Методы проектирования для снижения эмиссии в схемах smps

В моей предыдущей статье о EMI мы изучили, как преднамеренный / непреднамеренный характер источников EMI и как они влияют на работу других электрических / электронных устройств (жертв) вокруг них. За этой статьей последовала еще одна статья об электромагнитной совместимости (EMC), которая предоставила представление об опасностях EMI и предложила некоторый контекст того, как неэффективное рассмотрение EMI ​​может негативно повлиять на рыночные характеристики продукта из-за ограничений регулирования или сбоев в функциональности.

Обе статьи содержат общие советы по минимизации EMI (исходящих или входящих) в дизайне, но в следующих нескольких статьях мы более подробно рассмотрим, как минимизировать EMI в определенных функциональных блоках вашего электронного продукта. Мы начнем с минимизации электромагнитных помех в блоках питания, уделяя особое внимание импульсным источникам питания.

Импульсный источник питания - это общий термин для источников питания AC-DC или DC-DC, в которых используются схемы с быстрым переключением для преобразования / преобразования напряжения (понижающего или повышающего). Они характеризуются высокой эффективностью, малым форм-фактором и низким энергопотреблением, что сделало их предпочтительными источниками питания для нового электронного оборудования / продуктов, даже несмотря на то, что они значительно сложнее и труднее проектировать по сравнению с ранее использовавшимися. стать популярными линейными источниками питания. Однако, помимо сложности своей конструкции, SMPS представляют значительную угрозу генерации электромагнитных помех из-за быстрых частот переключения, которые они используют для достижения высокой эффективности, которой они известны.

Поскольку каждый день разрабатывается все больше устройств (потенциальных жертв / источников электромагнитных помех), преодоление электромагнитных помех становится серьезной проблемой для инженеров, а достижение электромагнитной совместимости (ЭМС) становится столь же важным, как и обеспечение правильной работы устройства.

В сегодняшней статье мы рассмотрим природу и источники электромагнитных помех в SMPS, а также рассмотрим некоторые методы / подходы проектирования, которые можно использовать для их устранения.

Источники EMI в SMPS

Решение любой проблемы EMI обычно требует понимания источника помех, пути связи с другими цепями (жертвами) и природы жертвы, производительность которой отрицательно сказывается. Во время разработки продукта обычно почти невозможно определить влияние EMI ​​на потенциальных жертв, поэтому усилия по контролю EMI обычно сосредоточены на минимизации источников выбросов (или снижении восприимчивости), а также на устранении / сокращении путей сопряжения.

Основной источник электромагнитных помех в источниках питания SMPS можно отнести к их внутренней конструкции и характеристикам переключения. Либо в процессе преобразования из AC-DC, либо из DC-DC, компоненты переключения MOSFET в SMPS, включая или выключаясь на высоких частотах, создают ложную синусоидальную волну (прямоугольную волну), которую можно описать рядом Фурье как суммирование множества синусоидальных волн с гармонически связанными частотами. Этот полный спектр гармоник Фурье, возникающий в результате действия переключения, становится электромагнитным излучением, которое передается от источника питания к другим цепям в устройстве и к соседним электронным устройствам, чувствительным к этим частотам.

Помимо шума от переключения, еще одним источником электромагнитных помех в SMPS являются быстрые переходы тока (dI / dt) и напряжения (dV / dt) (которые, в общем, также связаны с переключением). Согласно уравнению Максвелла, эти переменные токи и напряжения будут создавать переменное электромагнитное поле, и, хотя величина поля уменьшается с расстоянием, оно взаимодействует с проводящими частями (например, медными дорожками на печатной плате), которые действуют как антенны и вызывают дополнительный шум на линиях., что приводит к EMI.

Теперь, электромагнитные помехи в источнике не так опасны (временами), пока они не подключены к соседним цепям или устройствам (жертвам), как таковые, устраняя / минимизируя потенциальные пути связи, электромагнитные помехи обычно можно уменьшить. Как обсуждалось в статье «Введение в EMI», EMI-связь обычно происходит через; проводимость (через нежелательные / перепрофилированные пути или так называемые «скрытые цепи»), индукция (связь посредством индуктивных или емкостных элементов, таких как трансформаторы) и излучения (по воздуху).

