Designtekniker för att minska emi i smps-kretsar

I min tidigare artikel om EMI undersökte vi hur den avsiktliga / oavsiktliga karaktären hos EMI-källor och hur de påverkar prestanda för andra elektriska / elektroniska enheter (offer) runt dem. Artikeln följdes av en annan om elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) som gav insikter om farorna med EMI och gav ett visst sammanhang för hur dålig EMI-överväganden skulle kunna påverka en produkts marknadsprestanda negativt, antingen på grund av regleringsstopp eller funktionsfel.

Båda artiklarna innehåller breda tips för att minimera EMI (utgående eller inkommande) i design, men under de närmaste artiklarna kommer vi att ta ett djupare dyk och undersöka hur man kan minimera EMI i vissa funktionella enheter i din elektroniska produkt. Vi kommer att starta saker med att minimera EMI i strömförsörjningsenheter med ett särskilt fokus på Switch Mode Power Supplies.

Switch Mode Strömförsörjning är en generisk term för AC-DC eller DC-DC strömkällor som använder kretsar med snabba växlingsåtgärder för spänningstransformation / konvertering (buck eller boost). De kännetecknas av hög effektivitet, liten formfaktor och låg energiförbrukning, vilket har gjort dem till den valfria strömförsörjningen för ny elektronisk utrustning / produkter, även om de är betydligt mer komplexa och svåra att designa jämfört med vana att använda bli populära linjära strömförsörjningar. Utöver komplexiteten i deras design utgör SMPS dock ett betydande hot mot EMI-generationen på grund av de snabba omkopplingsfrekvenser de använder för att uppnå den höga effektivitet som de är kända för.

Med fler enheter (potentiella EMI-offer / källor) som utvecklas varje dag blir övervinnande av EMI en stor utmaning för ingenjörer och att uppnå elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) blir lika viktigt som att få enheten att fungera korrekt.

För dagens artikel kommer vi att titta på EMI: s natur och källor i SMPS och undersöka några designtekniker / -metoder som kan användas för att mildra dem.

Källor till EMI i SMPS

För att lösa alla EMI-problem krävs i allmänhet en förståelse för störningskällan, kopplingsvägen till andra kretsar (offer) och arten hos offret vars prestanda påverkas negativt. Under produktutveckling är det vanligtvis nästan omöjligt att bestämma EMI: s inverkan på potentiella offer, som sådan är EMI-kontrollinsatser vanligtvis inriktade på att minimera utsläppskällor (eller minska känsligheten) och eliminera / minska kopplingsvägar.

Den huvudsakliga källan till EMI i SMPS-strömförsörjningar kan spåras till deras inneboende designkaraktär och omkopplingsegenskaper. Antingen under omvandlingsprocessen från AC-DC eller DC-DC skapar MOSFET-omkopplingskomponenterna i SMPS, som slås på eller av vid höga frekvenser, en falsk sinusvåg (fyrkantvåg), som kan beskrivas av en Fourier-serie som summering av många sinusvågor med harmoniskt relaterade frekvenser. Detta fulla Fourier-spektrum av övertoner, som härrör från omkopplingsåtgärden, blir EMI som sänds, från strömförsörjningen till andra kretsar i enheten och till närliggande elektroniska enheter som är mottagliga för dessa frekvenser.

Bortsett från buller från omkoppling är en annan EMI-källa i SMPS snabbström (dI / dt) och spänning (dV / dt) övergångar (som också är relaterade till omkoppling). Enligt maxwells ekvation kommer dessa växlande strömmar och spänningar att producera ett alternerande elektromagnetiskt fält, och medan fältets storlek minskar med avståndet samverkar det med ledande delar (som kopparspår på kretskortet) som fungerar som antenner och orsakar ytterligare ljud på linjerna, vilket leder till EMI.

Nu är EMI vid källan inte så farlig (ibland) förrän den är kopplad till angränsande kretsar eller enheter (offer), som sådan, genom att eliminera / minimera de potentiella kopplingsvägarna, kan EMI i allmänhet minskas. Som diskuteras i artikeln "Introduktion till EMI" sker EMI-koppling generellt genom; ledning (via oönskade / återanvända banor eller så kallade "smygkretsar"), induktion (koppling genom induktiva eller kapacitiva element som transformatorer) och strålning (luft).

