Tehnike dizajna za smanjenje emija u smps krugovima

U mom prethodnom članku o EMI-u ispitali smo kako namjerna / nenamjerna priroda EMI izvora i kako utječu na rad ostalih električnih / elektroničkih uređaja (žrtava) oko njih. Nakon članka uslijedio je još jedan o elektromagnetskoj kompatibilnosti (EMC) koji je pružio uvid u opasnosti EMI-a i pružio određeni kontekst koliko loše razmatranje EMI-a može negativno utjecati na tržišne performanse proizvoda, bilo zbog stezanja propisa ili zbog nedostataka funkcionalnosti.

Oba članka sadrže široke savjete za minimiziranje EMI (odlaznih ili dolaznih) u dizajnu, ali tijekom sljedećih nekoliko članaka dublje ćemo zaroniti i ispitati kako minimizirati EMI u određenim funkcionalnim jedinicama vašeg elektroničkog proizvoda. Započet ćemo sa smanjenjem EMI u jedinicama za napajanje s posebnim fokusom na napajanja s preklopnim načinom rada.

Preklopni način Napajanje je općeniti pojam za izmjenične i istosmjerne ili istosmjerne istosmjerne izvore koji koriste krugove s brzim preklopnim radnjama za pretvorbu / pretvorbu napona (buck ili boost). Karakterizira ih visoka učinkovitost, mali faktor oblika i niska potrošnja energije, što ih je učinilo odabirom napajanja za novu elektroničku opremu / proizvode, iako su znatno složeniji i teže dizajnirani u usporedbi s rabljenim biti popularni Linearni napajači. Međutim, osim složenosti svojih dizajna, SMPS predstavlja značajnu prijetnju generiranju EMI zbog brzih preklopnih frekvencija koje koriste, kako bi postigli visoku učinkovitost po kojoj su poznati.

S obzirom da se svakodnevno razvija više uređaja (potencijalnih žrtava / izvora EMI), prevladavanje EMI postaje glavni izazov za inženjere, a postizanje elektromagnetske kompatibilnosti (EMC) postaje jednako važno kao i pravilno funkcioniranje uređaja.

Za današnji ćemo članak pogledati prirodu i izvore EMI u SMPS-u i ispitati neke tehnike / pristupe dizajna koji se mogu koristiti za njihovo ublažavanje.

Izvori EMI u SMPS

Rješavanje bilo kojeg EMI problema općenito zahtijeva razumijevanje izvora smetnji, putanje spajanja s drugim krugovima (žrtve) i prirode žrtve na čiji učinak negativno utječe. Tijekom razvoja proizvoda obično je gotovo nemoguće utvrditi utjecaj EMI na potencijalne žrtve, jer su napori EMI kontrole usredotočeni na minimiziranje izvora emisije (ili smanjenje osjetljivosti) i uklanjanje / smanjenje putova spajanja.

Glavni izvor EMI u SMPS napajanjima može se pratiti prema njihovoj svojstvenoj prirodi dizajna i preklopnim karakteristikama. Bilo tijekom postupka pretvorbe iz AC-DC ili DC-DC, MOSFET-ove sklopne komponente u SMPS-u, uključuju ili isključuju na visokim frekvencijama, stvaraju lažni sinusni val (kvadratni val), koji se Fourierovom serijom može opisati kao zbrajanje mnogih sinusnih valova s ​​harmonijski povezanim frekvencijama. Ovaj puni Fourierov spektar harmonika, koji nastaje prebacivanjem, postaje EMI koji se prenosi, od napajanja do drugih krugova u uređaju i do obližnjih elektroničkih uređaja koji su osjetljivi na ove frekvencije.

Osim buke od komutacije, drugi izvor EMI-a u SMPS-u su brzi prijelazi struje (dI / dt) i napona (dV / dt) (koji su, također, povezani s prebacivanjem). Prema Maxwellovoj jednadžbi, ove izmjenične struje i naponi stvarat će izmjenično elektromagnetsko polje, i dok se veličina polja smanjuje s udaljenošću, ono djeluje s vodljivim dijelovima (poput bakrenih tragova na PCB-u) koji djeluju poput antena i uzrokuju dodatnu buku na vodovima, što dovodi do EMI.

Sada EMI na izvoru nije toliko opasan (s vremena na vrijeme) dok se ne spoji sa susjednim krugovima ili uređajima (žrtvama), kao takav, uklanjanjem / minimiziranjem potencijalnih putova spajanja, EMI se općenito može smanjiti. Kao što je raspravljeno u članku "Uvod u EMI", EMI sprezanje se uglavnom događa; vodljivost (putem neželjenih / prenamijenjenih putova ili takozvanih „skrivenih krugova“), indukcija (sprezanje induktivnim ili kapacitivnim elementima poput transformatora) i zračenje (nadzemno).

