Projektēšanas paņēmieni emi samazināšanai smps ķēdēs

Manā iepriekšējā rakstā par EMI mēs pārbaudījām, kā EMI avotu tīša / neapzināta būtība un kā tie ietekmē citu apkārtējo elektrisko / elektronisko ierīču (cietušo) darbību. Rakstam sekoja vēl viens raksts par elektromagnētisko savietojamību (EMS), kas sniedza ieskatu par EMI bīstamību un piedāvāja zināmu kontekstu tam, kā slikta EMI atlīdzība varētu negatīvi ietekmēt produkta tirgus darbību vai nu regulēšanas ierobežojumu, vai funkcionalitātes kļūmju dēļ.

Abos rakstos ir iekļauti plaši padomi, kā samazināt EMI (izejošo vai ienākošo) dizainu, taču dažos nākamajos rakstos mēs veiksim dziļāku izpēti un pārbaudīsim, kā samazināt EMI dažās jūsu elektroniskā produkta funkcionālajās vienībās. Mēs sāksim darbu, samazinot EMI barošanas blokos, īpašu uzmanību pievēršot slēdža režīma barošanas avotiem.

Pārslēgšanas režīma barošana ir vispārējs termins maiņstrāvas vai līdzstrāvas līdzstrāvas avotiem, kas izmanto ķēdes ar ātru komutācijas darbību sprieguma pārveidošanai / pārveidošanai (sprādziens vai palielinājums). Tiem ir raksturīga augsta efektivitāte, mazs formas faktors un mazs enerģijas patēriņš, kas ir padarījis tos par izvēlētu barošanas avotu jaunām elektroniskām iekārtām / izstrādājumiem, kaut arī tie ir ievērojami sarežģītāki un grūti noformējami salīdzinājumā ar nolietotajiem. populāri lineārie barošanas bloki. Tomēr, izņemot to dizaina sarežģītību, SMPS rada ievērojamus EMI radīšanas draudus viņu izmantoto ātro pārslēgšanās frekvenču dēļ, lai sasniegtu augstu zināmo efektivitāti.

Katru dienu attīstot vairāk ierīču (potenciālos EMI upurus / avotus), EMI pārvarēšana kļūst par galveno izaicinājumu inženieriem, un elektromagnētiskās savietojamības (EMS) sasniegšana kļūst tikpat svarīga kā ierīces pareiza darbība.

Šodienas rakstā mēs aplūkosim EMI būtību un avotus SMPS un pārbaudīsim dažas projektēšanas metodes / pieejas, kuras var izmantot to mazināšanā.

EMI avoti SMPS

Jebkuras EMI problēmas risināšanai parasti ir nepieciešama izpratne par traucējumu avotu, savienojuma ceļu ar citām ķēdēm (upuriem) un tā upura būtību, kura darbību negatīvi ietekmē. Produktu izstrādes laikā parasti ir gandrīz neiespējami noteikt EMI ietekmi uz potenciālajiem upuriem, tāpēc EMI kontroles centieni parasti ir vērsti uz emisijas avotu samazināšanu (vai uzņēmības samazināšanu) un sakabes ceļu likvidēšanu / samazināšanu.

Galvenais EMPS avots SMPS barošanas avotos ir izsekojams pēc to raksturīgā dizaina rakstura un komutācijas īpašībām. Vai nu pārveidošanas procesā no maiņstrāvas līdzstrāvas vai līdzstrāvas līdzstrāvas, SMOS MOSFET komutācijas komponenti, ieslēdzot vai izslēdzot augstās frekvencēs, rada nepatiesu sinusoidālu vilni (kvadrātveida vilni), ko Furjē sērija var raksturot kā daudzu sinusa viļņu summēšana ar harmoniski saistītām frekvencēm. Šis pilns Furjē harmoniku spektrs, kas rodas komutācijas darbības rezultātā, kļūst par EMI, kas tiek pārraidīts no barošanas avota uz citām ierīces ķēdēm un tuvumā esošām elektroniskām ierīcēm, kas ir jutīgas pret šīm frekvencēm.

