosítja, hogy ne essen a szokásos EMI tettesek csapdájába, mint például a rossz kialakítás és a parazita induktivitás / kapacitás. A piac egyik legjobb teljesítménymodulja már figyelembe veszi az EMI leküzdésének szükségességét, és célja, hogy gyors és egyszerű tápegységeket fejlesszen ki, jó EMI teljesítmény mellett. Az olyan gyártók, mint a Murata, a Recom, a Mornsun stb., Sokféle SMPS-modullal rendelkeznek, amelyek már az EMI és az EMC problémáival foglalkoznak számunkra.

Például általában a legtöbb alkatrésszel, például induktivitással rendelkeznek, amelyek a csomagoláson belül vannak csatlakoztatva, mint ilyen, nagyon kis hurokterület van a modulban, és a sugárzott EMI csökken. Egyes modulok egészen az induktorok és a kapcsolócsomópont árnyékolásáig terjednek, hogy megakadályozzák a sugárzott EMI-t a tekercsből.

3. Árnyékolás

Az EMI csökkentésére szolgáló durva erő mechanizmusa árnyékolja az SMPS-t fémmel. Ez úgy érhető el, hogy a zajkeltő forrásokat az áramellátásban földelt vezetőképes (fém) házban helyezik el, a külső áramkörökhöz csak az interfész az in-line szűrőkön keresztül történik.

Az árnyékolás azonban további anyagköltségeket és PCB-méretet jelent a projekt számára, mint ilyen, rossz ötlet lehet az alacsony költségű célokkal rendelkező projektek számára.

4. Elrendezés optimalizálása

A tervezési elrendezést az egyik legfontosabb kérdésnek tekintik, amely megkönnyíti az EMI terjedését az áramkörön keresztül. Éppen ezért az SMI EMI csökkentésének egyik tág, általános technikája az Elrendezés optimalizálása. Ez néha meglehetősen félreérthető kifejezés, mivel ez különböző dolgokat jelenthet, a parazita komponensek felszámolásától kezdve a zajos csomópontok elválasztásától a zajérzékeny csomópontokig és az áramkörök területének csökkentéséig stb.

Néhány elrendezés-optimalizálási tipp az SMPS-tervekhez:

Védje a zajérzékeny csomópontokat a zajos csomópontoktól

Ezt úgy tehetjük meg, hogy a lehető legtávolabb helyezzük el őket egymástól, hogy megakadályozzuk az elektromágneses összekapcsolódást közöttük. Néhány példa a zajérzékeny és zajos csomópontokra az alábbi táblázatban található;

Zajos csomópontok	Zajérzékeny csomópontok
Induktorok	Érzékelési utak
Csomópontok váltása	Kompenzációs hálózatok
Magas dI / dt kondenzátorok	Visszajelzési tű
FET-ek	Vezérlő áramkörök

Tartsa rövidnek a zajérzékeny csomópontok nyomát

A PCB-n lévő réznyomok a sugárzott EMI antennaként működnek, mint ilyen, az egyik legjobb módja annak, hogy megakadályozzuk a zajérzékeny csomópontokhoz közvetlenül kapcsolódó nyomokat a kisugárzott EMI megszerzésében, ha a lehető legrövidebb ideig tartják azokat az alkatrészeket mozgatva, amelyekre vannak csatlakoztatni, a lehető legközelebb. Például egy visszacsatoló (FB) csapba tápláló ellenállás-elválasztó hálózatból származó hosszú nyom antennaként működhet, és felveheti körülötte a kisugárzott EMI-t. A visszacsatoló csapra táplált zaj további zajt fog okozni a rendszer kimenetén, instabillá téve az eszköz teljesítményét.

Csökkentse a kritikus (antenna) hurok területét

A kapcsolási hullámformát hordozó nyomoknak / vezetékeknek a lehető legközelebb kell lenniük egymáshoz.

A sugárzott EMI egyenesen arányos az áram nagyságával (I) és a hurok területével (A), amelyen keresztül áramlik, mint ilyen, az áram / feszültség területének csökkentésével csökkenthetjük a kisugárzott EMI szintjét. Erős vezetékek esetén erre jó módszer, ha az áramvezetéket és a visszatérési utat egymás fölé helyezzük a NYÁK szomszédos rétegein.

