Suunnittelutekniikat emien vähentämiseksi smps-piireissä

Aikaisemmassa EMI-artikkelissani tutkimme, kuinka EMI-lähteiden tahallinen / tahaton luonne ja miten ne vaikuttavat muiden ympärillä olevien sähköisten / elektronisten laitteiden (uhrien) suorituskykyyn. Artikkelin jälkeen julkaistiin toinen artikkeli sähkömagneettisesta yhteensopivuudesta (EMC), joka antoi oivalluksia EMI: n vaaroista ja tarjosi jonkin verran kontekstia siitä, kuinka huono EMI-huomio voi vaikuttaa negatiivisesti tuotteen markkinoiden suorituskykyyn joko sääntelyn purkamisen tai toimintahäiriöiden vuoksi.

Molemmat artikkelit sisältävät laajoja vinkkejä EMI: n (lähtevän tai saapuvan) minimoimiseksi suunnittelussa, mutta seuraavien artikkeleiden aikana tutkitaan syvemmälle ja tutkitaan, kuinka EMI voidaan minimoida tietyissä elektronisen tuotteesi toiminnallisissa yksiköissä. Aloitamme asiat minimoimalla EMI virtalähdeyksiköissä keskittyen erityisesti kytkinmoodin virtalähteisiin.

Kytkentätilan virtalähde on yleinen termi AC-DC- tai DC-DC-virtalähteille, jotka käyttävät nopeita kytkentäpiirejä jännitteen muuntamiseen / muuntamiseen (buck tai boost). Niille on ominaista korkea hyötysuhde, pieni muoto ja pieni virrankulutus, mikä on tehnyt niistä valinnanvaraa uusille elektroniikkalaitteille / tuotteille, vaikka ne ovatkin huomattavasti monimutkaisempia ja vaikeasti suunniteltavia verrattuna käytettyihin laitteisiin. suosittuja lineaarisia virtalähteitä. Suunnittelunsa monimutkaisuuden lisäksi SMPS: llä on kuitenkin merkittävä EMI: n muodostumisuhka heidän käyttämiensä nopean kytkentätaajuuden vuoksi, jotta saavutetaan korkea hyötysuhde, jonka vuoksi ne tunnetaan.

Kun päivittäin kehitetään enemmän laitteita (potentiaalisia EMI-uhreja / lähteitä), EMI: n voittamisesta on tulossa suuri haaste insinööreille ja sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) saavuttamisesta on tulossa yhtä tärkeää kuin saada laite toimimaan oikein.

Tämänpäiväisessä artikkelissa tarkastellaan EMS: n luonnetta ja lähteitä SMPS: ssä ja tutkitaan joitain suunnittelutekniikoita / lähestymistapoja, joita voidaan käyttää niiden lieventämiseen.

EMI-lähteet SMPS-järjestelmässä

Minkä tahansa EMI-ongelman ratkaiseminen edellyttää yleensä häiriölähteen, kytkentäpolun muille piireille (uhrit) ymmärtämistä ja sen uhrin luonnetta, jonka suorituskykyyn se vaikuttaa negatiivisesti. Tuotekehityksen aikana on yleensä lähes mahdotonta määrittää EMI: n vaikutuksia potentiaalisiin uhreihin, sinänsä EMI: n valvontatoimet keskittyvät yleensä päästölähteiden minimoimiseen (tai alttiuden vähentämiseen) ja kytkentäreittien poistamiseen / vähentämiseen.

SMPS-virtalähteiden tärkein EMI-lähde voidaan jäljittää niiden luontaisesta luonteesta ja kytkentäominaisuuksista. Joko prosessin aikana konversio AC-DC tai DC-DC-, MOSFET kytkentäosista SMPS, kytketään päälle tai pois päältä korkeilla taajuuksilla, luoda vääriä siniaallon (neliö aalto), joita voidaan kuvata Fourier-sarjan kuin monien siniaaltojen summaaminen harmonisesti liittyvillä taajuuksilla. Tästä kytkentätoiminnon tuloksena syntyvästä harmonisesta harmonisesta spektristä muodostuu koko lähetetty EMI, virtalähteestä laitteen muihin piireihin ja läheisiin elektronisiin laitteisiin, jotka ovat alttiita näille taajuuksille.

