Projektavimo būdai, kaip sumažinti emi smps grandinėse

Ankstesniame mano straipsnyje apie EMI ištyrėme, kaip tyčinis / netyčinis EMI šaltinių pobūdis ir kaip jie veikia kitų aplink juos esančių elektrinių / elektroninių prietaisų (aukų) veikimą. Po šio straipsnio buvo pateiktas kitas straipsnis apie elektromagnetinį suderinamumą (EMS), kuriame pateikiama įžvalga apie EMI keliamus pavojus ir pasiūlyta tam tikro konteksto, kaip netinkamas EMI svarstymas gali neigiamai paveikti gaminio veikimą rinkoje dėl reguliavimo kliūčių ar funkcinių gedimų.

Abiejuose straipsniuose pateikiami išsamūs patarimai, kaip kuo labiau sumažinti EMI (išeinantis arba gaunamas) dizainą, tačiau per kelis kitus straipsnius mes panagrinėsime giliau ir išnagrinėsime, kaip sumažinti EMI tam tikruose funkciniuose jūsų elektroninio produkto vienetuose. Mes pradėsime viską, kuo labiau sumažindami EMI maitinimo blokuose, ypatingą dėmesį skirdami jungiklio režimo maitinimo šaltiniams.

„Switch mode“ maitinimo šaltinis yra bendras terminas kintamosios arba nuolatinės srovės maitinimo šaltiniams, naudojantiems įtampos transformavimui / konversijai („buck“ arba „boost“) naudojamas grandines su greitais perjungimo veiksmais. Joms būdingas didelis efektyvumas, mažas formos faktorius ir mažas energijos suvartojimas, dėl ko jie pasirinko naujos elektroninės įrangos / gaminių maitinimo šaltinį, nors jie yra žymiai sudėtingesni ir sunkiai suprojektuojami, palyginti su naudotais. būti populiarūs linijiniai maitinimo šaltiniai. Tačiau, nepaisant jų sudėtingumo, SMPS kelia didelę EMI generavimo grėsmę dėl jų naudojamų greitų perjungimo dažnių, kad būtų pasiektas didelis žinomas efektyvumas.

Kasdien kuriant vis daugiau prietaisų (potencialių EMI aukų / šaltinių), įveikti EMI tampa dideliu inžinierių iššūkiu, o pasiekti elektromagnetinį suderinamumą (EMS) tampa taip pat svarbu, kaip ir tinkamai veikti.

Šiandienos straipsnyje apžvelgsime EMS pobūdį ir šaltinius SMPS ir išnagrinėsime keletą projektavimo metodų / metodų, kuriuos galima naudoti juos sušvelninant.

EMI šaltiniai SMPS

Norint išspręsti bet kokią EMI problemą, paprastai reikia suprasti trikdžių šaltinį, susiejimo kelią su kitomis grandinėmis (aukomis) ir aukos, kurios veikimas yra neigiamai paveiktas, pobūdį. Kuriant produktą, dažniausiai beveik neįmanoma nustatyti EMI poveikio potencialioms aukoms, todėl EMI kontrolės pastangos paprastai yra sutelktos į išmetamų šaltinių kiekio sumažinimą (arba jautrumo mažinimą) ir sujungimo kelių pašalinimą / sumažinimą.

Pagrindinis SMPS maitinimo šaltinių EMI šaltinis gali būti siejamas su jiems būdingu projektavimo pobūdžiu ir perjungimo charakteristikomis. Arba konversijos iš AC-DC arba DC-DC, MOSFET perjungimo komponentus SMPS, įjungiant arba išjungti aukštų dažnių proceso metu, sukurti klaidingą sine bangų (kvadratinių bangų), kuri gali būti apibūdinta pagal Furjė eilutė kaip ir daugelio sinusinių bangų, turinčių harmoniškai susijusius dažnius, sumavimas. Šis visas Furjė harmonikų spektras, atsirandantis dėl perjungimo veiksmo, tampa perduodama EMI nuo elektros energijos tiekimo kitoms prietaiso grandinėms ir netoliese esantiems elektroniniams prietaisams, kurie yra jautrūs šiems dažniams.

