Designteknikker til reduktion af emi i smps-kredsløb

I min tidligere artikel om EMI undersøgte vi, hvordan den bevidste / utilsigtede karakter af EMI-kilder og hvordan de påvirker ydeevnen for andre elektriske / elektroniske enheder (ofre) omkring dem. Artiklen blev efterfulgt af en anden om elektromagnetisk kompatibilitet (EMC), som gav indsigt i farerne ved EMI og tilbød en vis kontekst til, hvordan dårlig EMI-overvejelse kunne påvirke et produkts markedspræstation negativt enten på grund af reguleringsindgreb eller funktionssvigt.

Begge artikler indeholder brede tip til minimering af EMI (udgående eller indgående) i design, men i løbet af de næste par artikler vil vi tage et dybere dyk og undersøge, hvordan man minimerer EMI i visse funktionelle enheder af dit elektroniske produkt. Vi starter tingene med at minimere EMI i strømforsyningsenheder med et specifikt fokus på switch mode strømforsyninger.

Switch Mode Strømforsyning er et generisk udtryk for AC-DC eller DC-DC strømkilder, der bruger kredsløb med hurtige omskiftningshandlinger til spændingstransformation / konvertering (buck eller boost). De er kendetegnet ved høj effektivitet, lille formfaktor og lavt strømforbrug, hvilket har gjort dem til den valgte strømforsyning til nyt elektronisk udstyr / produkter, selvom de er betydeligt mere komplekse og vanskelige at designe sammenlignet med brugt til- være populære lineære strømforsyninger. Ud over kompleksiteten i deres design udgør SMPS imidlertid en betydelig EMI-genereringstrussel på grund af de hurtige skiftfrekvenser, de bruger, for at opnå den høje effektivitet, som de er kendt for.

Da flere enheder (potentielle EMI-ofre / kilde) udvikles hver dag, bliver det at overvinde EMI en stor udfordring for ingeniører, og at opnå elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) bliver lige så vigtigt som at få enheden til at fungere korrekt.

I dagens artikel vil vi se på karakteren og kilderne til EMI i SMPS og undersøge nogle designteknikker / tilgange, der kan bruges til at afbøde dem.

Kilder til EMI i SMPS

At løse ethvert EMI-problem kræver generelt en forståelse af interferenskilden, koblingsstien til andre kredsløb (ofre) og arten af ​​det offer, hvis ydeevne er negativt påvirket. Under produktudvikling er det normalt næsten umuligt at bestemme virkningen af ​​EMI på potentielle ofre, som sådan er EMI-kontrolindsatsen normalt fokuseret på at minimere emissionskilder (eller reducere modtagelighed) og eliminere / reducere koblingsveje.

Den største kilde til EMI i SMPS-strømforsyninger kan spores til deres iboende designkarakter og skifteegenskaber. Enten under konverteringsprocessen fra AC-DC eller DC-DC skaber MOSFET-koblingskomponenterne i SMPS, der tænder eller slukker ved høje frekvenser, en falsk sinusbølge (firkantbølge), som kan beskrives af en Fourier-serie som summering af mange sinusbølger med harmonisk relaterede frekvenser. Dette fulde Fourier-spektrum af overtoner, der skyldes koblingshandlingen, bliver den EMI, der transmitteres, fra strømforsyningen til andre kredsløb i enheden og til nærliggende elektroniske enheder, der er modtagelige for disse frekvenser.

Bortset fra støj fra skifte er en anden kilde til EMI i SMPS de hurtige strøm (dI / dt) og spændings (dV / dt) overgange (som også er relateret til skift). Ifølge maxwells ligning vil disse skiftende strømme og spændinger producere et skiftende elektromagnetisk felt, og mens feltets størrelse reduceres med afstanden, interagerer det med ledende dele (som kobberspor på printkortet), der fungerer som antenner og forårsager yderligere støj på linjerne, der fører til EMI.

Nu er EMI ved kilden ikke så farlig (til tider), før den er koblet til nabokredsløb eller enheder (ofre), som sådan, ved at eliminere / minimere de potentielle koblingsveje, kan EMI generelt reduceres. Som diskuteret i artiklen "Introduktion til EMI" sker EMI-kobling generelt gennem; ledning (via uønskede / repurposerede stier eller såkaldte "sneak circuits"), induktion (kobling med induktive eller kapacitive elementer som transformere) og stråling (over-the-air).

