Ontwerptechnieken voor het verminderen van emi in smps-circuits

In mijn vorige artikel over EMI hebben we onderzocht hoe de opzettelijke / onopzettelijke aard van EMI-bronnen en hoe ze de prestaties van andere elektrische / elektronische apparaten (slachtoffers) om hen heen beïnvloeden. Het artikel werd gevolgd door een ander artikel over elektromagnetische compatibiliteit (EMC), dat inzicht gaf in de gevaren van EMI en enige context bood over hoe een slechte EMI-overweging de marktprestaties van een product negatief zou kunnen beïnvloeden, hetzij als gevolg van reguleringsbeperkingen of functionele storingen.

Beide artikelen bevatten uitgebreide tips voor het minimaliseren van EMI (uitgaand of inkomend) in ontwerp, maar in de komende artikelen zullen we dieper ingaan op en onderzoeken hoe u EMI in bepaalde functionele eenheden van uw elektronische product kunt minimaliseren. We beginnen met het minimaliseren van EMI in voedingseenheden met een specifieke focus op Switch Mode-voedingen.

Switch Mode Power supply is een algemene term voor AC-DC of DC-DC stroombronnen die circuits gebruiken met snelle schakelacties voor spanningstransformatie / conversie (buck of boost). Ze worden gekenmerkt door een hoog rendement, een kleine vormfactor en een laag stroomverbruik, waardoor ze de voorkeursvoeding zijn voor nieuwe elektronische apparatuur / producten, hoewel ze aanzienlijk complexer en moeilijker te ontwerpen zijn in vergelijking met vroeger. populaire lineaire voedingen. Naast de complexiteit van hun ontwerpen vormt SMPS echter een aanzienlijke bedreiging voor het genereren van EMI vanwege de snelle schakelfrequenties die ze gebruiken om de hoge efficiëntie te bereiken waarvoor ze bekend staan.

Nu er elke dag meer apparaten (potentiële EMI-slachtoffers / bron) worden ontwikkeld, wordt het overwinnen van EMI een grote uitdaging voor ingenieurs en wordt het bereiken van elektromagnetische compatibiliteit (EMC) net zo belangrijk als het correct laten functioneren van het apparaat.

Voor het artikel van vandaag zullen we kijken naar de aard en bronnen van EMI in SMPS, en enkele ontwerptechnieken / benaderingen onderzoeken die kunnen worden gebruikt om deze te verminderen.

Bronnen van EMI in SMPS

Het oplossen van elk EMI-probleem vereist over het algemeen inzicht in de bron van interferentie, het koppelingspad naar andere circuits (slachtoffers) en de aard van het slachtoffer wiens prestaties negatief worden beïnvloed. Tijdens productontwikkeling is het meestal bijna onmogelijk om de impact van EMI op potentiële slachtoffers te bepalen, daarom zijn de inspanningen van EMI-controle meestal gericht op het minimaliseren van emissiebronnen (of het verminderen van gevoeligheid) en het elimineren / verminderen van koppelingspaden.

De belangrijkste bron van EMI in SMPS-voedingen kan worden herleid tot hun inherente ontwerpkarakter en schakelkarakteristieken. Ofwel tijdens het conversieproces van AC-DC of DC-DC, creëren de MOSFET-schakelcomponenten in SMPS, in- of uitschakelen bij hoge frequenties, een valse sinusgolf (blokgolf), die door een Fourier-serie kan worden beschreven als de sommatie van vele sinusgolven met harmonisch gerelateerde frequenties. Dit volledige Fourier-spectrum van harmonischen, resulterend uit de schakelactie, wordt de EMI die wordt verzonden, van de voeding naar andere circuits in het apparaat en naar nabijgelegen elektronische apparaten die gevoelig zijn voor deze frequenties.