Kytkennän aiheuttaman melun lisäksi toinen SMI: n EMI-lähde on nopeat virta (dI / dt) ja jännite (dV / dt) siirtymät (jotka liittyvät hyvin myös kytkentään). Maxwellin yhtälön mukaan tämä vaihteleva virta ja jännite tuottaa vaihtelevan sähkömagneettisen kentän, ja vaikka kentän suuruus pienenee etäisyyden mukana, se on vuorovaikutuksessa johtavien osien (kuten piirilevyssä olevien kuparijälkien) kanssa, jotka toimivat kuten antennit ja aiheuttavat lisämelua linjoilla., mikä johtaa EMI: hen.

Nyt lähde-EMI ei ole niin vaarallinen (toisinaan), ennen kuin se on kytketty naapuripiireihin tai -laitteisiin (uhrit) sinänsä, eliminoimalla / minimoimalla mahdolliset kytkentäreitit, EMI: tä voidaan yleensä vähentää. Kuten artikkelissa "Johdatus EMI: hin" on keskusteltu, EMI-kytkentä tapahtuu yleensä kautta; johtuminen (ei-toivottujen / uudelleen asetettujen reittien tai ns. "piilopiirien" kautta), induktio (kytkentä induktiivisten tai kapasitiivisten elementtien, kuten muuntajien kautta), ja säteily (ilman kautta).

Ymmärtämällä nämä kytkentäreitit ja miten ne vaikuttavat kytkentätilan virtalähteiden EMI: hen, suunnittelijat voivat luoda järjestelmänsä siten, että kytkentäreitin vaikutus minimoidaan ja häiriöiden leviäminen vähenee.

Eri tyyppiset EMI-kytkentämekanismit

Käymme läpi kaikki SMPS: ään liittyvät kytkentämekanismit ja määritämme niiden olemassaolon aiheuttavat SMPS-mallien elementit.

Säteilevä EMI SMPS: ssä:

Säteilevä kytkentä tapahtuu, kun lähde ja reseptori (uhri) toimivat radioantenneina. Lähde säteilee sähkömagneettista aaltoa, joka leviää lähteen ja uhrin välisen avoimen tilan yli. SMPS: ssä säteilevä EMI-eteneminen liittyy yleensä kytkettyihin virtoihin, joiden di / dt on korkea, mikä johtuu silmukoiden olemassaolosta, joilla on nopea virran nousuaika huonon suunnittelun vuoksi, ja johdotuskäytännöistä, jotka aiheuttavat vuotoinduktanssin.

Harkitse alla olevaa piiriä;

Piirin nopea virranmuutos aiheuttaa meluisen jännitteen (Vnoise) normaalin jännitelähdön (Vmeas) lisäksi. Kytkentämekanismi on samanlainen kuin muuntajien toiminta siten, että Vnoise saadaan yhtälöstä;

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

M / K on kytkentäkerroin, joka riippuu magneettisilmukoiden etäisyydestä, pinta-alasta ja orientaatiosta sekä kyseisten silmukoiden välisestä magneettisesta absorbiteetista - aivan kuten muuntajassa. Siten suunnittelussa / piirilevyasettelussa, jossa on heikko silmukan suuntaus ja suuri virtasilmukan pinta-ala, säteilevä EMI on yleensä korkeampi.

Suoritettu EMI SMPS: ssä:

Johtokytkentä tapahtuu, kun EMI-päästöt kulkevat johtimien (johdot, kaapelit, kotelot ja piirilevyjen kuparijäljet) kautta, jotka yhdistävät EMI-lähteen ja vastaanottimen. Tällä tavalla kytketty EMI on yleinen virtalähteillä ja yleensä raskas H-kenttäosalla.

Johtokytkentä SMPS: ssä on joko Common Mode -johtaminen (häiriö ilmestyy vaiheittain + ve- ja GND-linjoilla) tai differentiaalitila (häiriö näkyy vaiheen ulkopuolella kahdessa johtimessa).

Tavallisessa tilassa johtavat päästöt johtuvat yleensä loiskapasitansseista, kuten jäähdytyselementin ja muuntajan kapasiteetista, yhdessä levyn asettelun kanssa ja kytkentäjännitteen aaltomuodon kytkimen yli.