Ved at forstå disse koblingsstier, og hvordan de påvirker EMI i switch-mode strømforsyninger, kan designere skabe deres systemer på en sådan måde, at indflydelsen fra koblingsstien minimeres, og spredningen af ​​interferensen reduceres.

Forskellige typer EMI-koblingsmekanismer

Vi vil gå gennem hver af koblingsmekanismerne i relation til SMPS og etablere de elementer i SMPS-design, der giver anledning til deres eksistens.

Udstrålet EMI i SMPS:

Udstrålet kobling opstår, når kilden og receptoren (offeret) fungerer som radioantenner. Kilden udstråler en elektromagnetisk bølge, der udbreder sig over det åbne rum mellem kilden og offeret. I SMPS er udstrålet EMI-formering normalt forbundet med skiftede strømme med høj di / dt, forstærket af tilstedeværelsen af ​​sløjfer med hurtige strømtider på grund af dårligt designlayout og ledningsføringsmetoder, der giver anledning til lækageinduktans.

Overvej kredsløbet nedenfor;

Den hurtige strømændring i kredsløbet giver anledning til en støjende spænding (Vnoise) ud over den normale spændingsudgang (Vmeas). Koblingsmekanismen ligner driften af ​​transformere, således at støj er givet ved ligningen;

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

Hvor M / K er den koblingsfaktor, der afhænger af magnetsløjfernes afstand, areal og orientering og magnetiske absorption mellem de pågældende sløjfer - ligesom i en transformer. Således er der i design / printkortlayouter med dårlig sløjfeorienteringsovervejelse og stort strømsløjfeområde tendens til at være et højere niveau af udstrålet EMI.

Udført EMI i SMPS:

Ledningskobling opstår, når EMI-emissioner ledes langs ledere (ledninger, kabler, kabinetter og kobberspor på printkort), der forbinder kilden til EMI og modtageren sammen. EMI koblet på denne måde er almindelig på strømforsyningsledningerne og normalt tung på H-feltkomponenten.

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

Almindelig tilstandsudførte emissioner er normalt forårsaget af parasitære kapacitanser som kølelegemet og transformatoren sammen med kortets layout og skiftende spændingsbølgeform over kontakten.

Differentialtilstand ledede emissioner er på den anden side et resultat af koblingshandlingen, der forårsager strømimpulser ved indgangen og skaber koblingsspidser, der fører til eksistensen af ​​differentiel støj.

Induktiv EMI i SMPS:

Induktiv kobling opstår, når der er en elektrisk (på grund af en kapacitivt koblet) eller magnetisk (på grund af en induktivt koblet) EMI-induktion mellem kilden og offeret. Elektrisk kobling eller kapacitiv kobling opstår, når der findes et varierende elektrisk felt mellem to tilstødende ledere, der inducerer en spændingsændring over afstanden mellem dem, mens en magnetisk kobling eller induktiv kobling opstår, når der findes et varierende magnetfelt mellem to parallelle ledere, hvilket inducerer en ændring i spænding langs den modtagende leder.

Sammenfattende, mens den største kilde til EMI i SMPS er den højfrekvente omskiftningshandling sammen med de resulterende hurtige di / dt- eller dv / dt-transienter, aktiverer de, som letter udbredelse / spredning af den genererede EMI til potentielle ofre på samme kort (eller eksterne systemer) er faktorer, der skyldes dårlig komponentvalg, dårligt designlayout og eksistensen af ​​svindelinduktans / kapacitans i nuværende stier.

Designteknikker til at reducere EMI i SMPS

Inden du går igennem dette afsnit, kan det være givende at se på standarderne og reglerne omkring EMI / EMC for at få en påmindelse om, hvad designmålene er. Selv om standarderne varierer mellem lande / regioner, er de to mest accepterede, hvilket takket være harmonisering er acceptabelt for certificering i de fleste regioner; FCC EMI-kontrolbestemmelserne og CISPR 22 (tredje udgave af International Special Committee on Radio Interference (CISPR), Pub. 22). Indviklede detaljer om disse to standarder blev opsummeret i EMI-standardartiklen, som vi diskuterede tidligere.

