Dissenyar tècniques per reduir emi en circuits SMPS

Al meu article anterior sobre EMI, vam examinar com la naturalesa intencionada / no intencionada de les fonts EMI i com afecten el rendiment d'altres dispositius elèctrics / electrònics (víctimes) al seu voltant. L’article va anar seguit d’un altre sobre la compatibilitat electromagnètica (EMC), que proporcionava informació sobre els perills de l’EMI i oferia un cert context sobre com la pobra consideració de l’EMI podria afectar negativament el rendiment del mercat d’un producte, ja sigui a causa de restriccions de regulació o fallades en la funcionalitat.

Tots dos articles contenen amplis consells per minimitzar el disseny EMI (sortint o entrant), però durant els propers articles farem una immersió més profunda i examinarem com minimitzar l’EMI en determinades unitats funcionals del vostre producte electrònic. Començarem les coses amb la minimització de l’EMI a les unitats de subministrament d’energia amb un enfocament específic a les fonts d’alimentació en mode de commutació.

El mode de commutació La font d'alimentació és un terme genèric per a fonts d'alimentació AC-DC o DC-DC que utilitzen circuits amb accions de commutació ràpides per a la transformació / conversió de tensió (buck o boost). Es caracteritzen per una alta eficiència, un factor de forma reduït i un baix consum d'energia, cosa que els ha convertit en el subministrament elèctric preferit per a nous equips / productes electrònics, tot i que són significativament més complexos i difícils de dissenyar en comparació amb els habituals. populars fonts d'alimentació lineal. No obstant això, més enllà de la complexitat dels seus dissenys, SMPS presenta una important amenaça de generació d'EMI a causa de les freqüències de commutació ràpides que utilitzen, per aconseguir l'alta eficiència per la qual són coneguts.

Amb el desenvolupament de més dispositius (possibles víctimes / fonts d’EMI) cada dia, superar l’EMI s’està convertint en un repte important per als enginyers i assolir la compatibilitat electromagnètica (EMC) és tan important com aconseguir que el dispositiu funcioni correctament.

Per a l’article d’avui, analitzarem la naturalesa i les fonts de l’EMI en SMPS i examinarem algunes tècniques / enfocaments de disseny que es poden utilitzar per mitigar-los.

Fonts d'EMI en SMPS

La solució de qualsevol problema EMI requereix generalment una comprensió de la font d’interferència, el camí d’acoblament a altres circuits (víctimes) i la naturalesa de la víctima el rendiment del qual es veu afectat negativament. Durant el desenvolupament del producte, normalment és gairebé impossible determinar l’impacte de l’EMI en les víctimes potencials, ja que els esforços de control de l’EMI se solen centrar en minimitzar les fonts d’emissions (o reduir la susceptibilitat) i eliminar / reduir els camins d’acoblament.

La font principal d’EMI en les fonts d’alimentació SMPS es pot buscar en la seva naturalesa de disseny i característiques de commutació inherents. Ja sigui durant el procés de conversió d’AC-DC o DC-DC, els components de commutació MOSFET en SMPS, en activar-se o desactivar-se a altes freqüències, creen una falsa ona sinusoïdal (ona quadrada), que pot ser descrita per una sèrie de Fourier com a suma de moltes ones sinusoïdals amb freqüències relacionades harmònicament. Aquest espectre complet d’harmònics de Fourier, resultant de l’acció de commutació, es converteix en l’EMI que es transmet, des de la font d’alimentació a altres circuits del dispositiu i fins a dispositius electrònics propers susceptibles a aquestes freqüències.

A part del soroll de la commutació, una altra font d'EMI a SMPS són les transicions de corrent ràpid (dI / dt) i de tensió (dV / dt) (que, bé, també estan relacionades amb la commutació). Segons l'equació de maxwell, aquesta tensió i corrents alterns produirà un camp electromagnètic altern, i mentre la magnitud del camp es redueix amb la distància, interactua amb parts conductores (com les traces de coure al PCB) que actuen com antenes i causen soroll addicional a les línies, que condueix a EMI.

Ara, l’EMI a la font no és tan perillós (de vegades) fins que no s’acobla a circuits o dispositius veïns (víctimes), per tant, eliminant / minimitzant els camins d’acoblament potencials, l’EMI es pot reduir generalment. Com es discuteix a l'article "Introducció a l'EMI", l'acoblament d'EMI es produeix generalment; conducció (a través de camins no desitjats / reutilitzats o els anomenats "circuits furtius"), inducció (acoblament per elements inductius o capacitius com transformadors) i radiació (per sobre de l'aire).