Genom att förstå dessa kopplingsvägar och hur de påverkar EMI i switch-mode strömförsörjningar kan designers skapa sina system på ett sådant sätt att påverkan från kopplingsvägen minimeras och störningens spridning minskas.

Olika typer av EMI-kopplingsmekanismer

Vi kommer att gå igenom var och en av kopplingsmekanismerna som är relaterade till SMPS och fastställa de element i SMPS-design som ger upphov till deras existens.

Strålad EMI i SMPS:

Strålad koppling uppstår när källan och receptorn (offret) fungerar som radioantenner. Källan utstrålar en elektromagnetisk våg som sprider sig över det öppna utrymmet mellan källan och offret. I SMPS är utstrålad EMI-förökning vanligtvis förknippad med växlade strömmar med hög di / dt, förstärkt av förekomsten av slingor med snabba strömtider på grund av dålig designlayout och ledningsmetoder som ger upphov till läckinduktans.

Tänk på kretsen nedan;

Den snabba strömförändringen i kretsen ger upphov till en bullrig spänning (Vnoise) utöver den normala spänningsutgången (Vmeas). Kopplingsmekanismen liknar driften av transformatorer så att ljudet ges av ekvationen;

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

Där M / K är kopplingsfaktorn som beror på magnetöglornas avstånd, område och orientering och magnetiska absorption mellan öglorna i fråga - precis som i en transformator. Sålunda tenderar det i design / PCB-layouter med dålig looporienteringsöverväganden och stor strömslingarea att vara en högre nivå av utstrålad EMI.

Genomförd EMI i SMPS:

Ledningskoppling inträffar när EMI-utsläpp passeras längs ledare (ledningar, kablar, kapslingar och kopparspår på kretskort) som ansluter källan till EMI och mottagaren. EMI kopplat på detta sätt är vanligt på strömförsörjningsledningarna och vanligtvis tungt på H-fältkomponenten.

Ledningskoppling i SMPS är antingen Common Mode-ledning (störningen visas i fas på + ve- och GND-linjen) eller Differential Mode (störningen verkar ur fas på två ledare).

Vanliga utsläpp i vanligt läge orsakas vanligtvis av parasitära kapacitanser som kylflänsens och transformatorns tillsammans med kortets layout och växlingsspänningsvågform över strömbrytaren.

Differentialläge-ledda utsläpp, å andra sidan, är ett resultat av omkopplingsåtgärden som orsakar strömpulser vid ingången och skapar kopplingsspikar som leder till förekomsten av differentiellt brus.

Induktiv EMI i SMPS:

Induktiv koppling sker när det finns en elektrisk (på grund av en kapacitivt kopplad) eller magnetisk (på grund av en induktivt kopplad) EMI-induktion mellan källan och offret. Elektrisk koppling eller kapacitiv koppling uppstår när ett varierande elektriskt fält existerar mellan två angränsande ledare, vilket inducerar en spänningsförändring över gapet mellan dem, medan en magnetisk koppling eller induktiv koppling uppstår när ett varierande magnetfält existerar mellan två parallella ledare, vilket inducerar en förändring i spänning längs den mottagande ledaren.

Sammanfattningsvis, medan den huvudsakliga källan till EMI i SMPS är den högfrekventa omkopplingsåtgärden tillsammans med de resulterande snabba di / dt- eller dv / dt-transienterna, gör det möjligt att möjliggöra spridning / spridning av den genererade EMI till potentiella offer på samma kort. (eller externa system) är faktorer som beror på dåligt komponentval, dålig designlayout och förekomsten av ströinduktans / kapacitans i nuvarande vägar.

Designtekniker för att minska EMI i SMPS

Innan du går igenom det här avsnittet kan det vara givande att ta en titt på standarderna och reglerna kring EMI / EMC för att få en påminnelse om vad designmålen är. Även om standarderna varierar mellan länder / regioner, är de två mest accepterade, vilket tack vare harmonisering är acceptabelt för certifiering i de flesta regioner; FCC EMI Control-reglerna och CISPR 22 (tredje upplagan av International Special Committee on Radio Interference (CISPR), Pub 22). Intrikata detaljer om dessa två standarder sammanfattades i EMI-standardartikeln som vi diskuterade tidigare.

