Техники за проектиране за намаляване на emi в smps схеми

В предишната ми статия за EMI разгледахме как умишленото / неволното естество на EMI източниците и как те влияят върху работата на други електрически / електронни устройства (жертви) около тях. Статията е последвана от друга за Електромагнитната съвместимост (EMC), която дава представа за опасностите от EMI и предлага някакъв контекст на това колко лошото разглеждане на EMI може да повлияе негативно на пазарните резултати на даден продукт, било поради ограничаване на регулациите или функционални неизправности.

И двете статии съдържат широки съвети за минимизиране на EMI (изходящи или входящи) в дизайна, но през следващите няколко статии ще направим по-задълбочено проучване и ще проучим как да намалим EMI в определени функционални единици на вашия електронен продукт. Ще започнем нещата с минимизиране на EMI в блоковете за захранване със специфичен фокус върху захранванията в режим на превключване

Режим на превключване Захранването е общ термин за AC-DC или DC-DC източници на захранване, които използват схеми с бързи превключващи действия за преобразуване / преобразуване на напрежението (долар или усилване). Те се характеризират с висока ефективност, малък форм-фактор и ниска консумация на енергия, което ги прави избрано захранване за ново електронно оборудване / продукти, въпреки че те са значително по-сложни и трудни за проектиране в сравнение с използваните до популярни линейни захранвания. Въпреки сложността на дизайна си, SMPS представлява значителна заплаха за генериране на EMI поради бързите превключващи честоти, които използват, за да постигнат високата ефективност, с която са известни.

С повече устройства (потенциални жертви / източници на ЕМИ), които се разработват всеки ден, преодоляването на ЕМИ се превръща в голямо предизвикателство за инженерите и постигането на електромагнитна съвместимост (ЕМС) става също толкова важно, колкото и устройството да функционира правилно.

За днешната статия ще разгледаме същността и източниците на EMI в SMPS и ще разгледаме някои техники / подходи за проектиране, които могат да бъдат използвани за смекчаването им.

Източници на EMI в SMPS

Решаването на какъвто и да е проблем с EMI обикновено изисква разбиране на източника на смущения, пътя на свързване към други вериги (жертви) и естеството на жертвата, чиято работа е отрицателно засегната. По време на разработването на продукта обикновено е почти невъзможно да се определи въздействието на EMI върху потенциалните жертви, тъй като усилията за контрол на EMI обикновено са насочени към минимизиране на източниците на емисии (или намаляване на чувствителността) и елиминиране / намаляване на пътищата на свързване.

Основният източник на EMI в SMPS захранванията може да се проследи до присъщата им конструкция и превключващи характеристики. По време на процеса на преобразуване от AC-DC или DC-DC, превключващите компоненти на MOSFET в SMPS, като се включват или изключват при високи честоти, създават фалшива синусоида (квадратна вълна), която може да бъде описана от серия на Фурие като сумиране на много синусоиди с хармонично свързани честоти. Този пълен спектър на Фурие от хармоници, произтичащ от превключващото действие, се превръща в EMI, който се предава, от захранването към други вериги в устройството и до близките електронни устройства, които са податливи на тези честоти.

Освен шума от превключването, друг източник на EMI в SMPS е преходът на бърз ток (dI / dt) и напрежение (dV / dt) (които също са свързани с превключването). Според уравнението на Максуел, тези променливи токове и напрежения ще генерират променливо електромагнитно поле и докато величината на полето намалява с разстоянието, то взаимодейства с проводящи части (като медни следи върху печатната платка), които действат като антени и причиняват допълнителен шум по линиите, водещи до EMI.

Сега EMI в източника не е толкова опасен (понякога), докато не се свърже със съседни вериги или устройства (жертви), като такъв, чрез елиминиране / минимизиране на потенциалните пътища на свързване, EMI обикновено може да бъде намален. Както е обсъдено в статията „Въведение в EMI“, свързването на EMI обикновено се извършва чрез проводимост (чрез нежелани / преназначени пътища или така наречените „промъкващи вериги“), индукция (свързване чрез индуктивни или капацитивни елементи като трансформатори) и излъчване (по въздуха).