Toisaalta differentiaalimoodissa suoritetut päästöt ovat seurausta kytkentätoiminnasta, joka aiheuttaa virtapulsseja tuloon ja luo kytkentäpiikkejä, jotka johtavat differentiaalisen melun olemassaoloon.

Induktiivinen EMI SMPS: ssä:

Induktiivinen kytkentä tapahtuu, kun lähteen ja uhrin välillä on sähköinen (kapasitiivisesti kytketyn) tai magneettinen (induktiivisesti kytketyn) EMI-induktio. Sähkökytkentä tai kapasitiivinen kytkentä tapahtuu, kun kahden vierekkäisen johtimen välillä on vaihteleva sähkökenttä aiheuttaen jännitteen muutoksen niiden välisen aukon yli, kun taas magneettikytkentä tai induktiivinen kytkentä tapahtuu, kun kahden rinnakkaisen johtimen välillä on vaihteleva magneettikenttä, mikä aiheuttaa muutoksen jännitteessä pitkin vastaanottavaa johtoa.

Yhteenvetona voidaan todeta, että vaikka SMPS: n tärkein lähde on korkean taajuuden kytkentätoiminto sekä tuloksena olevat nopeat di / dt- tai dv / dt-transientit, mahdollistajat, jotka helpottavat muodostetun EMI: n etenemistä / leviämistä potentiaalisille uhreille samalla levyllä (tai ulkoiset järjestelmät) ovat tekijöitä, jotka johtuvat huonosta komponenttien valinnasta, huonosta suunnittelusta ja hajainduktanssin / kapasitanssin olemassaolosta nykyisillä poluilla.

Suunnittelutekniikat EMI: n vähentämiseksi SMPS: ssä

Ennen tämän osan läpikäyntiä saattaa olla palkitsevaa tarkastella EMI: n / EMC: n standardeja ja määräyksiä saadaksesi muistutuksen suunnittelutavoitteista. Vaikka standardit vaihtelevat maittain / alueittain, kaksi yleisimmin hyväksyttyä, jotka yhdenmukaistamisen ansiosta voidaan hyväksyä useimmilla alueilla; FCC EMI Control -määräykset ja CISPR 22 (Kansainvälisen radiohäiriöiden erityiskomitean (CISPR) kolmas painos, julkaisu 22). Näiden kahden standardin monimutkaiset yksityiskohdat tiivistettiin EMI-standardiartikkelissa, josta keskustelimme aiemmin.

EMC-sertifiointiprosessien läpäiseminen tai vain sen varmistaminen, että laitteesi toimivat hyvin muiden laitteiden lähellä, edellyttää, että pidät päästötasosi alle standardeissa kuvattujen arvojen.

EMI: n lieventämiseksi SMPS: ssä on olemassa melko paljon suunnittelutapoja, ja yritämme kattaa ne peräkkäin.

1. Mene lineaariseksi

Rehellisesti sanottuna, jos sovelluksellasi on siihen varaa (tilavuus ja tehoton luonne), voit säästää itsellesi paljon virtalähteeseen liittyvää EMI-stressiä käyttämällä lineaarista virtalähdettä. Ne eivät tuota merkittävää EMI: tä, eivätkä niiden kehittäminen maksa niin paljon aikaa ja rahaa. Niiden tehokkuuden vuoksi voit saavuttaa kohtuulliset hyötysuhteet käyttämällä LDO-lineaarisia säätimiä, vaikka se ei ehkä olisikaan SMPS: n tasolla.

2. Käytä tehomoduuleja

Parhaiden käytäntöjen noudattaminen hyvän EMI-suorituskyvyn saavuttamiseksi ei ehkä ole toisinaan tarpeeksi hyvää. Niissä tilanteissa, joissa et tunnu löytävän aikaa tai muita resursseja virittämään ja saamaan parhaat EMI-tulokset, yksi yleensä toimiva lähestymistapa on siirtyminen virtamoduuleihin.