Att klara EMC-certifieringsprocesser eller bara se till att dina enheter fungerar bra när det gäller andra enheter kräver att du håller dina utsläppsnivåer under de värden som beskrivs i standarderna.

Det finns ett stort antal designmetoder för att mildra EMI i SMPS och vi kommer att försöka täcka dem efter varandra.

1. Gå linjärt

Ärligt talat, om din ansökan har råd med det (skrymmande och ineffektiva karaktär) kan du spara dig mycket strömförsörjningsrelaterad EMI-stress genom att använda en linjär strömförsörjning. De genererar inte betydande EMI och kommer inte att kosta så mycket tid och pengar att utveckla. Även om det kanske inte är i nivå med SMPS, kan du ändå få rimliga effektivitetsnivåer genom att använda linjära LDO-regulatorer.

2. Använd Power Modules

Att följa bästa praxis för att uppnå en bra EMI-prestanda kanske inte är tillräckligt bra ibland. I de situationer där du inte verkar hitta tid eller andra resurser för att ställa in och få bästa EMI-resultat, är en metod som vanligtvis fungerar att byta till kraftmoduler.

Kraftmoduler är inte perfekta, men en sak de gör bra säkerställer att du inte faller i fällorna med vanliga EMI-skyldiga som dålig designlayout och parasitisk induktans / kapacitans. Några av de bästa kraftmodulerna på marknaden tar redan hänsyn till behovet av att övervinna EMI och är utformade för att möjliggöra utveckling av snabba och enkla strömförsörjningar, med god EMI-prestanda möjlig. Tillverkningar som Murata, Recom, Mornsun, etc. har ett brett utbud av SMPS-moduler som redan tar hand om EMI- och EMC-problem för oss.

Till exempel har de vanligtvis de flesta komponenter som induktorer, anslutna internt i förpackningen, som sådan finns det en mycket liten slingayta inuti modulen och utstrålad EMI reduceras. Vissa moduler sträcker sig så långt som att skydda induktorerna och omkopplarnoden för att förhindra strålad EMI från spolen.

3. Skärmning

En brute force-mekanism för att minska EMI skyddar SMPS med metall. Detta uppnås genom placering av brusgenererande källor i strömförsörjningen, i ett jordat ledande (metall) hölje, med det enda gränssnittet till externa kretsar via inline-filter.

Avskärmning tillför dock ytterligare kostnader i material och PCB-storlek till projektet, som sådant, kan det vara en dålig idé för projekt med lågkostnadsmål.

4. Layoutoptimering

Designlayouten betraktas som en av de viktigaste frågorna som underlättar spridningen av EMI över kretsen. Det är därför en av de breda, allmänna teknikerna för att minska EMI i SMPS är Layout Optimization. Ibland är det en ganska tvetydig term, eftersom det kan betyda olika saker, allt från utrotning av parasitiska komponenter till separering av bullriga noder från bullerkänsliga noder och minskning av nuvarande slingområden etc.

Några layoutoptimeringstips för SMPS-design inkluderar;

Skydda bullerkänsliga noder från bullriga noder

Detta kan göras genom att placera dem så långt bort från varandra som möjligt för att förhindra elektromagnetisk koppling mellan dem. Några exempel på bullerkänsliga och bullriga noder finns i tabellen nedan;

Bullriga noder	Bullerkänsliga noder
Induktorer	Avkänningsvägar
Byt noder	Kompensationsnätverk
Höga dI / dt kondensatorer	Feedback pin
FET	Kontrollkretsar

Håll spår för bullerkänsliga noder korta

Kopparspår på kretskort fungerar som antenner för utstrålad EMI, som sådan, ett av de bästa sätten att förhindra att spåren direkt anslutna till bullerkänsliga noder förvärvar utstrålad EMI är att hålla dem så korta som möjligt genom att flytta komponenterna till vilka de är anslutas så nära som möjligt. Till exempel kan ett långt spår från ett motståndsdelningsnätverk som matas in i en återkopplingsstift (FB) fungera som en antenn och plocka upp utstrålad EMI runt den. Bruset som matas till Feedback-stiftet kommer att införa ytterligare buller vid systemets utgång, vilket gör enhetens prestanda instabil.