At bestå EMC-certificeringsprocesser eller bare sikre, at dine enheder fungerer godt, når det gælder andre enheder, kræver, at du holder dine emissionsniveauer under de værdier, der er beskrevet i standarderne.

Der findes en hel række designtilgange til afbødning af EMI i SMPS, og vi vil forsøge at dække dem efter hinanden.

1. Gå lineært

Ærligt talt, hvis din applikation har råd til det (omfanget og den ineffektive natur), kan du spare dig for en masse strømforsyningsrelateret EMI-stress ved at bruge en lineær strømforsyning. De genererer ikke signifikant EMI og vil ikke koste så meget tid og penge at udvikle. Selvom det måske ikke er på niveau med SMPS, kan du stadig opnå rimelige effektivitetsniveauer ved at bruge LDO lineære regulatorer for deres effektivitet.

2. Brug strømmoduler

At følge bedste praksis for at opnå en god EMI-ydeevne er muligvis ikke tilstrækkelig til tider. I de situationer, hvor du ikke synes at finde tid eller andre ressourcer til at indstille og få de bedste EMI-resultater, er en tilgang, der normalt fungerer, at skifte til strømmoduler.

Strømmoduler er ikke perfekte, men en ting, de gør godt, sikrer, at du ikke falder i fælderne for sædvanlige EMI-synder som dårligt designlayout og parasitisk induktans / kapacitans. Nogle af de bedste strømmoduler på markedet tegner sig allerede for behovet for at overvinde EMI og er designet til at gøre det muligt at udvikle hurtige og lette strømforsyninger med god EMI-ydeevne. Producenter som Murata, Recom, Mornsun osv. Har en bred vifte af SMPS-moduler, der allerede tager sig af EMI- og EMC-problemer for os.

For eksempel har de normalt de fleste komponenter som induktorer, der er forbundet internt inde i pakken, som sådan findes der et meget lille løkkeområde inde i modulet og udstrålet EMI reduceres. Nogle moduler går så langt som at afskærme induktorerne og switchnoden for at forhindre udstrålet EMI fra spolen.

3. Afskærmning

En brute force-mekanisme til reduktion af EMI beskytter SMPS med metal. Dette opnås ved placering af støjgenererende kilder i strømforsyningen inden i et jordet ledende (metal) hus, hvor den eneste grænseflade til eksterne kredsløb er via in-line filtre.

Imidlertid tilføjer afskærmning ekstra omkostninger i materialer og PCB-størrelse til projektet, som sådan kan det være en dårlig idé for projekter med lave omkostningsmål.

4. Optimering af layout

Designlayoutet betragtes som et af de største problemer, der letter udbredelsen af ​​EMI på tværs af kredsløbet. Dette er grunden til, at en af ​​de brede, generelle teknikker til reduktion af EMI i SMPS er Layout Optimization. Det er undertiden et ret tvetydigt udtryk, da det kan betyde forskellige ting lige fra udryddelse af parasitære komponenter til adskillelse af støjende noder fra støjfølsomme noder og reduktion af nuværende sløjfeområder osv.

Nogle tip til optimering af layout til SMPS-design inkluderer;

Beskyt støjfølsomme noder fra støjende noder

Dette kan gøres ved at placere dem så langt væk fra hinanden som muligt for at forhindre elektromagnetisk kobling mellem dem. Nogle eksempler på støjfølsomme og støjende noder findes i nedenstående tabel;

Støjende noder	Støjfølsomme knuder
Spoler	Sensing stier
Skift noder	Kompensationsnetværk
Høje dI / dt kondensatorer	Feedback pin
FET'er	Kontrolkredsløb

Hold spor efter støjfølsomme knuder korte

Kobberspor på printkort fungerer som antenner for udstrålet EMI, som sådan, en af ​​de bedste måder at forhindre spor direkte forbundet med støjfølsomme noder i at erhverve udstrålet EMI er ved at holde dem så korte som muligt ved at flytte de komponenter, som de er til skal forbindes så tæt som muligt. For eksempel kan et langt spor fra et modstandsdelernetværk, der føder ind i en feedback (FB) pin, fungere som en antenne og opfange udstrålet EMI omkring den. Den støj, der tilføres feedback-stiften, indfører yderligere støj ved systemets output, hvilket gør enhedens ydeevne ustabil.