Papildus komutācijas radītajam troksnim, vēl viens EMI avots SMPS ir ātrās strāvas (dI / dt) un sprieguma (dV / dt) pārejas (kas arī ir saistītas ar komutāciju). Saskaņā ar Maksvela vienādojumu šī mainīgā strāva un spriegums radīs mainīgu elektromagnētisko lauku, un, lai gan lauka lielums ar attālumu samazinās, tas mijiedarbojas ar vadošajām daļām (piemēram, vara pēdas uz PCB), kas darbojas kā antenas un rada papildu troksni līnijās, kas noved pie EMI.

Tagad EMI avotā nav tik bīstams (brīžiem), kamēr tas nav savienots ar kaimiņu ķēdēm vai ierīcēm (upuriem), tādējādi, novēršot / samazinot potenciālos sakabes ceļus, EMI parasti var samazināt. Kā aplūkots rakstā “Ievads EMI”, EMI savienošana parasti notiek caur; vadīšana (pa nevēlamiem / atkārtoti izvietotiem ceļiem vai tā sauktajām “līkuma ķēdēm”), indukcija (savienošana ar induktīviem vai kapacitatīviem elementiem, piemēram, transformatoriem) un radiācija (pa gaisu).

Izprotot šos sakabes ceļus un to, kā tie ietekmē EMI komutācijas režīma barošanas avotos, dizaineri var izveidot savas sistēmas tā, lai sakabes ceļa ietekme tiktu samazināta līdz minimumam un samazināta traucējumu izplatīšanās.

Dažādi EMI savienošanas mehānismu veidi

Mēs aplūkosim visus saistīšanas mehānismus, kas saistīti ar SMPS, un izveidosim SMPS dizaina elementus, kas rada to pastāvēšanu.

Izstarotā EMI SMPS:

Izstarotā sakabe notiek tad, kad avots un uztvērējs (upuris) darbojas kā radio antenas. Avots izstaro elektromagnētisko viļņu, kas izplatās pa atvērto telpu starp avotu un upuri. SMPS izstarotā EMI izplatīšanās parasti ir saistīta ar pārslēgtām strāvām ar lielu di / dt, ko veicina cilpas ar ātru strāvas pieauguma laiku slikta dizaina izkārtojuma dēļ un elektroinstalācijas prakse, kas izraisa noplūdes induktivitāti.

Apsveriet ķēdi zemāk;

Ātra strāvas maiņa ķēdē papildus parastajai sprieguma izejai (Vmeas) rada trokšņainu spriegumu (Vnoise). Savienojuma mehānisms ir līdzīgs transformatoru darbībai tā, ka Vnoise tiek dots ar vienādojumu;

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

Kur M / K ir sakabes koeficients, kas atkarīgs no magnētisko cilpu attāluma, laukuma un orientācijas, kā arī magnētiskās absorbcijas starp attiecīgajām cilpām - tāpat kā transformatorā. Tādējādi projektēšanas / PCB izkārtojumos ar sliktu cilpas orientācijas apsvērumu un lielu strāvas cilpas laukumu mēdz būt augstāks izstarotā EMI līmenis.

Veikta EMI SMPS:

Vadīšana Savienošana notiek, kad EMI emisijas tiek vadītas gar vadītājiem (vadiem, kabeļiem, korpusi un vara pēdas uz PCB), kas savieno EMI avotu un uztvērēju. Šādi savienots EMI ir kopīgs strāvas padeves līnijās un parasti smags H lauka komponentam.

Vadīšanas savienošana SMPS ir vai nu parastā režīma vadīšana (traucējumi tiek parādīti fāzē uz + ve un GND līnijas) vai diferenciālais režīms (traucējumi tiek parādīti ārpus fāzes diviem vadītājiem).

Parastā režīma vadītās emisijas parasti izraisa parazītu kapacitātes, piemēram, radiatora un transformatora kapacitāte kopā ar dēļu izkārtojumu, un komutācijas sprieguma viļņu forma pāri slēdzim.