Понимая эти пути связи и то, как они влияют на электромагнитные помехи в импульсных источниках питания, разработчики могут создавать свои системы таким образом, чтобы минимизировать влияние пути связи и уменьшить распространение помех.

Различные типы механизмов связи EMI

Мы рассмотрим каждый из механизмов связи, относящихся к SMPS, и установим элементы конструкции SMPS, которые приводят к их существованию.

Излучаемые EMI ​​в SMPS:

Излученная связь возникает, когда источник и приемник (жертва) действуют как радиоантенны. Источник излучает электромагнитную волну, которая распространяется через открытое пространство между источником и жертвой. В SMPS распространение излучаемых электромагнитных помех обычно связано с коммутируемыми токами с высоким di / dt, которые усиливаются наличием контуров с быстрым временем нарастания тока из-за плохой компоновки конструкции, а также с практикой подключения, которая приводит к индуктивности рассеяния.

Рассмотрим схему ниже;

Быстрое изменение тока в цепи вызывает появление зашумленного напряжения (Vnoise) в дополнение к нормальному выходному напряжению (Vmeas). Механизм связи аналогичен работе трансформаторов, так что Vnoise задается уравнением;

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

Где M / K - коэффициент связи, который зависит от расстояния, площади и ориентации магнитных контуров, а также от магнитного поглощения между рассматриваемыми контурами - как в трансформаторе. Таким образом, при проектировании / компоновке печатной платы с плохим учетом ориентации контура и большой площадью токовой петли обычно наблюдается более высокий уровень излучаемых электромагнитных помех.

Проведенные EMI ​​в SMPS:

Кондуктивная связь возникает, когда электромагнитные помехи проходят по проводникам (проводам, кабелям, корпусам и медным дорожкам на печатных платах), соединяющим источник электромагнитных помех и приемник. Связанные таким образом электромагнитные помехи являются обычным явлением в линиях электропитания и обычно сильно влияют на составляющую H-поля.

Связь проводимости в SMPS является либо синфазной проводимостью (помехи появляются синфазно на линиях + ve и GND), либо дифференциальным режимом (помехи возникают не в фазе на двух проводниках).

Синфазная кондуктивная эмиссия обычно вызывается паразитными емкостями, такими как емкости радиатора и трансформатора, а также компоновкой платы и формой волны коммутируемого напряжения на переключателе.

С другой стороны, кондуктивные излучения в дифференциальном режиме являются результатом действия переключения, которое вызывает импульсы тока на входе и создает всплески переключения, которые приводят к существованию дифференциального шума.

Индуктивные электромагнитные помехи в SMPS:

Индуктивная связь возникает, когда между источником и жертвой существует электрическая (из-за емкостной связи) или магнитная (из-за индуктивно связанной) индукция электромагнитных помех. Электрическая связь или емкостная связь возникает, когда между двумя соседними проводниками существует переменное электрическое поле, вызывающее изменение напряжения в зазоре между ними, в то время как магнитная связь или индуктивная связь возникает, когда между двумя параллельными проводниками существует переменное магнитное поле, вызывая изменение по напряжению на приемном проводе.

Таким образом, хотя основным источником EMI в SMPS является высокочастотное переключение вместе с результирующими быстрыми переходными процессами di / dt или dv / dt, средства поддержки, которые способствуют распространению / распространению сгенерированных EMI среди потенциальных жертв на той же плате. (или внешние системы) являются факторами, которые возникают в результате неправильного выбора компонентов, плохой компоновки конструкции и наличия паразитной индуктивности / емкости в путях тока.

Методы проектирования для снижения электромагнитных помех в SMPS

Перед тем, как перейти к этому разделу, может быть полезно взглянуть на стандарты и правила, касающиеся EMI / EMC, чтобы получить напоминание о целях проектирования. Хотя стандарты различаются в зависимости от страны / региона, два наиболее широко принятых стандарта, которые благодаря гармонизации приемлемы для сертификации в большинстве регионов, включают: правила FCC EMI Control и CISPR 22 (Третье издание Международного специального комитета по радиопомехам (CISPR), Pub. 22). Сложные детали этих двух стандартов были обобщены в статье о стандартах EMI, которую мы обсуждали ранее.