Afgezien van ruis van schakelen, is een andere bron van EMI in SMPS de snelle stroom- (dI / dt) en spanningsovergangen (dV / dt) (die, nou ja, ook verband houden met schakelen). Volgens de vergelijking van maxwell zullen deze wisselstromen en -spanningen een wisselend elektromagnetisch veld produceren, en hoewel de grootte van het veld afneemt met de afstand, werkt het samen met geleidende delen (zoals kopersporen op de printplaat) die als antennes werken en extra ruis op de lijnen veroorzaken., leidend tot EMI.

Nu is EMI aan de bron (soms) niet zo gevaarlijk totdat het wordt gekoppeld aan naburige circuits of apparaten (slachtoffers), als zodanig, door het elimineren / minimaliseren van de potentiële koppelingspaden, kan EMI over het algemeen worden verminderd. Zoals besproken in het artikel "Inleiding tot EMI", vindt EMI-koppeling doorgaans plaats via; geleiding (via ongewenste / hergebruikte paden of zogenaamde "sneak circuits"), inductie (koppeling door inductieve of capacitieve elementen zoals transformatoren) en straling (over-the-air).

Door deze koppelpaden te begrijpen en te begrijpen hoe ze EMI beïnvloeden in schakelende voedingen, kunnen ontwerpers hun systemen zo maken dat de invloed van het koppelpad wordt geminimaliseerd en de verspreiding van de interferentie wordt verminderd.

Verschillende soorten EMI-koppelingsmechanismen

We zullen elk van de koppelingsmechanismen met betrekking tot SMPS bespreken en de elementen van SMPS-ontwerpen vaststellen die aanleiding geven tot hun bestaan.

Uitgestraalde EMI in SMPS:

Uitgestraalde koppeling vindt plaats wanneer de bron en de receptor (slachtoffer) als radioantennes werken. De bron straalt een elektromagnetische golf uit die zich voortplant over de open ruimte tussen de bron en het slachtoffer. In SMPS wordt de voortplanting van gestraalde EMI meestal geassocieerd met geschakelde stromen met hoge di / dt, versterkt door het bestaan ​​van lussen met snelle stroomstijgingstijden als gevolg van een slechte ontwerplay-out en bedradingspraktijken die aanleiding geven tot lekinductie.

Beschouw het onderstaande circuit;

Door de snelle stroomverandering in de schakeling ontstaat naast de normale spanningsuitgang (Vmeas) een luidruchtige spanning (Vnoise). Het koppelmechanisme is vergelijkbaar met de werking van transformatoren, zodat de Vnoise wordt gegeven door de vergelijking;

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

Waarbij M / K de koppelingsfactor is die afhangt van de afstand, het oppervlak en de oriëntatie van de magnetische lussen, en de magnetische absorptie tussen de betreffende lussen - net als bij een transformator. Dus in ontwerp / PCB-lay-outs met een slechte overweging van de lusoriëntatie en een groot stroomlusgebied, neigt er een hoger niveau van uitgestraalde EMI te zijn.

Uitgevoerd EMI in SMPS:

Conductiekoppeling vindt plaats wanneer EMI-emissies worden geleid langs geleiders (draden, kabels, behuizingen en koperen sporen op PCB's) die de bron van de EMI en de ontvanger met elkaar verbinden. Op deze manier gekoppelde EMI is gebruikelijk op de voedingslijnen en meestal zwaar op de H-veldcomponent.

Geleidingskoppeling in SMPS is ofwel Common Mode-geleiding (de interferentie verschijnt in fase op de + ve- en GND-lijn) of Differentiële modus (de interferentie verschijnt uit fase op twee geleiders).

Common-mode geleide emissies worden meestal veroorzaakt door parasitaire capaciteiten zoals die van het koellichaam en de transformator, samen met de lay-out van de kaart en de golfvorm van de schakelspanning over de schakelaar.

Door de differentiële modus geleide emissies zijn daarentegen het resultaat van de schakelactie die stroompulsen aan de ingang veroorzaakt en schakelpieken creëert die leiden tot het bestaan ​​van differentiële ruis.