Чрез разбирането на тези пътища на свързване и как те влияят на EMI в захранващи устройства в режим на превключване, дизайнерите могат да създадат своите системи по такъв начин, че влиянието на пътя на свързване да бъде сведено до минимум и разпространението на смущенията да бъде намалено.

Различни видове EMI ​​свързващи механизми

Ще разгледаме всеки от свързващите механизми, свързани с SMPS и ще установим елементите на SMPS дизайните, които пораждат тяхното съществуване.

Излъчен EMI в SMPS:

Излъчено свързване се получава, когато източникът и рецепторът (жертвата) действат като радио антени. Източникът излъчва електромагнитна вълна, която се разпространява в отвореното пространство между източника и жертвата. В SMPS излъчваното EMI разпространение обикновено се свързва с превключени токове с висок di / dt, подсилени от съществуването на контури с бързи времена на нарастване на тока поради лошо оформление и практики на окабеляване, които водят до индуктивност на течове.

Помислете за схемата по-долу;

Бързата промяна на тока във веригата поражда шумно напрежение (Vnoise) в допълнение към нормалното изходно напрежение (Vmeas). Механизмът за свързване е подобен на работата на трансформатори, така че Vnoise се дава от уравнението;

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

Където M / K е коефициентът на свързване, който зависи от разстоянието, площта и ориентацията на магнитните контури и магнитното поглъщане между въпросните контури - точно както в трансформатора. По този начин, в оформленията / PCB оформленията с лошо съображение за ориентация на контура и голяма площ на токовия контур, има тенденция да има по-високо ниво на излъчена EMI.

Проведена EMI в SMPS:

Проводимо свързване възниква, когато EMI емисиите се предават по проводници (проводници, кабели, корпуси и медни следи върху печатни платки), свързващи източника на EMI и приемника заедно. EMI, свързан по този начин, е често срещан в захранващите линии и обикновено е тежък за компонента на H-полето.

Проводимо свързване в SMPS е или Common Mode проводимост (смущението се появява фаза на + ve и GND линия) или диференциален режим (смущението се появява извън фаза на два проводника).

Провежданите в общ режим емисии обикновено се причиняват от паразитни капацитети като тези на радиатора и трансформатора, заедно с оформлението на платката и превключващата форма на напрежението на превключвателя.

От друга страна, диференцираните режими на емисии са резултат от превключващото действие, което причинява токови импулси на входа и създава превключващи пикове, което води до съществуването на диференциален шум.

Индуктивни EMI в SMPS:

Индуктивно свързване възниква, когато има електрическа (поради капацитивно свързана) или магнитна (поради индуктивно свързана) EMI индукция между източника и жертвата. Електрическо свързване или Капацитивно свързване възниква, когато съществува различно електрическо поле между два съседни проводника, което предизвиква промяна в напрежението в процепа между тях, докато магнитно съединение или индуктивно свързване възниква, когато съществува различно магнитно поле между два паралелни проводника, предизвикващо промяна в напрежение по приемния проводник.

В обобщение, докато основният източник на EMI в SMPS е високочестотното превключващо действие заедно с произтичащите от това бързи di / dt или dv / dt преходни процеси, средствата, които улесняват разпространението / разпространението на генерирания EMI към потенциални жертви на същия борд (или външни системи) са фактори, които са резултат от лош избор на компоненти, лошо оформление на дизайна и съществуването на разсеяна индуктивност / капацитет в текущите пътища.

Техники за проектиране за намаляване на EMI в SMPS

Преди да преминете през този раздел, може би ще бъде полезно да разгледате стандартите и разпоредбите около EMI / EMC, за да получите напомняне за целите на дизайна. Въпреки че стандартите варират в различните страни / региони, двата най-широко приети, които благодарение на хармонизацията, са приемливи за сертифициране в повечето региони включват; разпоредбите на FCC EMI Control и CISPR 22 (трето издание на Международния специален комитет за радиосмущения (CISPR), Pub. 22). Сложните подробности за тези два стандарта бяха обобщени в статията за стандарт EMI, която обсъдихме по-рано.