No otras puses, diferenciālā režīma vadītās emisijas ir pārslēgšanās darbības rezultāts, kas ieejā rada strāvas impulsus un rada pārslēgšanās tapas, kas noved pie diferenciālā trokšņa esamības.

Induktīvā EMI SMPS:

Induktīvā savienošana notiek, ja starp avotu un cietušo ir elektriska (kapacitatīvi savienota) vai magnētiska (induktīvi savienota) EMI indukcija. Elektriskā vai kapacitatīvā savienošana notiek, ja starp diviem blakus esošajiem vadītājiem pastāv mainīgs elektriskais lauks, izraisot sprieguma izmaiņas spraugā starp tiem, savukārt magnētiskā vai induktīvā sakabe notiek, ja starp diviem paralēliem vadītājiem pastāv mainīgs magnētiskais lauks, izraisot izmaiņas spriegumā gar uztverošo vadītāju.

Apkopojot, lai gan galvenais EMI avots SMPS ir augstfrekvences pārslēgšanas darbība, kā arī no tā izrietošie ātrie di / dt vai dv / dt pārejas, iespējotāji, kas atvieglo ģenerētās EMI izplatīšanos / izplatīšanos potenciālajiem upuriem tajā pašā dēlī (vai ārējās sistēmas) ir faktori, kas izriet no sliktas komponentu izvēles, slikta dizaina izkārtojuma un klaiņojošas induktivitātes / kapacitātes esamības pašreizējos ceļos.

Projektēšanas paņēmieni EMI samazināšanai SMPS

Pirms šīs sadaļas pārskatīšanas varētu būt noderīgi apskatīt EMI / EMC standartus un noteikumus, lai saņemtu atgādinājumu par to, kādi ir dizaina mērķi. Lai gan standarti dažādās valstīs / reģionos ir atšķirīgi, lielākajā daļā reģionu sertificēšanai ir pieņemami divi vispopulārākie, kas, pateicoties saskaņošanai, ir; FCC EMI kontroles noteikumi un CISPR 22 (Starptautiskās īpašās radio traucējumu komitejas (CISPR) trešais izdevums, 22. izdevums). Sarežģīta informācija par šiem diviem standartiem tika apkopota EMI standarta rakstā, kuru mēs iepriekš apspriedām.

Lai izturētu EMS sertifikācijas procesus vai vienkārši nodrošinātu, ka jūsu ierīces darbojas labi, ja apkārt citām ierīcēm, emisijas līmenis jāsaglabā zem standartos aprakstītajām vērtībām.

EMI mazināšanai SMPS pastāv diezgan daudz dizaina pieeju, un mēs centīsimies tās aptvert vienu pēc otras.

1. Iet Linear

Godīgi sakot, ja jūsu lietojumprogramma to var atļauties (apjomīgums un neefektivitāte), izmantojot lineāru barošanas avotu, jūs varat ietaupīt daudz ar EMI saistīto strāvas padevi. Tie nerada ievērojamu EMI, un to izstrāde nemaksā tik daudz laika un naudas. To efektivitātes dēļ, pat ja tas, iespējams, nav vienāds ar SMPS, jūs joprojām varat iegūt saprātīgu efektivitātes līmeni, izmantojot LDO lineāros regulatorus.

2. Izmantojiet barošanas moduļus

Labākās EMI veiktspējas ievērošana dažkārt var nebūt pietiekami laba. Šādās situācijās, kad, šķiet, nevarat atrast laiku vai citus resursus, lai pielāgotos un iegūtu labākos EMI rezultātus, viena pieeja, kas parasti darbojas, ir pāreja uz Power moduļiem.

Strāvas moduļi nav ideāli, taču viena lieta, ko tie labi izdara, nodrošina to, ka jūs neiekļūstat parasto EMI vainīgo slazdos, piemēram, sliktā dizaina izkārtojumā un parazitārajā induktivitātē / kapacitātē. Daži no labākajiem elektroenerģijas moduļiem tirgū jau izskaidro nepieciešamību pārvarēt EMI, un tie ir izstrādāti, lai ātri un viegli izveidotu barošanas blokus ar labu EMI veiktspēju. Ražotājiem, piemēram, Murata, Recom, Mornsun uc, ir plašs SMPS moduļu klāsts, kas jau mums rūpējas par EMI un EMC problēmām.