Inductieve EMI in SMPS:

Inductieve koppeling vindt plaats wanneer er een elektrische (vanwege een capacitief gekoppelde) of magnetische (vanwege een inductief gekoppelde) EMI-inductie is tussen de bron en het slachtoffer. Elektrische koppeling of capacitieve koppeling treedt op wanneer een variërend elektrisch veld bestaat tussen twee aangrenzende geleiders, waardoor een verandering in spanning over de opening daartussen wordt veroorzaakt, terwijl een magnetische koppeling of inductieve koppeling optreedt wanneer een variërend magnetisch veld bestaat tussen twee parallelle geleiders, waardoor een verandering wordt veroorzaakt in spanning langs de ontvangende geleider.

Samenvattend, terwijl de belangrijkste bron van EMI in SMPS de hoogfrequente schakelactie is samen met de resulterende snelle di / dt- of dv / dt-transiënten, de enablers die de verspreiding / verspreiding van het gegenereerde EMI naar potentiële slachtoffers op hetzelfde bord vergemakkelijken (of externe systemen) zijn factoren die het gevolg zijn van een slechte selectie van componenten, een slechte ontwerplay-out en het bestaan ​​van verdwaalde inductantie / capaciteit in stroompaden.

Ontwerptechnieken om EMI in SMPS te verminderen

Voordat u deze sectie doorneemt, kan het lonend zijn om de normen en voorschriften rond EMI / EMC te bekijken om u eraan te herinneren wat de ontwerpdoelen zijn. Hoewel de normen per land / regio verschillen, zijn de twee meest algemeen aanvaarde, die dankzij harmonisatie aanvaardbaar zijn voor certificering in de meeste regio's: de FCC EMI Control-voorschriften en de CISPR 22 (derde editie van het International Special Committee on Radio Interference (CISPR), Pub.22). Ingewikkelde details van deze twee standaarden zijn samengevat in het EMI-standaardartikel dat we eerder hebben besproken.

Het doorstaan ​​van EMC-certificeringsprocessen of ervoor zorgen dat uw apparaten goed werken in de buurt van andere apparaten, vereist dat u uw emissieniveaus onder de waarden houdt die in de normen worden beschreven.

Er bestaan ​​nogal wat ontwerpbenaderingen om EMI in SMPS te verminderen en we zullen proberen ze de een na de ander te behandelen.

1. Ga lineair

Eerlijk gezegd, als uw toepassing het zich kan veroorloven (het omvangrijke en inefficiënte karakter), kunt u uzelf veel stroomtoevoer-gerelateerde EMI-stress besparen door een lineaire voeding te gebruiken. Ze genereren geen significante EMI en zullen niet zoveel tijd en geld kosten om te ontwikkelen. Voor hun efficiëntie, zelfs als het misschien niet vergelijkbaar is met SMPS, kunt u nog steeds redelijke efficiëntieniveaus krijgen door LDO lineaire regelaars te gebruiken.

2. Gebruik voedingsmodules

Het volgen van de beste werkwijzen om een ​​goede EMI-prestatie te verkrijgen, is soms niet goed genoeg. In die situaties waarin u niet de tijd of andere middelen kunt vinden om af te stemmen en de beste EMI-resultaten te krijgen, is een benadering die meestal werkt, overschakelen naar Power-modules.

Vermogensmodules zijn niet perfect, maar een ding dat ze goed doen, zorgt ervoor dat u niet in de valstrikken van gebruikelijke EMI-boosdoeners valt, zoals een slechte ontwerplay-out en parasitaire inductantie / capaciteit. Enkele van de beste voedingsmodules op de markt houden al rekening met de noodzaak om EMI te overwinnen en zijn ontworpen om de ontwikkeling van snelle en gemakkelijke voedingen met goede EMI-prestaties mogelijk te maken. Fabrikanten zoals Murata, Recom, Mornsun, enz. Hebben een breed scala aan SMPS-modules die al voor ons zorgen voor EMI- en EMC-problemen.