Virtamoduulit eivät ole täydellisiä, mutta yksi asia, jonka ne tekevät hyvin, varmistavat, ettet kuulu tavallisten EMI-syyllisten, kuten huonon suunnittelun ja loisten induktanssin / kapasitanssin, ansaan. Jotkut markkinoiden parhaista tehomoduuleista selittävät jo tarvetta voittaa EMI, ja ne on suunniteltu tekemään nopeaa ja helppoa virtalähdettä kehittämällä hyvällä EMI-suorituskyvyllä. Murata, Recom, Mornsun jne. Kaltaisilla valmistajilla on laaja valikoima SMPS-moduuleja, jotka jo hoitavat EMI- ja EMC-ongelmat meille.

Esimerkiksi niillä on yleensä suurin osa komponenteista, kuten induktorit, kytketty sisäisesti pakkauksen sisälle, sellaisenaan moduulin sisällä on hyvin pieni silmukka-alue ja säteilevä EMI vähenee. Jotkut moduulit menevät niin pitkälle kuin suojaavat induktoreita ja kytkinsolmua estämään säteilevä EMI kelasta.

3. Suojaus

Raakavoimamekanismi EMI: n vähentämiseksi suojaa SMPS: ää metallilla. Tämä saavutetaan sijoittamalla melua tuottavat lähteet virtalähteeseen maadoitetun johtavan (metallisen) kotelon sisään, ja ainoa liitäntä ulkoisiin piireihin on linjasuodattimien kautta.

Suojaus lisää kuitenkin projektille lisäkustannuksia materiaaleista ja piirilevykokosta, sellaisenaan se voi olla huono idea hankkeille, joilla on edulliset tavoitteet.

4. Asettelun optimointi

Suunnittelun asettelua pidetään yhtenä pääkysymyksistä, jotka helpottavat EMI: n etenemistä piirin yli. Siksi yksi yleisistä tekniikoista EMI: n vähentämiseksi SMPS: ssä on Asettelun optimointi. Se on joskus melko epäselvä termi, koska se voi tarkoittaa erilaisia ​​asioita loislääkeosien hävittämisestä meluisten solmujen erottamiseen meluherkistä solmuista ja nykyisten silmukka-alueiden vähentämisestä jne.

Joitakin SMPS-mallien asettelun optimointivinkkejä ovat;

Suojaa meluherkät solmut meluisilta solmuilta

Tämä voidaan tehdä sijoittamalla ne mahdollisimman kauas toisistaan ​​estämään niiden välinen sähkömagneettinen kytkentä. Seuraavassa taulukossa on joitain esimerkkejä meluherkistä ja meluisista solmuista;

Meluisa solmut	Meluherkät solmut
Induktorit	Tunnistaa polkuja
Vaihda solmuja	Korvausverkot
Suuret dI / dt-kondensaattorit	Palautetappi
FETit	Ohjauspiirit

Pidä meluherkät solmut jäljet ​​lyhyinä

Piirilevyn kuparijäljet ​​toimivat säteilyn EMI: n antenneina sellaisenaan, yksi parhaista tavoista estää meluherkille solmuille suoraan liitetyt jäljet ​​saamasta säteileviä EMI: itä pitämällä ne mahdollisimman lyhyinä siirtämällä komponentteja, joihin ne ovat liitettävä mahdollisimman lähelle. Esimerkiksi pitkä jälki vastuksenjakajaverkosta, joka syötetään palautetappiin (FB), voi toimia antennina ja poimia säteilevän EMI: n sen ympärille. Palautetappiin syötettävä melu aiheuttaa ylimääräistä kohinaa järjestelmän lähtöön, mikä tekee laitteen suorituskyvystä epävakaan.

Vähennä kriittisen (antenni) silmukan aluetta

Kytkentäaaltomuotoa kantavien jälkien / johtimien tulisi olla mahdollisimman lähellä toisiaan.

Säteilevä EMI on suoraan verrannollinen virran (I) suuruuteen ja silmukan pinta-alaan (A), jonka läpi se virtaa, sellaisenaan vähentämällä virran / jännitteen aluetta, voimme vähentää säteilevän EMI: n tasoa. Hyvä tapa tehdä tämä voimajohdoille on sijoittaa voimajohto ja paluureitti toistensa yli piirilevyn vierekkäisille kerroksille.

Minimoi harha-induktanssi

Lankasilmukan impedanssia (joka vaikuttaa säteilevään EMI: hen suhteessa alueeseen) voidaan pienentää lisäämällä piirilevyn raitojen kokoa ja reitittämällä se paluureitin suuntaisesti kappaleiden induktanssin vähentämiseksi.