Razumijevanjem ovih putova spajanja i njihovog utjecaja na EMI u napajanju s preklopnim načinom rada, dizajneri mogu stvoriti svoje sustave na takav način da se utjecaj puta sprege minimizira i smanji širenje smetnji.

Različite vrste EMI mehanizama spajanja

Pregledat ćemo svaki od mehanizama za spajanje koji se odnosi na SMPS i uspostaviti elemente dizajna SMPS koji dovode do njihovog postojanja.

Zračeni EMI u SMPS:

Zračeno povezivanje događa se kada izvor i receptor (žrtva) djeluju kao radio antene. Izvor zrači elektromagnetski val koji se širi otvorenim prostorom između izvora i žrtve. U SMPS zračenje EMI širenje obično je povezano s preklopljenim strujama s visokim di / dt, potaknuto postojanjem petlji s brzim vremenima porasta struje zbog lošeg dizajnerskog rasporeda i praksama ožičenja koje dovode do induktivnosti propuštanja.

Razmotrite donji krug;

Brza promjena struje u krugu dovodi do bučnog napona (Vnoise) uz normalan izlazni napon (Vmeas). Mehanizam spajanja sličan je radu transformatora tako da Vnoise dobiva jednadžba;

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

Gdje je M / K faktor sprege koji ovisi o udaljenosti, površini i orijentaciji magnetskih petlji i magnetskoj apsorpciji između dotičnih petlji - baš kao u transformatoru. Dakle, u izgledu dizajna / PCB-a s lošim razmatranjem orijentacije petlje i velikom površinom strujne petlje, postoji tendencija da postoji viša razina zračenja EMI.

Provedeni EMI u SMPS:

Kondukcijsko povezivanje događa se kada se EMI emisije provode duž vodiča (žica, kabela, kućišta i bakrenih tragova na PCB-ima) koji povezuju izvor EMI i prijamnik. EMI spojen na ovaj način uobičajen je na vodovima napajanja i obično težak na komponenti H polja.

Provodna sprega u SMPS-u je ili zajedničko provođenje (smetnje se pojavljuju u fazi na + ve i GND liniji) ili diferencijalni način (smetnje su izvan faze na dva vodiča).

Emisije provedene u uobičajenom načinu rada obično su uzrokovane parazitskim kapacitetima poput onih hladnjaka i transformatora zajedno s rasporedom ploče i prebacivanjem valnog oblika napona na prekidaču.

S druge strane, diferencijalno provedene emisije rezultat su preklopnog djelovanja koje uzrokuje impulse struje na ulazu i stvara preklopne šiljke što dovodi do postojanja diferencijalne buke.

Induktivni EMI u SMPS:

Induktivno spajanje događa se kada postoji električna (zbog kapacitivno spregnute) ili magnetske (zbog induktivno povezane) EMI indukcije između izvora i žrtve. Električna sprega ili Kapacitivna sprega nastaju kada između dva susjedna vodiča postoji različito električno polje, što uzrokuje promjenu napona na zazoru između njih, dok se magnetska ili induktivna sprega javlja kada između dva paralelna vodiča postoji promjenjivo magnetsko polje, što izaziva promjenu u naponu duž prijamnog vodiča.

Ukratko, dok je glavni izvor EMI-ja u SMPS-u visokofrekventno prebacivanje, zajedno s rezultirajućim brzim prijelazima di / dt ili dv / dt, oni koji omogućavaju širenje / širenje generiranog EMI-ja potencijalnim žrtvama na istoj ploči (ili vanjski sustavi) su čimbenici koji proizlaze iz lošeg odabira komponenata, lošeg dizajnerskog rasporeda i postojanja zalutale induktivnosti / kapacitivnosti u trenutnim putovima.

Tehnike dizajna za smanjenje EMI u SMPS

Prije nego što prođete kroz ovaj odjeljak, možda bi bilo korisno pogledati standarde i propise oko EMI / EMC-a kako biste dobili podsjetnik koji su ciljevi dizajna. Iako se standardi razlikuju među zemljama / regijama, dvije najčešće prihvaćene, koje su zahvaljujući usklađivanju prihvatljive za certificiranje u većini regija uključuju; propisi FCC EMI o kontroli i CISPR 22 (treće izdanje Međunarodnog posebnog odbora za radio smetnje (CISPR), pub. 22). Složeni detalji ova dva standarda sažeti su u članku o EMI standardu o kojem smo ranije raspravljali.