Ze hebben bijvoorbeeld meestal de meeste componenten, zoals inductoren, die intern in de verpakking zijn aangesloten, zodat er een zeer klein lusgebied in de module is en de uitgestraalde EMI wordt verminderd. Sommige modules gaan zo ver dat ze de smoorspoelen en het schakelknooppunt afschermen om uitgestraalde EMI van de spoel te voorkomen.

3. Afscherming

Een brute-krachtmechanisme om EMI te verminderen, beschermt de SMPS met metaal. Dit wordt bereikt door het plaatsen van ruisgenererende bronnen in de voeding, binnen een geaarde geleidende (metalen) behuizing, met als enige interface naar externe circuits via in-line filters.

Afscherming voegt echter extra materiaalkosten en PCB-afmetingen toe aan het project, en daarom kan het een slecht idee zijn voor projecten met goedkope doelen.

4. Layoutoptimalisatie

De lay-out van het ontwerp wordt beschouwd als een van de belangrijkste problemen die de verspreiding van EMI over het circuit vergemakkelijken. Dit is de reden waarom een ​​van de brede, algemene technieken voor het verminderen van EMI in SMPS Layout Optimization is. Het is soms een nogal dubbelzinnige term omdat het verschillende dingen kan betekenen, variërend van het uitroeien van parasitaire componenten tot de scheiding van lawaaierige knooppunten van ruisgevoelige knooppunten en het verminderen van stroomlusgebieden, enz.

Enkele tips voor het optimaliseren van de lay-out voor SMPS-ontwerpen zijn;

Bescherm ruisgevoelige knooppunten tegen lawaaierige knooppunten

Dit kan door ze zo ver mogelijk uit elkaar te plaatsen om elektromagnetische koppeling ertussen te voorkomen. Enkele voorbeelden van ruisgevoelige en lawaaierige knooppunten worden gegeven in de onderstaande tabel;

Lawaaierige knooppunten	Geluidsgevoelige knooppunten
Inductoren	Detectiepaden
Schakel knooppunten	Compensatienetwerken
Hoge dI / dt-condensatoren	Feedback-pin
FET's	Regelcircuits

Houd sporen voor ruisgevoelige knooppunten kort

Kopersporen op PCB fungeren als antennes voor uitgestraalde EMI, een van de beste manieren om te voorkomen dat de sporen die rechtstreeks zijn verbonden met ruisgevoelige knooppunten, uitgestraalde EMI verkrijgen, is door ze zo kort mogelijk te houden door de componenten waarnaar ze zijn te verplaatsen. zo dicht mogelijk aangesloten zijn. Een lang spoor van een weerstandsverdelernetwerk dat wordt ingevoerd in een feedbackpin (FB), kan bijvoorbeeld als een antenne werken en uitgestraalde EMI eromheen oppikken. De ruis die naar de Feedback-pin wordt gevoerd, zal extra ruis aan de uitgang van het systeem introduceren, waardoor de prestaties van het apparaat onstabiel worden.

Beperk het kritieke (antenne) lusgebied

Sporen / draden met een schakelgolfvorm moeten zo dicht mogelijk bij elkaar liggen.

Uitgestraalde EMI is recht evenredig met de grootte van de stroom (I) en het lusgebied (A) waardoor het stroomt, als zodanig, door het gebied van de stroom / spanning te verkleinen, kunnen we het niveau van uitgestraalde EMI verminderen. Een goede manier om dit voor hoogspanningsleidingen te doen, is door de powerline en het retourpad over elkaar te plaatsen op aangrenzende lagen van de printplaat.

Minimaliseer zwerfinductantie

De impedantie van een draadlus (die bijdraagt ​​aan de uitgestraalde EMI in verhouding tot het oppervlak) kan worden verminderd door de grootte van de sporen (powerline) op de printplaat te vergroten en deze parallel aan het retourpad te leiden om de inductantie van de sporen te verminderen..