Reducer kritisk (antenne) sløjfeområde

Spor / ledninger, der bærer skiftende bølgeform, skal være så tæt på hinanden som muligt.

Udstrålet EMI er direkte proportional med størrelsen af ​​strømmen (I) og sløjfearealet (A), gennem hvilken den strømmer, som sådan ved at reducere området for strøm / spænding kan vi reducere niveauet af udstrålet EMI. En god måde at gøre dette på kraftledninger er at placere strømlinjen og returstien over hinanden på tilstødende lag af printkortet.

Minimer omstrejfende induktans

Impedansen af en wire loop (som bidrager til udstrålet EMI som dens proportional med arealet) kan reduceres ved at forøge størrelsen af sporene (powerline) på PCB og dirigere den parallelt med dens returvej at reducere induktans af sporene.

Jordforbindelse

Et ubrudt jordplan placeret på de ydre overflader af printkortet giver den korteste returvej for EMI, især når den er placeret direkte under EMI-kilden, hvor den undertrykker udstrålet EMI betydeligt. Jordplaner kan dog være et problem, hvis du tillader en gennemskæring gennem andre spor. Skæringen kunne øge det effektive sløjfeareal og føre til betydelige EMI-niveauer, da returstrømmen skal finde en længere vej for at gå rundt om skåret, for at vende tilbage til den aktuelle kilde.

Filtre

EMI-filtre er et must for strømforsyninger, især til afbødning af udført EMI. De er normalt placeret ved strømforsyningens indgang og / eller udgang. Ved indgangen hjælper de med at filtrere støj fra lysnettet og ved udgangen forhindrer det støj fra forsyningen i at påvirke resten af ​​kredsløbet.

Ved udformningen af ​​EMI-filtre til at afbøde udført EMI er det normalt vigtigt at behandle den fælles-mode udførte emission separat fra den differentielle tilstandsemission, da parametrene for filteret til at adressere dem vil være forskellige.

For differentieret tilstand udført EMI-filtrering består indgangsfiltrene normalt af elektrolytiske og keramiske kondensatorer kombineret for effektivt at dæmpe differentieringsmodusstrømmen ved den lavere grundlæggende koblingsfrekvens og også ved højere harmoniske frekvenser. I situationer, hvor yderligere undertrykkelse er påkrævet, tilføjes en induktor i serie med input for at danne et enkelt-trins LC lavpasfilter.

For udført EMI-filtrering i Common Mode kan filtreringen effektivt opnås ved at forbinde bypass-kondensatorer mellem kraftledningerne (både input og output) og jord. I situationer, hvor yderligere dæmpning er påkrævet, kan koblede chokerinduktorer tilføjes i serie med kraftledningerne.

Generelt skal filterdesign overveje de værst tænkelige scenarier, når komponenterne vælges. For eksempel vil EMI i almindelig tilstand være maksimal med høj indgangsspænding, mens differentiel tilstand EMI vil være maksimal med lav spænding og høj belastningsstrøm.

Konklusion

At tage alle de ovennævnte punkter i betragtning, når design af skiftende strømforsyninger normalt er en udfordring, er det faktisk en af ​​grundene til, at EMI-afbødning kaldes en "mørk kunst", men når du bliver mere vant til det, bliver de anden natur.

Takket være IoT og forskellige teknologiske fremskridt er elektromagnetisk kompatibilitet og den generelle evne for hver enhed til at fungere ordentligt under normale driftsforhold uden at påvirke driften af ​​andre enheder negativt inden for dens nærhed endnu vigtigere end før. Enheder må ikke være modtagelige for EMI fra nærliggende forsætlige eller utilsigtede kilder, og de må heller ikke samtidig udstråle (bevidst eller utilsigtet) interferens på niveauer, der kan føre til, at andre enheder fungerer dårligt.

Af omkostningsrelaterede grunde er det vigtigt at overveje EMC i den tidlige fase af SMPS-designet. Det er også vigtigt at overveje, hvordan tilslutning af strømforsyningen til hovedenheden påvirker EMI-dynamikken i begge enheder, da i de fleste tilfælde, især for indlejret SMPS, vil strømforsyningen blive certificeret sammen med enheden som en enhed og eventuelle bortfald i enten kunne føre til fiasko.