Преминаването на процесите за сертифициране по EMC или просто осигуряване на това, че вашите устройства работят добре, когато около други устройства изисква да поддържате нивата на емисиите си под стойностите, описани в стандартите.

Съществуват редица дизайнерски подходи за смекчаване на EMI в SMPS и ние ще се опитаме да ги покрием един след друг.

1. Отидете Linear

Честно казано, ако вашето приложение може да си го позволи (обемистият и неефективен характер), можете да си спестите много напрежение, свързано с електрозахранването, като използвате линейно захранване. Те не генерират значителни EMI и няма да струват толкова време и пари за разработване. За тяхната ефективност, дори и да не е равна на SMPS, пак можете да получите разумни нива на ефективност, като използвате LDO линейни регулатори.

2. Използвайте захранващи модули

Следването на най-добрите практики за постигане на добра EMI производителност понякога може да не е достатъчно добро. В онези ситуации, в които не можете да намерите време или други ресурси, за да настроите и да получите най-добрите резултати от EMI, един подход, който обикновено работи, е преминаването към захранващи модули.

Захранващите модули не са перфектни, но едно нещо, което правят добре, гарантира, че няма да попаднете в капана на обичайните виновници за EMI като лошо оформление на дизайна и паразитна индуктивност / капацитет. Някои от най-добрите силови модули на пазара вече обясняват необходимостта от преодоляване на EMI и са проектирани да направят разработването на бързи и лесни захранвания с възможно добро EMI изпълнение. Производители като Murata, Recom, Mornsun и др. Разполагат с широка гама SMPS модули, които вече се грижат за EMI и EMC проблемите за нас.

Например, те обикновено имат повечето компоненти като индуктори, свързани вътрешно вътре в опаковката, като такива има много малка зона на контура вътре в модула и излъчената EMI е намалена. Някои модули стигат до екраниране на индукторите и превключващия възел, за да предотвратят излъчването на EMI от бобината.

3. Екраниране

Механизъм за груба сила за намаляване на EMI защитава SMPS с метал. Това се постига чрез поставяне на източници на шум в захранването, в заземен проводящ (метален) корпус, като единственият интерфейс към външните вериги е чрез вградени филтри.

Екранирането обаче добавя допълнителни разходи за материали и размер на печатни платки към проекта, като такъв може да е лоша идея за проекти с евтини цели.

4. Оптимизация на оформлението

Оформлението на дизайна се счита за един от основните проблеми, които улесняват разпространението на EMI по веригата. Ето защо една от широките, общи техники за намаляване на EMI в SMPS е оптимизацията на оформлението. Понякога това е доста двусмислен термин, тъй като може да означава различни неща, вариращи от изкореняването на паразитни компоненти до отделянето на шумни възли от възли, чувствителни към шум, и намаляване на зоните на токовите контури и т.н.

Някои съвети за оптимизиране на оформлението за SMPS проекти включват;

Защитете чувствителните към шум възли от шумни възли

Това може да стане чрез позиционирането им възможно най-далеч един от друг, за да се предотврати електромагнитното свързване между тях. Някои примери за чувствителни към шум и шумни възли са дадени в таблицата по-долу;

Шумни възли	Чувствителни на шум възли
Индуктори	Усещащи пътеки
Превключете възлите	Компенсационни мрежи
Кондензатори с висок dI / dt	ПИН за обратна връзка
FETs	Контролни вериги

Запазете следи за възли, чувствителни към шум, кратки

Медните следи на печатни платки действат като антени за излъчвания EMI, като такъв, един от най-добрите начини да се предотврати получаването на излъчени EMI следи, директно свързани към възли, чувствителни на шум, е като се поддържат възможно най-къси чрез преместване на компонентите, към които те са да бъде свързан, възможно най-близо. Например, дълга следа от резисторна разделителна мрежа, която се подава в щифт за обратна връзка (FB), може да действа като антена и да вземе излъчен EMI около нея. Шумът, подаван към щифта за обратна връзка, ще внесе допълнителен шум на изхода на системата, което ще направи работата на устройството нестабилна.