Прохождение процессов сертификации EMC или просто обеспечение хорошей работы ваших устройств в сочетании с другими устройствами требует, чтобы вы поддерживали уровни выбросов ниже значений, описанных в стандартах.

Существует довольно много подходов к разработке для уменьшения электромагнитных помех в SMPS, и мы постараемся рассмотреть их один за другим.

1. Стань линейным

Честно говоря, если ваше приложение может себе это позволить (громоздкость и неэффективность), вы можете сэкономить много энергии, связанной с электромагнитными помехами, связанными с источником питания, используя линейный источник питания. Они не создают значительных электромагнитных помех и не требуют больших затрат времени и денег на разработку. Что касается их эффективности, даже если она не соответствует уровню SMPS, вы все равно можете получить разумные уровни эффективности, используя линейные стабилизаторы LDO.

2. Используйте силовые модули.

Следование передовым методикам для получения хороших характеристик электромагнитных помех иногда может быть недостаточно хорошим. В тех ситуациях, когда кажется, что вы не можете найти время или другие ресурсы для настройки и получения наилучших результатов по электромагнитным помехам, обычно работает один подход - переход на модули питания.

Модули питания не идеальны, но одна вещь, которую они делают хорошо, гарантирует, что вы не попадете в ловушку обычных виновников электромагнитных помех, таких как плохая компоновка конструкции и паразитная индуктивность / емкость. Некоторые из лучших модулей питания на рынке уже учитывают необходимость преодоления электромагнитных помех и предназначены для обеспечения быстрой и простой разработки источников питания с хорошими характеристиками электромагнитных помех. Такие производители, как Murata, Recom, Mornsun и т. Д., Имеют широкий спектр модулей SMPS, которые уже решают проблемы EMI и EMC за нас.

Например, они обычно имеют большинство компонентов, таких как катушки индуктивности, соединенных внутри корпуса, поэтому внутри модуля существует очень маленькая площадь контура, и излучаемые электромагнитные помехи уменьшаются. Некоторые модули доходит до экранирования катушек индуктивности и узла переключения, чтобы предотвратить излучаемые электромагнитные помехи от катушки.

3. Экранирование

Механизм грубой силы для уменьшения электромагнитных помех - это защита ИИП металлом. Это достигается за счет размещения источников шума в источнике питания в заземленном проводящем (металлическом) корпусе, при этом единственный интерфейс с внешними цепями осуществляется через линейные фильтры.

Однако экранирование добавляет к проекту дополнительные затраты на материалы и размер печатной платы, поэтому это может быть плохой идеей для проектов с низкими затратами.

4. Оптимизация макета

Компоновка конструкции считается одной из главных проблем, способствующих распространению электромагнитных помех по цепи. Вот почему одним из широких общих методов снижения EMI в SMPS является оптимизация компоновки. Иногда это довольно неоднозначный термин, так как он может означать разные вещи, начиная от устранения паразитных компонентов и заканчивая отделением шумных узлов от чувствительных к шуму узлов, а также уменьшением площадей контуров тока и т. Д.

Некоторые советы по оптимизации макета для проектов SMPS включают:

Защитите чувствительные к шуму узлы от шумных узлов

Это можно сделать, разместив их как можно дальше друг от друга, чтобы предотвратить электромагнитную связь между ними. Некоторые примеры чувствительных к шуму и шумных узлов приведены в таблице ниже;

Шумные узлы	Чувствительные к шуму узлы
Индукторы	Чувствительные пути
Узлы переключения	Компенсационные сети
Конденсаторы с высоким dI / dt	Пин обратной связи
Полевые транзисторы	Цепи управления

Следите за тем, чтобы узлы, чувствительные к шуму, были короткими

Медные дорожки на печатной плате действуют как антенны для излучаемых электромагнитных помех, поэтому один из лучших способов предотвратить появление излучаемых электромагнитных помех на трассах, напрямую подключенных к чувствительным к шуму узлам, - это сделать их как можно короче путем перемещения компонентов, к которым они относятся. быть подключенным, как можно ближе. Например, длинная дорожка от цепи резисторного делителя, которая подается на вывод обратной связи (FB), может действовать как антенна и улавливать излучаемые электромагнитные помехи вокруг нее. Шум, подаваемый на вывод обратной связи, будет вносить дополнительный шум на выходе системы, что сделает работу устройства нестабильной.