Minska kritiskt (antenn) öglaområde

Spår / ledningar som bär omkopplingsvågform bör vara så nära varandra som möjligt.

Strålad EMI är direkt proportionell mot storleken på strömmen (I) och slingområdet (A) genom vilken den strömmar, genom att reducera området för ström / spänning kan vi minska nivån på utstrålad EMI. Ett bra sätt att göra detta för kraftledningar är att placera kraftlinjen och returvägen över varandra på intilliggande lager på kretskortet.

Minimera tillfällig induktans

Impedansen hos en trådslinga (som bidrar till utstrålad EMI som dess proportionell mot arean) kan reduceras genom att öka storleken på de spår (elnät) på PCB och dirigera det parallellt med dess returbana för att reducera induktansen av spåren.

Grundstötning

Ett obrutet jordplan som ligger på PCB: s yttre ytor ger den kortaste returvägen för EMI, särskilt när den är direkt belägen under EMI-källan där den undertrycker utstrålad EMI avsevärt. Markplan kan dock vara ett problem om du tillåter en skärning genom andra spår. Nedskärningen kan öka det effektiva slingområdet och leda till betydande EMI-nivåer eftersom returströmmen måste hitta en längre väg för att gå runt skärningen, för att återgå till den aktuella källan.

Filter

EMI-filter är ett måste för strömförsörjning, särskilt för att mildra genomförda EMI. De är vanligtvis placerade vid strömförsörjningens ingång och / eller utgång. Vid ingången hjälper de till att filtrera brus från elnätet och vid utgången, det förhindrar att bruset från matningen påverkar resten av kretsen.

Vid utformningen av EMI-filter för att mildra genomförd EMI är det vanligtvis viktigt att behandla det gemensamma läget genomförda utsläppet separat från det differentiella läget, eftersom parametrarna för att filtret ska hantera dem kommer att vara olika.

För EMI-filtrering med differentierat läge består ingångsfiltren vanligtvis av elektrolytiska och keramiska kondensatorer, kombinerade för att effektivt dämpa differentiallägesströmmen vid den lägre grundläggande omkopplingsfrekvensen och även vid högre harmoniska frekvenser. I situationer där ytterligare dämpning krävs, läggs en induktor i serie med ingången för att bilda ett LC-lågpassfilter i ensteg.

För EMI-filtrering med Common-mode kan filtreringen effektivt uppnås genom att ansluta förbikopplingskondensatorer mellan kraftledningarna (både ingång och utgång) och jord. I situationer där ytterligare dämpning krävs kan kopplade chokeinduktorer läggas till i serie med kraftledningarna.

Generellt sett bör filterkonstruktioner ta hänsyn till de värsta fallen när komponenterna väljs. Till exempel kommer Common-mode EMI att vara maximalt med hög ingångsspänning, medan differentiellt läge EMI kommer att vara maximalt med låg spänning och hög belastningsström.

Slutsats

Att ta hänsyn till alla ovan nämnda punkter vid utformning av växelströmförsörjning är vanligtvis en utmaning, det är i själva verket en av anledningarna till att EMI-begränsning kallas en "mörk konst", men när du blir mer van vid det blir de andra natur.

Tack vare IoT och olika tekniska framsteg är elektromagnetisk kompatibilitet och den allmänna förmågan hos varje enhet att fungera ordentligt under normala driftsförhållanden, utan att negativt påverka driften av andra enheter inom dess närhet, ännu viktigare än tidigare. Enheter får inte vara mottagliga för EMI från avsiktliga eller oavsiktliga källor i närheten och de får inte heller stråla ut (avsiktligt eller oavsiktligt) störningar på nivåer som kan leda till att andra enheter inte fungerar.

Av kostnadsrelaterade skäl är det viktigt att överväga EMC i ett tidigt skede av SMPS-designen. Det är också viktigt att överväga hur anslutning av strömförsörjningen till huvudenheten påverkar EMI-dynamiken i båda enheterna, eftersom i de flesta fall, särskilt för inbyggd SMPS, kommer strömförsörjningen att certifieras tillsammans med enheten som en enhet och eventuella förfall antingen kan leda till misslyckande.