Piemēram, tiem parasti ir lielākā daļa komponentu, piemēram, induktori, kas savienoti iekšpusē iepakojuma iekšpusē, tāpēc moduļa iekšpusē ir ļoti maza cilpas zona, un izstarotā EMI tiek samazināta. Daži moduļi sniedzas līdz induktoru un slēdžu mezglu pasargāšanai, lai novērstu izstaroto EMI no spoles.

3. Ekrāns

Brutāla spēka mehānisms EMI samazināšanai aizsargā SMPS ar metālu. Tas tiek panākts, ievietojot troksni ģenerējošus avotus strāvas padevē iezemētā vadošā (metāla) korpusā, un vienīgā saskarne ar ārējām ķēdēm ir caur līnijas filtriem.

Tomēr ekranēšana projektam piešķir papildu izmaksas par materiāliem un PCB izmēru, un tā var būt slikta ideja projektiem ar zemu izmaksu mērķiem.

4. Izkārtojuma optimizācija

Dizaina izkārtojums tiek uzskatīts par vienu no galvenajiem jautājumiem, kas atvieglo EMI izplatīšanos visā ķēdē. Tāpēc viena no plašākajām, vispārīgākajām metodēm EMI samazināšanai SMPS ir Izkārtojuma optimizācija. Dažreiz tas ir diezgan neskaidrs termins, jo tas var nozīmēt dažādas lietas, sākot no parazītu sastāvdaļu izskaušanas līdz trokšņainu mezglu atdalīšanai no trokšņa jutīgiem mezgliem un pašreizējo cilpu apgabalu samazināšanai utt.

Daži SMPS dizaina izkārtojuma optimizācijas padomi ietver;

Aizsargājiet trokšņa jutīgos mezglus no trokšņainajiem mezgliem

To var izdarīt, novietojot tos pēc iespējas tālāk viens no otra, lai novērstu elektromagnētisko savienojumu starp tiem. Daži trokšņa jutīgu un trokšņainu mezglu piemēri ir sniegti zemāk esošajā tabulā;

Trokšņaini mezgli	Trokšņa jutīgie mezgli
Induktori	Sensēšanas ceļi
Pārslēdziet mezglus	Kompensācijas tīkli
Augsti dI / dt kondensatori	Atsauksmes tapa
FET	Vadības shēmas

Troksni jutīgiem mezgliem saglabājiet īsas pēdas

Vara pēdas uz PCB darbojas kā izstarotās EMI antenas, un tas ir viens no labākajiem veidiem, kā novērst trokšņa jutīgiem mezgliem piemītošās pēdas no izstarotās EMI iegūšanas, saglabājot tās pēc iespējas īsākas, pārvietojot komponentus, uz kuriem tie atrodas jāsavieno pēc iespējas tuvāk. Piemēram, liela rezistora dalītāja tīkla izsekošana, kas tiek ievadīta atgriezeniskās saites (FB) tapā, var darboties kā antena un uztvert izstaroto EMI ap to. Troksnis, kas tiek padots atgriezeniskās saites tapai, radīs papildu troksni sistēmas izejā, padarot ierīces darbību nestabilu.

Samaziniet kritisko (antenas) cilpas laukumu

Trasēm / vadiem, kuriem ir pārslēgšanās viļņu forma, jābūt pēc iespējas tuvāk viens otram.

Izstarotā EMI ir tieši proporcionāla strāvas lielumam (I) un cilpas laukumam (A), caur kuru tā plūst, kā tādu, samazinot strāvas / sprieguma laukumu, mēs varam samazināt izstarotā EMI līmeni. Labs veids, kā to izdarīt elektropārvades līnijām, ir novietot elektrolīniju un atgriešanās ceļu virs otra blakus esošajos PCB slāņos.

Samaziniet klaiņojošo induktivitāti

Stieples cilpas pretestību (kas veicina izstaroto EMI, jo tā ir proporcionāla laukumam) var samazināt, palielinot sliežu (elektropārvades līnijas) lielumu uz PCB un novirzot to paralēli atgriešanās ceļam, lai samazinātu sliežu induktivitāti.