Намаляване на критичната (антена) зона на контура

Следите / проводниците, които носят превключваща форма на вълната, трябва да са възможно най-близо една до друга.

Излъчваният EMI е пряко пропорционален на големината на тока (I) и зоната на контура (A), през която тече, като такъв, като намалява площта на тока / напрежението, можем да намалим нивото на излъчваната EMI. Един добър начин да направите това за електропроводи е да поставите силовата линия и обратната пътека една върху друга върху съседни слоеве на печатната платка.

Намалете бездомната индуктивност

Импедансът на телена верига (която допринася за излъчваната ЕМИ като пропорционална на площта) може да бъде намален чрез увеличаване на размера на коловозите (електропровода) на печатната платка и насочването му успоредно на обратния път, за да се намали индуктивността на коловозите.

Заземяване

Непрекъсната земна равнина, разположена на външните повърхности на печатната платка, осигурява най-краткия връщащ път за EMI, особено когато тя е директно разположена под EMI източника, където значително потиска излъчената EMI. Наземните равнини обаче биха могли да създадат проблем, ако разрешите прорязването им от други следи. Срязването може да увеличи ефективната площ на контура и да доведе до значителни нива на EMI, тъй като обратният ток трябва да намери по-дълъг път, за да заобиколи разреза, за да се върне към текущия източник.

Филтри

EMI филтрите са задължителни за захранванията, особено за смекчаване на провежданите EMI. Те обикновено се намират на входа и / или изхода на захранването. На входа те помагат за филтриране на шума от мрежата, а на изхода предотвратява въздействието на шума от захранването върху останалата част от веригата.

При проектирането на EMI филтри за смекчаване на провежданите EMI ​​обикновено е важно да се третира общото излъчване, проведено отделно от излъчването на диференциалния режим, тъй като параметрите на филтъра за тяхното адресиране ще бъдат различни.

За EMI филтриране с диференциален режим, входящите филтри обикновено се състоят от електролитни и керамични кондензатори, комбинирани, за ефективно отслабване на тока на диференциалния режим при по-ниска основна честота на превключване и при по-високи хармонични честоти. В ситуации, при които се изисква по-нататъшно потискане, последователно с входа се добавя индуктор, за да се образува едноетапен LC нискочестотен филтър.

За EMI филтриране в общ режим филтрирането може ефективно да се постигне чрез свързване на байпасните кондензатори между електропроводите (както входящи, така и изходни) и земя. В ситуации, при които е необходимо по-нататъшно затихване, свързани дросели могат да бъдат добавени последователно с електропроводите.

Като цяло, проектирането на филтри трябва да вземе предвид най-лошия сценарий при избора на компоненти. Например EMI в общ режим ще бъде максимален при високо входно напрежение, докато EMI в диференциален режим ще бъде максимален при ниско напрежение и висок ток на натоварване.

Заключение

Вземането под внимание на всички споменати по-горе точки при проектирането на импулсни захранвания обикновено е предизвикателство, това на практика е една от причините, поради които смекчаването на EMI се нарича „тъмно изкуство“, но когато свикнете с него, те стават второ естество.

Благодарение на IoT и различни технологични постижения, електромагнитната съвместимост и общата способност на всяко устройство да функционира правилно при нормални работни условия, без да се отразява негативно на работата на други устройства в непосредствена близост, е дори по-важно от преди. Устройствата не трябва да са податливи на EMI от близките умишлени или неволни източници и те в същото време не трябва да излъчват (умишлено или неволно) смущения на нива, които биха могли да доведат до неизправност на други устройства.

По причини, свързани с разходите, е важно да се обмисли EMC на ранния етап от проектирането на SMPS. Също така е важно да се обмисли как свързването на захранването към основното устройство влияе върху динамиката на EMI и на двете устройства, тъй като в повечето случаи, особено за вградени SMPS, захранването ще бъде сертифицирано заедно с устройството като едно цяло и всички пропуски в или може да доведе до провал.