Be perjungimo keliamo triukšmo, kitas SMPS šaltinis SMPS yra greito srovės (dI / dt) ir įtampos (dV / dt) perėjimai (kurie taip pat yra susiję su perjungimu). Remiantis Maksvelo lygtimi, šios kintamosios srovės ir įtampos sukurs kintamą elektromagnetinį lauką, ir nors lauko dydis mažėja atstumu, jis sąveikauja su laidžiomis dalimis (pvz., Vario pėdsakais PCB), kurios veikia kaip antenos ir sukelia papildomą triukšmą linijose, vedantis į EMI.

Dabar EMI šaltinyje nėra toks pavojingas (kartais), kol jis nėra sujungtas su kaimyninėmis grandinėmis ar įtaisais (aukomis), pašalinant / sumažinant galimus sujungimo kelius, EMI paprastai galima sumažinti. Kaip aptarta „Įvado į EMI“ straipsnyje, EMI susiejimas paprastai vyksta per; laidumas (nepageidaujamais / pakartotiniais keliais arba vadinamosiomis „slinkimo grandinėmis“), indukcija (sujungimas indukciniais ar talpiniais elementais, tokiais kaip transformatoriai) ir radiacija (ore).

Suprasti šiuos sukabinimo kelius ir kaip jie veikia EMI perjungimo režimo maitinimo šaltiniuose, dizaineriai gali sukurti savo sistemas taip, kad būtų kuo labiau sumažinta sukabinimo kelio įtaka ir sumažintas trukdžių plitimas.

Skirtingi EMI susiejimo mechanizmų tipai

Mes apžvelgsime kiekvieną sujungimo mechanizmą, susijusį su SMPS, ir nustatysime SMPS dizaino elementus, dėl kurių jie egzistuoja.

Spinduliuojama EMI SMPS:

Spindulinė jungtis įvyksta, kai šaltinis ir receptorius (auka) veikia kaip radijo antenos. Šaltinis skleidžia elektromagnetinę bangą, kuri sklinda atviroje erdvėje tarp šaltinio ir aukos. SMPS skleidžiama EMI sklaida paprastai siejama su perjungtomis srovėmis, kurių di / dt yra didelis, o tai skatina kilpos, turinčios greitą srovės kilimo laiką dėl blogo dizaino išdėstymo, ir laidų praktika, sukelianti nuotėkio induktyvumą.

Apsvarstykite žemiau esančią grandinę;

Dėl greito srovės pokyčio grandinėje be įprastos įtampos išėjimo (Vmeas) atsiranda triukšminga įtampa (Vnoise). Sukabinimo mechanizmas yra panašus į transformatorių veikimą, kad Vnoise būtų pateiktas lygtimi;

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

Kur M / K yra sukabinimo koeficientas, kuris priklauso nuo magnetinių kilpų atstumo, ploto ir orientacijos bei magnetinės absorbcijos tarp nagrinėjamų kilpų, kaip ir transformatoriuje. Taigi, projektuojant / PCB išdėstant netinkamai atsižvelgiant į kilpos orientaciją ir esant dideliam srovės kilpos plotui, paprastai yra didesnis spinduliuojamos EMI lygis.

Vykdė EMS SMPS:

Laidų sujungimas įvyksta, kai EMI emisija praeina palei laidininkus (laidus, kabelius, gaubtus ir vario pėdsakus PCB), sujungiančius EMI šaltinį ir imtuvą. Tokiu būdu sujungta EMI yra įprasta maitinimo linijose ir paprastai sunki H lauko komponentui.

Laidų sujungimas SMPS yra bendrojo režimo laidumas (trikdžiai atsiranda fazėje „+ ve“ ir „GND“ linijose) arba diferencialinis režimas (dviejų laidininkų trukdžiai atrodo ne fazėje).

Įprasto režimo išmetamą teršalų kiekį paprastai sukelia parazitinės talpos, tokios kaip radiatoriaus ir transformatoriaus, kartu su plokštės išdėstymu, ir perjungimo įtampos bangos forma.

Kita vertus, diferencinio režimo vykdomas išmetimas yra perjungimo veiksmo rezultatas, kuris sukelia srovės impulsus įėjime ir sukuria perjungimo šuolius, dėl kurių egzistuoja diferencinis triukšmas.