Zemējums

Nepārtraukta iezemētā plakne, kas atrodas uz PCB ārējām virsmām, nodrošina īsāko atgriešanās ceļu EMI, it īpaši, ja tā atrodas tieši zem EMI avota, kur tā ievērojami nomāc izstaroto EMI. Zemes lidmašīnas tomēr varētu būt problēma, ja atļaujat tām šķērsot citas pēdas. Izgriešana varētu palielināt faktisko cilpas laukumu un novest pie ievērojama EMI līmeņa, jo atgriešanās strāvai ir jāatrod garāks ceļš, lai apietu griezumu un atgrieztos pie pašreizējā avota.

Filtri

EMI filtriem ir jābūt barošanas avotiem, it īpaši, lai mazinātu vadīto EMI. Parasti tie atrodas pie barošanas avota ieejas un / vai izejas. Pie ieejas tie palīdz filtrēt troksni no tīkla un izejas, tas novērš barošanas troksni, kas neietekmē pārējo ķēdi.

Projektējot EMI filtrus, lai mazinātu vadīto EMI, parasti ir svarīgi parastā režīma vadīto emisiju apstrādāt atsevišķi no diferenciālā režīma emisijām, jo ​​filtra parametri, lai tos novērstu, būs atšķirīgi.

Par starpība režīms veica EMI filtrēšana, ieejas filtri parasti sastāv no elektrolīzes un keramikas kondensatoru, kopā, lai efektīvi mazināt starpība režīma strāvu apakšējā pamata pārslēgšanas frekvenci un arī augstāku harmoniku frekvencēm. Situācijās, kad nepieciešama turpmāka apspiešana, induktors tiek pievienots virknē ar ieeju, lai izveidotu vienpakāpes LC zemas caurlaidības filtru.

Par Kopēja režīmā veica EMI filtrējot filtrēšanu var efektīvi sasniegt, pievienojot apvedceļš kondensatori starp elektropārvades līnijām (gan ieejas un izejas) un zemi. Situācijās, kad nepieciešama turpmāka vājināšana, savienotos droseles induktorus var pievienot virknē ar elektropārvades līnijām.

Parasti filtru dizainā, izvēloties komponentus, jāņem vērā vissliktākie scenāriji. Piemēram, kopējā režīma EMI būs maksimāla ar augstu ieejas spriegumu, bet diferenciālā režīma EMI būs maksimāla ar zemu spriegumu un lielu slodzes strāvu.

Secinājums

Ņemot vērā visus iepriekš minētos jautājumus, projektējot komutācijas barošanas avotus, parasti tas ir izaicinājums, tas faktiski ir viens no iemesliem, kāpēc EMI mazināšana tiek dēvēta par “tumšo mākslu”, taču, pierodot pie tās, tās kļūst par otro dabu.

Pateicoties IoT un dažādiem tehnoloģiju sasniegumiem, elektromagnētiskā savietojamība un katras ierīces vispārējā spēja darboties pareizi normālos darba apstākļos, negatīvi neietekmējot citu ierīču darbību tās tuvumā, ir vēl svarīgāka nekā iepriekš. Ierīces nedrīkst būt jutīgas pret EMI no tuvumā esošiem tīšiem vai netīšiem avotiem, un tām vienlaikus nedrīkst izstarot (tīši vai netīši) traucējumus tādā līmenī, kas varētu izraisīt citu ierīču nepareizu darbību.

Ar izmaksām saistītu iemeslu dēļ ir svarīgi apsvērt EMS agrīnā SMPS izstrādes posmā. Ir svarīgi arī apsvērt, kā strāvas padeves pievienošana galvenajai ierīcei ietekmē EMI dinamiku abās ierīcēs, jo vairumā gadījumu, it īpaši iegulto SMPS gadījumā, barošanas avots tiks sertificēts kopā ar ierīci kā viena vienība un visi iespējamie pārtraukumi vai nu tas varētu izraisīt neveiksmi.