SMPS devrelerinde emi'yi azaltmak için tasarım teknikleri

EMI ile ilgili bir önceki yazımda, EMI kaynaklarının kasıtlı / kasıtsız doğasını ve çevrelerindeki diğer Elektrikli / Elektronik cihazların (mağdurların) performansını nasıl etkilediğini incelemiştik. Makalenin ardından Elektromanyetik Uyumluluk (EMC) ile ilgili bir başka makale yayınlandı, bu da EMI'nin tehlikelerine ilişkin bilgiler sağladı ve zayıf EMI değerlendirmesinin bir ürünün piyasa performansını ne kadar olumsuz etkileyebileceğine dair bir bağlam sundu, ya düzenleme kısıntıları ya da işlevsellik hataları nedeniyle.

Her iki makale de tasarımda EMI'yi (Giden veya Gelen) en aza indirmek için kapsamlı ipuçları içerir, ancak sonraki birkaç makalede daha derin bir dalış yapacağız ve elektronik ürününüzün belirli işlevsel birimlerinde EMI'yi nasıl en aza indireceğinizi inceleyeceğiz. Anahtarlamalı Güç Kaynaklarına özel olarak odaklanarak Güç kaynağı ünitelerinde EMI'yi en aza indirerek işleri başlatacağız.

Anahtarlama Modu Güç kaynağı, voltaj dönüştürme / Dönüştürme (güçlendirme veya yükseltme) için hızlı anahtarlama eylemlerine sahip devreler kullanan AC-DC veya DC-DC güç kaynakları için genel bir terimdir. Yüksek verimlilik, küçük form faktörü ve düşük güç tüketimi ile karakterize edilirler, bu da onları yeni elektronik ekipman / ürünler için tercih edilen güç kaynağı haline getirmiştir; popüler Doğrusal Güç Kaynakları. Ancak SMPS, tasarımlarının karmaşıklığının ötesinde, bilindiği yüksek verime ulaşmak için kullandıkları hızlı anahtarlama frekansları nedeniyle önemli bir EMI oluşturma tehdidi sunmaktadır.

Her gün geliştirilen daha fazla cihazla (potansiyel EMI mağdurları / kaynağı), EMI'nin üstesinden gelmek mühendisler için büyük bir zorluk haline geliyor ve elektromanyetik uyumluluğa (EMC) ulaşmak, cihazın doğru şekilde çalışmasını sağlamak kadar önemli hale geliyor.

Bugünün makalesi için, SMPS'deki EMI'nin doğasına ve kaynaklarına bakacağız ve bunları hafifletmek için kullanılabilecek bazı tasarım tekniklerini / yaklaşımlarını inceleyeceğiz.

SMPS'de EMI Kaynakları

Herhangi bir EMI problemini çözmek genellikle parazit kaynağının, diğer devrelere (kurbanlar) bağlantı yolunun ve performansı olumsuz etkilenen kurbanın doğasının anlaşılmasını gerektirir. Ürün geliştirme sırasında, EMI'nin potansiyel kurbanlar üzerindeki etkisini belirlemek genellikle neredeyse imkansızdır, çünkü EMI kontrol çabaları genellikle emisyon kaynaklarını en aza indirmeye (veya duyarlılığı azaltmaya) ve bağlantı yollarını ortadan kaldırmaya / azaltmaya odaklanır.

SMPS güç kaynaklarındaki ana EMI kaynağı, içsel tasarım yapılarına ve anahtarlama özelliklerine göre izlenebilir. AC-DC veya DC-DC'den dönüştürme işlemi sırasında, SMPS'deki MOSFET anahtarlama bileşenleri, yüksek frekanslarda açılır veya kapanır, bir Fourier serisi tarafından şu şekilde tanımlanabilen yanlış bir sinüs dalgası (kare dalga) oluşturur. harmonik ilişkili frekanslarla birçok sinüs dalgasının toplamı. Anahtarlama eyleminden kaynaklanan bu tam Fourier harmonik spektrumu, güç kaynağından cihazdaki diğer devrelere ve bu frekanslara duyarlı yakındaki elektronik cihazlara iletilen EMI olur.

Anahtarlamadan kaynaklanan gürültünün yanı sıra, SMPS'deki diğer bir EMI kaynağı hızlı akım (dI / dt) ve voltaj (dV / dt) geçişleridir (bunlar da anahtarlamayla ilgilidir). Maxwell denklemine göre, bu alternatif akımlar ve gerilimler, alternatif bir elektromanyetik alan oluşturacak ve alanın büyüklüğü mesafe ile azalırken, antenler gibi davranan ve hatlarda ek gürültüye neden olan iletken parçalarla (PCB üzerindeki bakır izleri gibi) etkileşime giriyor. EMI'ye yol açar.