Aarding

Een ononderbroken grondvlak op de buitenoppervlakken van de PCB biedt het kortste retourpad voor EMI, vooral wanneer het zich direct onder de EMI-bron bevindt, waar het uitgestraalde EMI aanzienlijk onderdrukt. Grondvliegtuigen kunnen echter een probleem zijn als u ze door andere sporen laat doorsnijden. De snede zou het effectieve lusgebied kunnen vergroten en tot aanzienlijke EMI-niveaus kunnen leiden, aangezien de retourstroom een ​​langer pad moet vinden om rond de snede te gaan, om terug te keren naar de huidige bron.

Filters

EMI-filters zijn een must voor voedingen, vooral voor het verminderen van doorgevoerde EMI. Ze bevinden zich meestal aan de ingang en / of uitgang van de voeding. Aan de ingang helpen ze ruis van het lichtnet te filteren en aan de uitgang voorkomt het dat de ruis van de voeding de rest van het circuit beïnvloedt.

Bij het ontwerp van EMI-filters om geleide EMI te verzachten, is het meestal belangrijk om de door de common-mode geleide emissie afzonderlijk te behandelen van de emissie in de differentiële modus, aangezien de parameters voor het filter om ze aan te pakken anders zullen zijn.

Voor door differentiële modus geleide EMI-filtering, zijn de ingangsfilters gewoonlijk samengesteld uit elektrolytische en keramische condensatoren, gecombineerd, om de differentiële modusstroom efficiënt te verzwakken bij de lagere fundamentele schakelfrequentie en ook bij hogere harmonische frequenties. In situaties waarin verdere onderdrukking vereist is, wordt een inductor in serie met de ingang toegevoegd om een ​​enkeltraps LC-laagdoorlaatfilter te vormen.

Voor Common-mode geleide EMI-filtering kan de filtering effectief worden bereikt door bypass-condensatoren aan te sluiten tussen de stroomlijnen (zowel ingang als uitgang) en aarde. In situaties waarin verdere verzwakking vereist is, kunnen gekoppelde smoorspoelinductoren in serie met de voedingslijnen worden toegevoegd.

Over het algemeen moeten filterontwerpen rekening houden met de worstcasescenario's bij het selecteren van de componenten. Common-mode EMI zal bijvoorbeeld maximaal zijn bij een hoge ingangsspanning, terwijl Differential Mode EMI maximaal zal zijn bij lage spanning en hoge belastingsstroom.

Conclusie

Rekening houdend met alle bovengenoemde punten bij het ontwerpen van schakelende voedingen is meestal een uitdaging, het is in feite een van de redenen waarom EMI-mitigatie wordt aangeduid als een 'donkere kunst', maar naarmate u er meer aan gewend raakt, worden ze een tweede natuur.

Dankzij IoT en verschillende technologische vooruitgang, zijn elektromagnetische compatibiliteit en het algemene vermogen van elk apparaat om correct te functioneren onder normale bedrijfsomstandigheden, zonder de werking van andere apparaten in de nabijheid negatief te beïnvloeden, nog belangrijker dan voorheen. Apparaten mogen niet vatbaar zijn voor EMI van opzettelijke of onopzettelijke bronnen in de buurt en ze mogen tegelijkertijd geen (opzettelijk of onopzettelijk) interferentie uitstralen op een niveau dat zou kunnen leiden tot defecten van andere apparaten.

Om kostengerelateerde redenen is het belangrijk om in een vroeg stadium van het SMPS-ontwerp rekening te houden met EMC. Het is ook belangrijk om te overwegen hoe het aansluiten van de voeding op het hoofdapparaat de EMI-dynamiek in beide apparaten beïnvloedt, aangezien in de meeste gevallen, met name voor embedded SMPS, de voeding samen met het apparaat als één eenheid wordt gecertificeerd en eventuele vervallen in beide kunnen tot mislukking leiden.