Indukcinė EMI SMPS:

Indukcinė jungtis įvyksta, kai tarp šaltinio ir aukos yra elektrinė (dėl talpiai sujungtos) arba magnetinė (dėl induktyviai sujungtos) EMI indukcija. Elektrinis arba talpinis sujungimas įvyksta, kai tarp dviejų gretimų laidininkų egzistuoja kintantis elektrinis laukas, sukeliantis įtampos pokytį tarp jų esančiame tarpelyje, tuo tarpu magnetinė arba indukcinė mova atsiranda, kai tarp dviejų lygiagrečių laidininkų yra kintantis magnetinis laukas, sukeliantis pokytį įtampoje palei priimantįjį laidininką.

Apibendrinant galima pasakyti, kad nors pagrindinis EMPS šaltinis SMPS yra aukšto dažnio perjungimo veiksmas kartu su greitais di / dt arba dv / dt pereinamaisiais veiksniais, įgalintojai, kurie palengvina sukurtos EMI sklaidą / plitimą potencialioms aukoms toje pačioje lentoje (arba išorinės sistemos) yra veiksniai, atsirandantys dėl netinkamo komponentų pasirinkimo, blogo dizaino išdėstymo ir esamų klystančiųjų induktyvumo / talpos buvimo srovės keliuose.

Dizaino būdai, kaip sumažinti EMI SMPS

Prieš pereinant į šį skyrių, gali būti naudinga pažvelgti į standartus ir reglamentus, susijusius su EMI / EMC, kad gautumėte priminimą apie tai, kokie yra projekto tikslai. Nors standartai įvairiose šalyse ir regionuose skiriasi, daugelyje regionų pripažįstami du plačiausiai pripažįstami, kurie suderinimo dėka yra priimtini; FCC EMI kontrolės taisykles ir CISPR 22 (Tarptautinio specialiojo radijo trukdžių komiteto (CISPR) trečiasis leidimas, 22 leidimas). Sudėtinga šių dviejų standartų informacija buvo apibendrinta EMI standarto straipsnyje, kurį aptarėme anksčiau.

Perdavimai EMS sertifikavimo procesus ar tiesiog užtikrinti savo prietaisus veikia gerai, kai aplink kiti prietaisai reikalauja, kad jūs nuolat savo išmetamųjų teršalų kiekį, žemiau aprašytus standartus vertybes.

Yra nemažai dizaino būdų, kaip sušvelninti EMS EMPS, ir mes bandysime juos apimti vienas po kito.

1. Eikite tiesiniu

Sąžiningai kalbant, jei jūsų programa gali tai sau leisti (didelės apimties ir neefektyvus pobūdis), naudodami linijinį maitinimo šaltinį, galite sutaupyti daug su elektros energijos tiekimu susijusių EMI įtampų. Jie nesukuria reikšmingos EMI ir jų kūrimas nekainuos tiek laiko ir pinigų. Dėl jų efektyvumo, net jei jis ir nėra lygus SMPS, vis tiek galite gauti pagrįstą efektyvumo lygį naudodami tiesinius LDO reguliatorius.

2. Naudokite maitinimo modulius

Geros EMI veiklos laikymasis kartais gali būti nepakankamai geras. Tose situacijose, kai atrodo, kad nerandate laiko ar kitų išteklių sureguliuoti ir gauti geriausius EMI rezultatus, vienas iš būdų, kuris paprastai veikia, yra perėjimas prie maitinimo modulių.

Maitinimo moduliai nėra tobuli, tačiau vienas dalykas, kurį jie daro gerai, užtikrina, kad nepatenkate į įprastų EMI kaltininkų pinkles, pvz., Netinkamą dizaino išdėstymą ir parazitinį induktyvumą / talpą. Kai kurie geriausi rinkoje esantys maitinimo moduliai jau atspindi būtinybę įveikti EMI ir yra sukurti tam, kad būtų galima sukurti greitus ir paprastus maitinimo šaltinius, užtikrinant gerą EMI veikimą. Gamintojai, tokie kaip „Murata“, „Recom“, „Mornsun“ ir kt., Turi platų SMPS modulių asortimentą, kuris jau mums rūpinasi EMI ir EMS problemomis.