Şimdi, kaynaktaki EMI, komşu devrelere veya cihazlara (mağdurlar) bağlanana kadar (zaman zaman) o kadar tehlikeli değildir ; potansiyel bağlantı yollarını ortadan kaldırarak / en aza indirerek, EMI genellikle azaltılabilir. "EMI'ye Giriş" makalesinde tartışıldığı gibi, EMI bağlantısı genellikle şu yolla gerçekleşir; iletim (istenmeyen / farklı amaca yönelik yollar veya sözde "gizli devreler" yoluyla), indüksiyon (transformatörler gibi endüktif veya kapasitif elemanlarla bağlantı) ve radyasyon (havadan).

Tasarımcılar, bu bağlantı yollarını ve anahtar modlu güç kaynaklarında EMI'yi nasıl etkilediklerini anlayarak sistemlerini, bağlantı yolunun etkisi en aza indirilecek ve parazitin yayılması azaltılacak şekilde oluşturabilirler.

Farklı EMI Bağlantı Mekanizmaları Türleri

SMPS ile ilgili her bir bağlantı mekanizmasının üzerinden geçecek ve SMPS tasarımlarının varlıklarını ortaya çıkaran unsurlarını belirleyeceğiz.

SMPS'de yayılan EMI:

Yayılan bağlantı, kaynak ve alıcı (kurban) radyo antenleri olarak hareket ettiğinde meydana gelir. Kaynak, kaynak ile kurban arasındaki açık alanda yayılan elektromanyetik bir dalga yayar. SMPS'de Yayılan EMI yayılımı genellikle, zayıf tasarım yerleşimi nedeniyle hızlı akım yükselme sürelerine sahip döngülerin varlığı ve sızıntı endüktansına neden olan kablolama uygulamaları ile desteklenen yüksek di / dt'li anahtarlamalı akımlarla ilişkilidir.

Aşağıdaki devreyi düşünün;

Devredeki hızlı akım değişimi, normal voltaj çıkışına (Vmeas) ek olarak gürültülü bir voltaja (Vnoise) neden olur. Kuplaj mekanizması, Vnoise denklem tarafından verilecek şekilde transformatörlerin çalışmasına benzer;

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

M / K, manyetik döngülerin mesafesine, alanına ve yönüne ve söz konusu döngüler arasındaki manyetik absorpsiyona bağlı olan bağlantı faktörüdür - tıpkı bir transformatörde olduğu gibi. Bu nedenle, zayıf döngü oryantasyonu ve geniş akım döngüsü alanına sahip tasarım / PCB yerleşimlerinde, daha yüksek düzeyde yayılan EMI olma eğilimindedir.

SMPS'de gerçekleştirilen EMI:

İletim Bağlantısı, EMI kaynağını ve alıcıyı birbirine bağlayan iletkenler (teller, kablolar, muhafazalar ve PCB'ler üzerindeki bakır izler) boyunca EMI emisyonları geçirildiğinde oluşur. Bu şekilde birleştirilen EMI, güç kaynağı hatlarında yaygındır ve genellikle H-alanı bileşeninde ağırdır.

SMPS'de İletim Kuplajı ya Ortak Mod iletimidir (parazit + ve GND hattında faz içi görünür) veya Diferansiyel Moddur (parazit, iki iletkende faz dışı görünür).

Yaygın mod tarafından iletilen emisyonlar, genellikle soğutucu ve transformatörünki gibi parazitik kapasitansların yanı sıra pano düzeninden ve anahtar boyunca anahtarlama voltaj dalga biçiminden kaynaklanır.

Diferansiyel mod tarafından iletilen emisyonlar ise, girişte akım darbelerine neden olan ve diferansiyel gürültünün varlığına yol açan anahtarlama artışları oluşturan anahtarlama eyleminin bir sonucudur.

SMPS'de endüktif EMI:

Endüktif kuplaj, kaynak ile kurban arasında elektriksel (kapasitif olarak bağlanmış bir sebeple) veya manyetik (indüktif olarak kuplajlı) EMI indüksiyonu olduğunda meydana gelir. Elektrik kuplajı veya Kapasitif kuplaj, iki bitişik iletken arasında değişen bir elektrik alanı olduğunda, aralarındaki boşluk boyunca voltajda bir değişiklik meydana geldiğinde meydana gelirken, bir Manyetik kuplaj veya Endüktif kuplaj, iki paralel iletken arasında değişken bir manyetik alan olduğunda meydana gelir ve bir değişikliği indükler. alıcı iletken boyunca voltajda.