En comprendre aquests camins d’acoblament i com afecten l’EMI a les fonts d’alimentació de commutació, els dissenyadors poden crear els seus sistemes de manera que es minimitzi la influència del camí d’acoblament i es redueixi la propagació de la interferència.

Diferents tipus de mecanismes d’acoblament EMI

Repassarem cadascun dels mecanismes d’acoblament relacionats amb SMPS i establirem els elements dels dissenys de SMPS que donen lloc a la seva existència.

EMI irradiat en SMPS:

L’acoblament radiat es produeix quan la font i el receptor (víctima) actuen com a antenes de ràdio. La font irradia una ona electromagnètica que es propaga a través de l'espai obert entre la font i la víctima. En SMPS, la propagació de l’EMI radiat sol associar-se a corrents commutats amb alta di / dt, impulsada per l’existència de bucles amb temps de pujada de corrent ràpids a causa d’un mal disseny del disseny i pràctiques de cablejat que donen lloc a inductància de fuites.

Penseu en el circuit següent;

El canvi de corrent ràpid del circuit dóna lloc a una tensió sorollosa (Vnoise) a més de la sortida de tensió normal (Vmeas). El mecanisme d'acoblament és similar al funcionament dels transformadors de manera que el Vnoise ve donat per l'equació;

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

On M / K és el factor d'acoblament que depèn de la distància, l'àrea i l'orientació dels bucles magnètics i l'absorció magnètica entre els bucles en qüestió, igual que en un transformador. Per tant, en els dissenys de disseny / PCB amb poca consideració d’orientació de bucle i una àrea de bucle de corrent gran, tendeix a haver un nivell més alt d’EMI radiat.

EMI realitzat en SMPS:

L'acoblament de conducció es produeix quan es transmeten les emissions EMI al llarg de conductors (cables, cables, recintes i traces de coure als PCB) que connecten la font de l'EMI i el receptor. L'EMI acoblat d'aquesta manera és comú a les línies de subministrament elèctric i sol ser pesat al component del camp H.

L'acoblament de conducció en SMPS és una conducció de mode comú (la interferència apareix en fase a la línia + ve i GND) o un mode diferencial (la interferència apareix fora de fase en dos conductors).

Les emissions conduïdes en mode comú solen ser causades per capacitats paràsites com les del dissipador de calor i del transformador, juntament amb el disseny de la placa, i la commutació de la forma d'ona de voltatge a través de l'interruptor.

Les emissions conduïdes en mode diferencial, d'altra banda, són el resultat de l'acció de commutació que provoca impulsos de corrent a l'entrada i crea pics de commutació que condueixen a l'existència de soroll diferencial.

EMI inductiu en SMPS:

L’acoblament inductiu es produeix quan hi ha una inducció EMI elèctrica (a causa d’un acoblament capacitiu) o magnètica (a causa d’un acoblament inductiu) entre la font i la víctima. L’acoblament elèctric o acoblament capacitiu es produeix quan existeix un camp elèctric variable entre dos conductors adjacents, induint un canvi de voltatge a través de la bretxa entre ells, mentre que un acoblament magnètic o un acoblament inductiu es produeix quan existeix un camp magnètic variable entre dos conductors paral·lels, induint un canvi en tensió al llarg del conductor receptor.

En resum, si bé la principal font d’EMI a SMPS és l’acció de commutació d’alta freqüència juntament amb els transitoris ràpids di / dt o dv / dt resultants, els facilitadors que faciliten la propagació / difusió de l’EMI generat a les víctimes potencials de la mateixa placa (o sistemes externs) són factors que resulten d’una selecció de components deficient, d’un disseny de disseny deficient i de l’existència d’inductància / capacitat perdudes en els camins actuals.

Tècniques de disseny per reduir l’EMI en SMPS

Abans de passar per aquesta secció, pot ser gratificant fer una ullada als estàndards i regulacions entorn de l’EMI / EMC per obtenir un recordatori de quins són els objectius de disseny. Tot i que les normes varien entre països / regions, inclouen les dues més àmpliament acceptades, que gràcies a l’harmonització, són acceptables per a la certificació a la majoria de regions; la normativa de control de la FCC EMI i el CISPR 22 (Tercera edició del International Special Committee on Radio Interference (CISPR), Pub. 22). Els detalls intricats d’aquestes dues normes es van resumir a l’article de la norma EMI que hem comentat anteriorment.