Pavyzdžiui, jie paprastai turi daugumą komponentų, tokių kaip induktoriai, prijungti viduje pakuotės viduje, todėl modulio viduje yra labai mažas kilpos plotas ir sumažėja spinduliuojama EMI. Kai kurie moduliai apsaugo induktorius ir jungiklio mazgą, kad apsaugotų radiacinę EMI nuo ritės.

3. Ekranavimas

Žiaurus jėgos mechanizmas, sumažinantis EMI, apsaugo SMPS metalais. Tai pasiekiama triukšmą generuojančius šaltinius dedant į maitinimo šaltinį įžemintame laidžiu (metaliniame) korpuse, o vienintelė sąsaja su išorinėmis grandinėmis yra per linijinius filtrus.

Tačiau ekranavimas prideda papildomų išlaidų medžiagoms ir PCB dydžiui, todėl tai gali būti bloga idėja projektams, kurių tikslai yra pigūs.

4. Maketo optimizavimas

Dizaino maketas laikomas vienu iš pagrindinių klausimų, palengvinančių EMI sklaidą visoje grandinėje. Štai kodėl vienas iš plačių bendrų būdų sumažinti EMI SMPS yra maketo optimizavimas. Kartais tai yra gana dviprasmiškas terminas, nes tai gali reikšti įvairius dalykus, pradedant nuo parazitinių komponentų išnaikinimo, baigiant triukšmingų mazgų atskyrimu nuo triukšmo jautrių mazgų ir dabartinių kilpų plotų mažinimu ir kt.

Yra keletas SMPS dizaino maketo optimizavimo patarimų;

Apsaugokite triukšmui jautrius mazgus nuo triukšmingų mazgų

Tai galima padaryti pastatant juos kuo toliau vienas nuo kito, kad būtų išvengta elektromagnetinio jungimosi tarp jų. Keli triukšmui jautrių ir triukšmingų mazgų pavyzdžiai pateikti žemiau esančioje lentelėje;

Triukšmingi mazgai	Triukšmui jautrūs mazgai
Induktoriai	Jautimo keliai
Perjungti mazgus	Kompensacijos tinklai
Aukštos dI / dt kondensatoriai	Atsiliepimo kaištis
FETs	Valdymo grandinės

Laikykite trumpus triukšmui jautrių mazgų pėdsakus

Vario pėdsakai PCB veikia kaip spinduliuojamosios EMI antenos, todėl vienas iš geriausių būdų užkirsti kelią tiesiogiai triukšmui jautriems mazgams prijungtiems pėdsakams gauti spinduliuotą EMI yra juos kuo trumpiau perkelti perkeldami komponentus, prie kurių jie yra būti prijungtas kuo arčiau. Pavyzdžiui, ilgas rezistoriaus daliklio tinklo pėdsakas, kuris tiekiamas į grįžtamojo ryšio (FB) kaištį, gali veikti kaip antena ir paimti aplink ją spinduliuojamą EMI. Į „Feedback“ kaištį tiekiamas triukšmas sukels papildomą triukšmą sistemos išėjime, todėl prietaiso veikimas bus nestabilus.

Sumažinkite kritinės (antenos) kilpos plotą

Pėdsakai / laidai, kuriais perduodama perjungimo bangos forma, turėtų būti kuo arčiau vienas kito.

Spinduliuojama EMI yra tiesiogiai proporcinga srovės dydžiui (I) ir kilpos plotui (A), per kurį jis teka, todėl sumažinus srovės / įtampos plotą, galime sumažinti spinduliuojamosios EMI lygį. Geras būdas tai padaryti elektros linijoms yra pastatyti elektros liniją ir grįžimo kelią vienas ant kito ant gretimų PCB sluoksnių.

Sumažinkite nuklydusį induktyvumą

Vielos kilpos (kuri prisideda prie EMI spinduliavimo, nes ji proporcinga plotui) varža gali būti sumažinta didinant takelių (elektros linijos) dydį PCB ir nukreipiant jį lygiagrečiai jo grįžimo keliui, kad sumažėtų takelių induktyvumas..