Уменьшение критической (антенной) площади петли

Дорожки / провода, передающие сигнал переключения, должны быть как можно ближе друг к другу.

Излучаемые электромагнитные помехи прямо пропорциональны величине тока (I) и площади контура (A), через которую он протекает, как таковая, уменьшив площадь тока / напряжения, мы можем снизить уровень излучаемых электромагнитных помех. Хороший способ сделать это для линий электропередач - разместить линию электропередачи и обратный путь друг над другом на соседних слоях печатной платы.

Минимизировать паразитную индуктивность

Импеданс проволочной петли (которая способствует излучаемым электромагнитным помехам, пропорционально площади) может быть уменьшено путем увеличения размера дорожек (силовой линии) на печатной плате и прокладки ее параллельно обратному пути, чтобы уменьшить индуктивность дорожек..

Заземление

Непрерывная заземляющая пластина, расположенная на внешних поверхностях печатной платы, обеспечивает кратчайший путь возврата для электромагнитных помех, особенно когда он расположен непосредственно под источником электромагнитных помех, где он значительно подавляет излучаемые электромагнитные помехи. Однако наземные самолеты могут стать проблемой, если вы позволите прорезать их другими следами. Разрез может увеличить эффективную площадь контура и привести к значительным уровням электромагнитных помех, поскольку обратный ток должен найти более длинный путь, чтобы обойти разрез, чтобы вернуться к источнику тока.

Фильтры

Фильтры EMI необходимы для источников питания, особенно для снижения наведенных EMI. Обычно они располагаются на входе и / или выходе источника питания. На входе они помогают фильтровать шум от сети, а на выходе предотвращают воздействие шума от источника питания на остальную цепь.

При разработке фильтров электромагнитных помех для уменьшения наведенных электромагнитных помех обычно важно рассматривать синфазное кондуктивное излучение отдельно от дифференциального излучения, поскольку параметры фильтра для их устранения будут другими.

Для фильтрации кондуктивных электромагнитных помех в дифференциальном режиме входные фильтры обычно состоят из электролитических и керамических конденсаторов, объединенных вместе, для эффективного ослабления тока дифференциального режима на более низкой основной частоте переключения, а также на более высоких частотах гармоник. В ситуациях, когда требуется дополнительное подавление, катушка индуктивности добавляется последовательно со входом, чтобы сформировать одноступенчатый LC-фильтр нижних частот.

Для фильтрации кондуктивных электромагнитных помех в синфазном режиме фильтрация может быть эффективно достигнута путем подключения байпасных конденсаторов между линиями питания (входными и выходными) и землей. В ситуациях, когда требуется дополнительное затухание, связанные дроссельные катушки индуктивности могут быть добавлены последовательно с линиями электропередач.

Как правило, при выборе компонентов при разработке фильтров следует учитывать наихудшие сценарии. Например, синфазные электромагнитные помехи будут максимальными при высоком входном напряжении, тогда как дифференциальные электромагнитные помехи будут максимальными при низком напряжении и высоком токе нагрузки.

Заключение

Принятие во внимание всех упомянутых выше моментов при разработке импульсных источников питания, как правило, является сложной задачей, фактически это одна из причин, по которой снижение электромагнитных помех называют «темным искусством», но по мере того, как вы привыкаете к нему, они становятся второй натурой..

Благодаря IoT и различным достижениям в технологиях электромагнитная совместимость и общая способность каждого устройства правильно функционировать в нормальных условиях эксплуатации, не оказывая отрицательного воздействия на работу других устройств в непосредственной близости от него, стали даже более важными, чем раньше. Устройства не должны быть восприимчивы к электромагнитным помехам от ближайших преднамеренных или непреднамеренных источников, и в то же время они не должны излучать (намеренно или непреднамеренно) помехи на уровнях, которые могут привести к неисправности других устройств.

По причинам, связанным с затратами, важно учитывать ЭМС на ранней стадии проектирования SMPS. Также важно учитывать, как подключение источника питания к основному устройству влияет на динамику электромагнитных помех в обоих устройствах, так как в большинстве случаев, особенно для встроенных SMPS, источник питания будет сертифицирован вместе с устройством как единое целое, и любые отказы либо могло привести к неудаче.