Minimalizálja a kóbor induktivitást

A vezetékes hurok impedanciája (amely hozzájárul a sugárzott EMI-hez, mivel arányos a területtel) csökkenthető azáltal, hogy megnöveli a nyomtávon lévő nyomtáv (áramvonal) méretét, és a visszirányával párhuzamosan irányítja a pályák induktivitásának csökkentése érdekében.

Földelés

A NYÁK külső felületein elhelyezkedő töretlen alapsík biztosítja a legrövidebb visszatérési utat az EMI számára, különösen akkor, ha közvetlenül az EMI Forrás alatt helyezkedik el, ahol jelentősen elnyomja a sugárzott EMI-t. A földi síkok azonban problémát jelenthetnek, ha megengedjük, hogy más nyomok átvágjanak rajtuk. A vágás növelheti az effektív hurok területét, és jelentős EMI szintekhez vezethet, mivel a visszatérő áramnak hosszabb utat kell találnia a vágás körül, hogy visszatérjen az áramforráshoz.

Szűrők

Az EMI szűrők elengedhetetlenek a tápegységekhez, különösen a vezetett EMI mérsékléséhez. Általában a tápegység bemenetén és / vagy kimenetén találhatók. A bemenetnél segítenek kiszűrni a hálózatból és a kimenetről érkező zajt, ez megakadályozza, hogy a tápellátásból származó zaj az áramkör többi részébe hatást gyakoroljon.

Az EMI-szűrők kialakításakor a vezetett EMI mérséklése érdekében általában fontos, hogy a közös módú vezetett emissziót külön-külön kezeljük a differenciál módú emissziótól, mivel a szűrő paraméterei eltérőek lesznek ezek kezelésére.

A differenciál üzemmódban végzett EMI szűréshez a bemeneti szűrők általában elektrolitikus és kerámia kondenzátorokból állnak, kombinálva, hogy hatékonyan csillapítsák a differenciál üzemmód áramát az alsó kapcsolási frekvencián és magasabb harmonikus frekvenciákon is. Azokban a helyzetekben, ahol további elnyomás szükséges, induktivitást adunk sorba a bemenettel egy egyfokozatú LC aluláteresztő szűrő kialakításához.

A közös módú EMI szűrésnél a szűrés hatékonyan érhető el, ha bypass kondenzátorokat csatlakoztat a tápvezetékek (mind a bemenet, mind a kimenet) és a föld közé. Olyan helyzetekben, amikor további csillapításra van szükség, a kapcsolt fojtó induktorokat sorba lehet adni az elektromos vezetékekkel.

A szűrőterveknek általában figyelembe kell venniük a legrosszabb eseteket az összetevők kiválasztásakor. Például a Közös módú EMI maximális lesz magas bemeneti feszültség mellett, míg a Differenciál módú EMI maximális alacsony feszültséggel és nagy terhelési árammal.

Következtetés

Az összes fent említett szempont figyelembevétele a kapcsoló tápegységek tervezésénél általában kihívást jelent, ez tulajdonképpen az egyik oka annak, hogy az EMI mérséklését „sötét művészetként” emlegetik, de ahogy egyre jobban megszokja, másodlagos természetűvé válik.

Az IoT-nek és a technológia különböző fejleményeinek köszönhetően az elektromágneses összeférhetőség és az egyes készülékek általános képessége, hogy normál üzemi körülmények között megfelelően működjenek, anélkül, hogy negatívan befolyásolnák más készülékek működését a közvetlen közelében, az eddiginél is fontosabb. Az eszközök nem lehetnek érzékenyek a közeli szándékos vagy nem szándékos forrásokból származó EMI-re, és ugyanakkor nem sugározhatnak (szándékosan vagy akaratlanul) olyan interferenciát, amely más eszközök meghibásodásához vezethet.

Költségalapú okokból fontos figyelembe venni az EMC-t az SMPS tervezésének korai szakaszában. Fontos figyelembe venni azt is, hogy az áramellátásnak a fő eszközhöz való csatlakoztatása hogyan befolyásolja az EMI dinamikáját mindkét eszközben, mivel a legtöbb esetben, különösen a beágyazott SMPS esetében, az áramellátást az eszközzel együtt egységként tanúsítják, és az esetleges lejáratok bármelyik kudarchoz vezethet.