Maadoitus

Piirilevyn ulkopinnoille sijoitettu katkematon maataso tarjoaa lyhimmän paluureitin EMI: lle, varsinkin kun se sijaitsee suoraan EMI-lähteen alapuolella, missä se vaimentaa säteilevää EMIä merkittävästi. Maatasot voivat kuitenkin olla ongelma, jos sallit niiden leikkaamisen muiden jälkien avulla. Leikkaus voi lisätä tehollista silmukan pinta-alaa ja johtaa merkittäviin EMI-tasoihin, koska paluuvirran on löydettävä pidempi polku leikkauksen kiertämiseksi, palatakseen nykyiseen lähteeseen.

Suodattimet

EMI-suodattimet ovat välttämätön virtalähteille, erityisesti johtavan EMI: n lieventämiseksi. Ne sijaitsevat yleensä virtalähteen tulossa ja / tai ulostulossa. Tulossa ne auttavat suodattamaan melua verkosta ja lähdöstä, mikä estää syöttöäänen melua vaikuttamasta muuhun piiriin.

Suunnitellessaan EMI-suodattimia johtuvan EMI: n lieventämiseksi on yleensä tärkeää käsitellä yhteismoodia johtuvia päästöjä erillään differentiaalimoodien päästöistä, koska suodattimen parametrit niihin vastaamiseksi ovat erilaiset.

Ja ero-tilassa suoritetaan EMI suodatuksen, tulo suodattimet ovat yleensä koostuu elektrolyytti ja keraamisia kondensaattoreita, yhdistettiin, tehokkaasti vaimentaa ero virran alemmalla perus- kytkentätaajuus ja myös korkeammilla harmonisilla taajuuksilla. Tilanteissa, joissa tarvitaan lisää vaimennusta, induktori lisätään sarjaan tulon kanssa yksivaiheisen LC-alipäästösuodattimen muodostamiseksi.

Ja yhteinen tila johdetaan EMI suodatuksen suodatus voidaan tehokkaasti saavuttaa kytkemällä ohittaa kondensaattorit voimajohdot (sekä tulo- että lähtö) ja maahan. Tilanteissa, joissa vaaditaan lisävaimennusta, kytkettyjä rikastininduktoreita voidaan lisätä sarjaan voimajohtojen kanssa.

Suodatinmalleissa tulisi yleensä ottaa huomioon pahin tapaus skenaarioita valittaessa komponentteja. Esimerkiksi Common-mode EMI on suurin korkealla tulojännitteellä, kun taas differentiaalitilan EMI on suurin pienellä jännitteellä ja suurella kuormitusvirralla.

Johtopäätös

Kaikkien edellä mainittujen seikkojen huomioon ottaminen kytkentävirtalähteiden suunnittelussa on yleensä haaste, se on käytännössä yksi syy siihen, miksi EMI-lieventämiseen viitataan "pimeänä taiteena", mutta kun totut siihen paremmin, niistä tulee toisenlainen luonne.

IoT: n ja tekniikan erilaisten kehitysten ansiosta sähkömagneettinen yhteensopivuus ja kunkin laitteen yleinen kyky toimia kunnolla normaaleissa käyttöolosuhteissa vaikuttamatta kielteisesti muiden läheisyydessä olevien laitteiden toimintaan ovat entistä tärkeämpiä. Laitteet eivät saa olla alttiita lähellä olevista tahallisista tai tahattomista lähteistä peräisin olevalle EMI: lle, ja niiden ei myöskään saa samalla säteillä (tahallaan tai tahattomasti) häiriöitä tasoilla, jotka voivat johtaa muiden laitteiden toimintahäiriöihin.

Kustannuksiin liittyvistä syistä on tärkeää ottaa EMC huomioon SMPS-suunnittelun alkuvaiheessa. On myös tärkeää pohtia, miten virtalähteen kytkeminen päälaitteeseen vaikuttaa molempien laitteiden EMI-dynamiikkaan, koska useimmissa tapauksissa, erityisesti upotettujen SMPS-laitteiden kohdalla, virtalähde sertifioidaan yhdessä laitteen kanssa yhtenä yksikkönä ja mahdolliset vanhenemiset joko voi johtaa epäonnistumiseen.