Įžeminimas

Nepertraukta įžeminimo plokštuma, esanti ant išorinių PCB paviršių, suteikia trumpiausią EMI grįžimo kelią, ypač kai ji yra tiesiai po EMI šaltiniu, kur žymiai slopina spinduliuojamą EMI. Tačiau žemės lėktuvai gali būti problema, jei leisite juos perpjauti kitais pėdsakais. Pjūvis gali padidinti efektyvų kilpos plotą ir sukelti reikšmingą EMI lygį, nes grįžtamoji srovė turi rasti ilgesnį kelią, kad galėtų apeiti pjūvį ir grįžti prie dabartinio šaltinio.

Filtrai

EMI filtrai yra būtini maitinimo šaltiniams, ypač norint sušvelninti atliekamą EMI. Paprastai jie yra maitinimo šaltinio įėjime ir (arba) išėjime. Įėjime jie padeda filtruoti triukšmą iš tinklo ir išėjimo, todėl jis neleidžia tiekiamam triukšmui paveikti likusios grandinės.

Kuriant EMI filtrus, siekiant sušvelninti atliekamą EMI, paprastai svarbu įprasto režimo atliekamą emisiją vertinti atskirai nuo diferencinio režimo emisijos, nes filtro parametrai jiems spręsti bus skirtingi.

Atliekant diferencinio režimo EMI filtravimą, įvesties filtrai paprastai yra sudaryti iš elektrolitinių ir keraminių kondensatorių, kurie efektyviai susilpnina diferencinio režimo srovę esant mažesniam pagrindiniam perjungimo dažniui ir aukštesniais harmoniniais dažniais. Tais atvejais, kai reikalingas tolesnis slopinimas, nuosekliai su įėjimu pridedamas induktorius, kad būtų suformuotas vieno pakopos LC žemo dažnio filtras.

Naudojant bendrą režimą atliekamą EMI filtravimą, filtravimą galima efektyviai sujungti apėjimo kondensatorius tarp maitinimo linijų (tiek įvesties, tiek išvesties) ir žemės. Tais atvejais, kai reikia tolesnio slopinimo, su maitinimo linijomis nuosekliai gali būti pridedami prijungti droselio induktoriai.

Paprastai renkantis komponentus filtrų projektuose turėtų būti atsižvelgiama į blogiausius atvejus. Pavyzdžiui, bendro režimo EMI bus maksimali esant aukštai įėjimo įtampai, o diferencinio režimo EMI bus maksimali esant žemai įtampai ir didelei apkrovos srovei.

Išvada

Projektuojant komutacinius maitinimo šaltinius, atsižvelgiant į visus aukščiau paminėtus dalykus, paprastai kyla iššūkis, tai iš tikrųjų yra viena iš priežasčių, kodėl EMI švelninimas vadinamas „tamsiu menu“, tačiau, kai jūs prie to labiau priprantate, jie tampa antra prigimtimi.

Dėka daiktų interneto ir skirtingų technologijų pažangos, elektromagnetinis suderinamumas ir bendras kiekvieno įrenginio gebėjimas tinkamai veikti normaliomis darbo sąlygomis, nedarant neigiamos įtakos kitų arti esančių įrenginių veikimui, yra dar svarbesnis nei anksčiau. Prietaisai neturi būti jautrūs EMI iš netoliese esančių tyčinių ar netyčinių šaltinių, taip pat jie neturi tuo pačiu metu spinduliuoti (tyčia ar netyčia) trukdžių, galinčių sukelti kitų prietaisų veikimo sutrikimus.

Dėl su sąnaudomis susijusių priežasčių svarbu atsižvelgti į EMS ankstyvame SMPS projektavimo etape. Taip pat svarbu atsižvelgti į tai, kaip maitinimo šaltinio prijungimas prie pagrindinio įrenginio veikia EMI dinamiką abiejuose įrenginiuose, nes daugeliu atvejų, ypač įterptųjų SMPS, maitinimo šaltinis bus sertifikuotas kartu su įrenginiu kaip vienas įrenginys ir visi galiojantys įrenginiai bet kuris gali sukelti nesėkmę.