Prolazak procesa certificiranja EMC ili samo osiguravanje da vaši uređaji rade dobro kada oko drugih uređaja zahtijeva održavanje razine emisije ispod vrijednosti opisanih u standardima.

Postoji popriličan broj dizajnerskih pristupa za ublažavanje EMI u SMPS-u, a mi ćemo ih pokušati pokriti jedan za drugim.

1. Krenite Linearno

Iskreno govoreći, ako vam to vaša aplikacija može priuštiti (glomaznost i neučinkovita priroda), možete uštedjeti puno EMI stresa vezanog uz napajanje pomoću linearnog napajanja. Oni ne generiraju značajne EMI i neće koštati toliko vremena i novca za razvoj. Zbog njihove učinkovitosti, čak i ako možda nije na razini SMPS-a, i dalje možete dobiti razumne razine učinkovitosti pomoću LDO linearnih regulatora.

2. Upotrijebite module napajanja

Slijeđenje najboljih praksi za postizanje dobrih EMI performansi ponekad neće biti dovoljno dobro. U onim situacijama u kojima ne možete pronaći vrijeme ili druge resurse za podešavanje i postizanje najboljih EMI rezultata, jedan pristup koji obično uspijeva je prelazak na Power module.

Moćni moduli nisu savršeni, ali jedna stvar koju rade dobro osigurava da ne upadnete u zamke uobičajenih EMI krivaca, poput lošeg dizajna i parazitske induktivnosti / kapacitivnosti. Neki od najboljih energetskih modula na tržištu već objašnjavaju potrebu za prevladavanjem EMI-a i dizajnirani su da omoguće razvoj brzih i jednostavnih napajanja uz dobre EMI performanse. Proizvođači poput Murata, Recom, Mornsun itd. Imaju široku paletu SMPS modula koji nam već vode brigu o EMI i EMC problemima.

Na primjer, oni obično imaju većinu komponenata poput prigušnica, povezanih iznutra unutar paketa, pa kao takva postoji vrlo mala površina petlje unutar modula i zračeni EMI se smanjuje. Neki moduli idu toliko daleko da štite prigušnice i preklopni čvor kako bi spriječili zračenje EMI iz zavojnice.

3. Zaštita

Mehanizam grube sile za smanjenje EMI štiti SMPS metalom. To se postiže postavljanjem izvora koji stvaraju buku u napajanje, unutar uzemljenog vodljivog (metalnog) kućišta, a jedino sučelje za vanjske krugove je putem linijskih filtara.

Međutim, zaštita projektu dodaje dodatne troškove u materijalima i veličini PCB-a, jer kao takva može biti loša ideja za projekte s jeftinim ciljevima.

4. Optimizacija izgleda

Izgled dizajna smatra se jednim od glavnih problema koji olakšavaju širenje EMI-ja kroz krug. Zbog toga je jedna od širokih, općih tehnika za smanjenje EMI u SMPS optimizacija izgleda. To je ponekad prilično dvosmislen pojam jer bi mogao značiti različite stvari, od iskorjenjivanja parazitskih komponenata do odvajanja bučnih čvorova od čvorova osjetljivih na buku i smanjenja područja strujne petlje itd.

Neki savjeti za optimizaciju izgleda za SMPS dizajne uključuju;

Zaštitite čvorove osjetljive na buku od bučnih čvorova

To se može učiniti postavljanjem što je moguće dalje jedni od drugih kako bi se spriječilo elektromagnetsko spajanje između njih. Neki primjeri čvorova osjetljivih na buku i buke nalaze se u donjoj tablici;

Bučni čvorovi	Čvorovi osjetljivi na buku
Induktori	Osjetni putovi
Prebacivanje čvorova	Kompenzacijske mreže
Kondenzatori visokog dI / dt	Povratna igla
FET-ovi	Upravljački krugovi

Neka kratki tragovi budu čvorova osjetljivih na buku

Bakreni tragovi na PCB-u djeluju kao antene za zračeni EMI, kao takav, jedan od najboljih načina da se tragovima izravno povezanim s čvorovima osjetljivim na buku spriječi stjecanje EMI zračenja jest zadržavanje što kraćih premještanjem komponenata na koje jesu. biti povezani, što bliže. Na primjer, dugi trag od mreže otpornika otpornika koji se uvodi u povratni (FB) pin može djelovati kao antena i pokupiti zračeni EMI oko sebe. Buka koja se dovodi na pin za povratne informacije uvest će dodatnu buku na izlazu sustava, čineći rad uređaja nestabilnim.