Passar processos de certificació EMC o simplement assegurar-vos que els vostres dispositius funcionin bé quan hi ha altres dispositius requereix que mantingueu els nivells d’emissions per sota dels valors descrits a les normes.

Existeixen una gran quantitat d’enfocaments de disseny per mitigar l’EMI en SMPS i intentarem cobrir-los un darrere l’altre.

1. Aneu linealment

Sincerament parlant, si la vostra aplicació ho pot permetre (la volumètrica i la naturalesa ineficient), podeu estalviar-vos molta tensió EMI relacionada amb la font d'alimentació mitjançant una font d'alimentació lineal. No generen IME significatius i no costaran tant temps i diners per desenvolupar-se. Per a la seva eficiència, fins i tot si no és igual a la de SMPS, podeu obtenir nivells d’eficiència raonables mitjançant reguladors lineals LDO.

2. Utilitzeu mòduls d'alimentació

Seguir les pràctiques recomanades per obtenir un bon rendiment EMI pot ser que de vegades no sigui prou bo. En aquelles situacions en què sembla que no trobeu el temps ni altres recursos per sintonitzar i obtenir els millors resultats EMI, un enfocament que sol funcionar és canviar als mòduls d'alimentació.

Els mòduls de potència no són perfectes, però una cosa que fan bé és assegurar-vos de no caure en les trampes dels culpables habituals de l’EMI, com ara un mal disseny del disseny i la inductància / capacitat paràsita. Alguns dels millors mòduls de potència del mercat ja expliquen la necessitat de superar l’EMI i estan dissenyats per fer possible el desenvolupament de fonts d’alimentació ràpides i senzilles, amb un bon rendiment EMI. Fabricacions com Murata, Recom, Mornsun, etc. tenen una àmplia gamma de mòduls SMPS que ja ens fan càrrec dels problemes EMI i EMC.

Per exemple, solen tenir la majoria de components, com ara inductors, connectats internament dins del paquet, per tant, hi ha una àrea de bucle molt petita dins del mòdul i l’EMI radiat es redueix. Alguns mòduls arriben a protegir els inductors i el node del commutador per evitar que l’EMI irradiat de la bobina.

3. Blindatge

Un mecanisme de força bruta per reduir l’EMI protegeix l’SMPS amb metall. Això s’aconsegueix mitjançant la col·locació de fonts generadores de soroll a la font d’alimentació, dins d’una carcassa conductora (metàl·lica) a terra, amb l’única interfície de circuits externs mitjançant filtres en línia.

No obstant això, el blindatge afegeix un cost addicional en materials i mida del PCB al projecte, ja que pot ser una mala idea per a projectes amb objectius de baix cost.

4. Optimització del disseny

El disseny del disseny es considera com un dels principals problemes que faciliten la propagació de l’EMI a través del circuit. Per això, una de les tècniques generals i àmplies per reduir l’EMI en SMPS és l’Optimització del disseny. De vegades és un terme bastant ambigu ja que podria significar coses diferents que van des de l’eradicació de components paràsits fins a la separació de nodes sorollosos dels nodes sensibles al soroll i la reducció de les àrees del bucle actual, etc.

Alguns consells d'optimització del disseny per a dissenys SMPS inclouen;

Protegiu els nodes sensibles al soroll dels nodes sorollosos

Això es pot fer situant-los el més lluny possible entre si per evitar l'acoblament electromagnètic entre ells. A la taula següent es proporcionen alguns exemples de nodes sorollosos i sensibles al soroll;

Nodes sorollosos	Nodes sensibles al soroll
Inductors	Sentint camins
Canvia de node	Xarxes de compensació
Condensadors dI / dt alts	Pin de comentaris
FETs	Circuits de control

Mantingueu les traces de nodes sensibles al soroll curtes

Les traces de coure del PCB actuen com a antenes per a l’EMI radiat, com a tal, una de les millors maneres d’evitar que les traces connectades directament als nodes sensibles al soroll adquireixin l’EMI radiat és mantenir-les el més curtes possible movent els components als quals es troben. per estar connectat, el més a prop possible. Per exemple, un llarg rastre d’una xarxa divisora ​​de resistències que s’alimenta en un pin de retroalimentació (FB) pot actuar com una antena i captar EMI radiats al seu voltant. El soroll que s’introdueix al pin de retroalimentació introduirà soroll addicional a la sortida del sistema, cosa que farà que el rendiment del dispositiu sigui inestable.