Smanjite kritičnu površinu petlje (antene)

Tragovi / žice koje nose preklopni valni oblik trebaju biti što bliže jedni drugima.

Zračeni EMI izravno je proporcionalan veličini struje (I) i području petlje (A) kroz koji teče, kao takav, smanjenjem površine struje / napona možemo smanjiti razinu zračenog EMI. Dobar način za to kod dalekovoda je postavljanje dalekovoda i povratnog puta jedan preko drugog na susjedne slojeve PCB-a.

Smanjite zalutalu induktivnost

Impedancija žičane petlje (koja doprinosi zračenju EMI proporcionalno površini) može se smanjiti povećanjem veličine kolosijeka (powerline) na PCB-u i usmjeravanjem paralelno s povratnim putem kako bi se smanjila induktivnost kolosijeka.

Uzemljenje

Neprekinuta zemaljska ravnina smještena na vanjskim površinama PCB-a pruža najkraći povratni put za EMI, posebno kada se nalazi izravno ispod EMI izvora gdje značajno potiskuje zračeni EMI. Međusobni avioni mogli bi predstavljati problem ako dopustite presijecanje drugim tragovima. Rez bi mogao povećati efektivno područje petlje i dovesti do značajnih razina EMI, jer povratna struja mora pronaći duži put da bi zaobišla rez, da bi se vratila na trenutni izvor.

Filteri

EMI filtri moraju se imati za napajanja, posebno za ublažavanje provedenih EMI. Obično se nalaze na ulazu i / ili izlazu napajanja. Na ulazu pomažu u filtriranju buke iz mreže, a na izlazu sprječavaju da buka iz napajanja utječe na ostatak kruga.

U dizajnu EMI filtara za ublažavanje provedenih EMI, obično je važno provodenu emisiju u uobičajenom modu tretirati odvojeno od emisije u diferencijalnom načinu jer će se parametri filtra za njihovo adresiranje razlikovati.

Za EMI filtriranje s diferencijalnim načinom rada, ulazni filtri obično se sastoje od elektrolitskih i keramičkih kondenzatora, kombiniranih za učinkovito ublažavanje struje diferencijalnog načina rada na nižoj osnovnoj frekvenciji komutacije, a također i na višim frekvencijama harmonika. U situacijama kada je potrebno daljnje suzbijanje, induktivitet se dodaje serijski s ulazom kako bi se formirao jednostepeni LC niskopropusni filtar.

Za EMI filtriranje u uobičajenom načinu rada filtriranje se može učinkovito postići povezivanjem premosnih kondenzatora između dalekovoda (i ulaznih i izlaznih) i zemlje. U situacijama kada je potrebno daljnje slabljenje, spojene prigušnice prigušnice mogu se dodati u seriju s dalekovodima.

Općenito, dizajni filtra trebaju uzeti u obzir najgori scenarij prilikom odabira komponenata. Na primjer, EMI zajedničkog načina rada bit će maksimalan s visokim ulaznim naponom, dok će diferencijalni način EMI biti maksimalan s niskim naponom i velikom strujom opterećenja.

Zaključak

Uzimati u obzir sve gore spomenute točke prilikom dizajniranja preklopnih izvora napajanja obično je izazov, to je zapravo jedan od razloga zašto se ublažavanje EMI naziva "mračnom umjetnošću", no kako se na to navikavate, oni postaju druga priroda.

Zahvaljujući IoT-u i različitim tehnološkim napretcima, elektromagnetska kompatibilnost i općenita sposobnost svakog uređaja da ispravno funkcionira u normalnim radnim uvjetima, bez negativnog utjecaja na rad drugih uređaja u njegovoj neposrednoj blizini, još su važnija nego prije. Uređaji ne smiju biti osjetljivi na EMI iz obližnjih namjernih ili nenamjernih izvora, a istodobno ne smiju zračiti (namjerno ili nenamjerno) smetnje na razinama koje bi mogle dovesti do neispravnosti rada drugih uređaja.

Iz razloga povezanih s troškovima, važno je razmotriti EMC u ranoj fazi izrade SMPS-a. Također je važno razmotriti kako povezivanje napajanja s glavnim uređajem utječe na EMI dinamiku u oba uređaja, jer će u većini slučajeva, posebno za ugrađeni SMPS, napajanje biti certificirano zajedno s uređajem kao jedna jedinica i svi propusti u ili bi moglo dovesti do neuspjeha.