Reduïu l'àrea de bucle crítica (antena)

Els rastres / cables que porten forma d’ona de commutació haurien d’estar el més a prop possible entre ells.

L’EMI radiat és directament proporcional a la magnitud del corrent (I) i l’àrea del bucle (A) per on circula, com a tal, reduint l’àrea del corrent / voltatge, podem reduir el nivell d’EMI radiat. Una bona manera de fer-ho per a les línies elèctriques és col·locar la línia elèctrica i el camí de retorn sobre les capes adjacents del PCB.

Minimitzar la inductància perduda

La impedància d’un bucle de cable (que contribueix a l’EMI radiat en proporcional a l’àrea) es pot reduir augmentant la mida de les pistes (línia elèctrica) del PCB i encaminant-lo paral·lelament al seu camí de retorn per reduir la inductància de les pistes.

Posada a terra

Un pla de terra ininterromput situat a les superfícies exteriors del PCB proporciona el camí de retorn més curt per a l’EMI, especialment quan es troba directament per sota de la font d’EMI, on suprimeix l’EMI radiat. No obstant això, els plans terrestres poden ser un problema si es permet un tall a través d’altres traces. El tall podria augmentar l’àrea efectiva del bucle i conduir a nivells EMI significatius, ja que el corrent de retorn ha de trobar un camí més llarg per recórrer el tall, per tornar a la font actual.

Filtres

Els filtres EMI són imprescindibles per a les fonts d'alimentació, especialment per mitigar els EMI realitzats. Normalment es troben a l'entrada i / o sortida de la font d'alimentació. A l'entrada, ajuden a filtrar el soroll de la xarxa elèctrica i, a la sortida, evita que el soroll del subministrament afecti la resta del circuit.

En el disseny de filtres EMI per mitigar els EMI realitzats, normalment és important tractar l’emissió conduïda en mode comú per separat de l’emissió en mode diferencial, ja que els paràmetres del filtre per abordar-los seran diferents.

Per al filtratge EMI realitzat en mode diferencial, els filtres d’entrada solen estar formats per condensadors electrolítics i ceràmics, combinats, per atenuar eficientment el corrent de mode diferencial a la freqüència de commutació fonamental més baixa i també a freqüències harmòniques més altes. En situacions en què es requereix una supressió addicional, s'afegeix un inductor en sèrie amb l'entrada per formar un filtre de pas baix LC d'una sola etapa.

Per al filtratge EMI realitzat en mode comú, el filtratge es pot aconseguir efectivament connectant condensadors de derivació entre les línies elèctriques (tant d’entrada com de sortida) i la terra. En situacions en què es requereix una atenuació addicional, es poden afegir inductors d'accelerador acoblats en sèrie amb les línies elèctriques.

En general, els dissenys de filtres han de tenir en compte els pitjors casos en seleccionar els components. Per exemple, l’EMI de mode comú serà màxim amb alta tensió d’entrada, mentre que l’EMI de mode diferencial serà màxim amb baixa tensió i corrent de càrrega elevat.

Conclusió

Tenir en compte tots els punts esmentats anteriorment a l’hora de dissenyar fonts d’alimentació de commutació sol ser un repte, és efectivament un dels motius pels quals la mitigació de l’EMI es coneix com un “art fosc”, però a mesura que s’hi acostuma, esdevenen una segona.

Gràcies a l'IoT i als diferents avenços tecnològics, la compatibilitat electromagnètica i la capacitat general de cada dispositiu per funcionar correctament en condicions normals de funcionament, sense afectar negativament el funcionament d'altres dispositius a la seva proximitat, és encara més important que abans. Els dispositius no han de ser susceptibles a l’EMI de fonts intencionals o no intencionals properes i, al mateix temps, no han d’irradiar (intencionadament o no) interferències a nivells que puguin provocar un mal funcionament d’altres dispositius.

Per motius relacionats amb els costos, és important tenir en compte l’EMC en les primeres etapes del disseny de SMPS. També és important tenir en compte com la connexió de la font d’alimentació al dispositiu principal afecta la dinàmica EMI de tots dos dispositius, ja que en la majoria dels casos, especialment per a SMPS incrustats, la font d’alimentació es certificarà juntament amb el dispositiu com una sola unitat i qualsevol caiguda a qualsevol podria provocar un fracàs.