Özetle, SMPS'deki ana EMI kaynağı, ortaya çıkan hızlı di / dt veya dv / dt geçişleri ile birlikte yüksek frekanslı anahtarlama eylemi iken, üretilen EMI'nin aynı panodaki potansiyel kurbanlara yayılmasını / yayılmasını kolaylaştıran etkinleştiriciler (veya harici sistemler), zayıf bileşen seçimi, zayıf tasarım düzeni ve akım yollarında başıboş endüktans / kapasitans varlığından kaynaklanan faktörlerdir.

SMPS'de EMI'yi Azaltmak için Tasarım Teknikleri

Bu bölüme geçmeden önce, tasarım hedeflerinin ne olduğuna dair bir hatırlatma almak için EMI / EMC etrafındaki standartlara ve düzenlemelere bir göz atmak faydalı olabilir. Standartlar ülkeler / bölgeler arasında değişmekle birlikte, en yaygın kabul gören iki standart, uyum sayesinde çoğu bölgede sertifikasyon için kabul edilebilir; FCC EMI Kontrolü düzenlemeleri ve CISPR 22 (Uluslararası Radyo Paraziti Özel Komitesi'nin (CISPR) Üçüncü Sürümü, Yay. 22). Bu iki standardın karmaşık ayrıntıları, daha önce tartıştığımız EMI standart makalesinde özetlenmiştir.

EMC sertifika süreçlerini geçmek veya sadece cihazlarınızın diğer cihazların yanında iyi çalışmasını sağlamak, emisyon seviyelerinizi standartlarda açıklanan değerlerin altında tutmanızı gerektirir.

SMPS'de EMI'yi azaltmak için oldukça fazla tasarım yaklaşımı mevcuttur ve bunları birbiri ardına ele almaya çalışacağız.

1. Doğrusal Git

Açıkçası, uygulamanız bunu karşılayabiliyorsa (hacim ve verimsiz yapı), doğrusal bir Güç Kaynağı kullanarak kendinize çok sayıda Güç kaynağıyla ilgili EMI stresinden tasarruf edebilirsiniz. Önemli EMI üretmezler ve geliştirmek için çok zaman ve paraya mal olmazlar. Verimlilikleri açısından, SMPS ile eşit olmasa bile, LDO doğrusal düzenleyicileri kullanarak makul verimlilik seviyeleri elde edebilirsiniz.

2. Güç Modüllerini Kullanın

İyi bir EMI performansı elde etmek için en iyi uygulamaları takip etmek bazen yeterince iyi olmayabilir. En iyi EMI sonuçlarını ayarlamak ve almak için zaman veya diğer kaynakları bulamadığınız bu durumlarda, genellikle işe yarayan bir yaklaşım Güç modüllerine geçmektir.

Güç modülleri mükemmel değildir, ancak iyi yaptıkları bir şey, kötü tasarım düzeni ve parazitik endüktans / kapasitans gibi olağan EMI suçlularının tuzaklarına düşmemenizi sağlar. Piyasadaki en iyi güç modüllerinden bazıları EMI'nin üstesinden gelme ihtiyacını zaten açıklıyor ve iyi EMI performansı ile hızlı ve kolay güç kaynaklarının geliştirilmesini mümkün kılmak için tasarlandı. Murata, Recom, Mornsun vb. Üreticiler EMI ve EMC problemlerini bizim için halihazırda halihazırda ele alan geniş bir SMPS Modül yelpazesine sahiptir.

Örneğin, genellikle paketin içinde dahili olarak bağlanan indüktörler gibi çoğu bileşene sahiptirler, bu nedenle modül içinde çok küçük bir döngü alanı vardır ve yayılan EMI azaltılır. Bazı modüller, Bobinden Yayılan EMI'yi önlemek için indüktörleri ve anahtar düğümünü korumaya kadar gider.

3. Ekranlama

EMI'yi azaltmak için kaba kuvvet mekanizması , SMPS'yi metal ile koruyor. Bu, gürültü üreten kaynakların güç kaynağına, topraklanmış bir iletken (metal) yuva içine yerleştirilmesiyle, harici devrelere tek arayüzün sıralı filtreler aracılığıyla olmasıyla elde edilir.

Bununla birlikte, ekranlama, malzemelerde ek maliyet ve projeye PCB boyutu ekler, bu nedenle, düşük maliyetli hedefleri olan projeler için kötü bir fikir olabilir.

4. Düzen Optimizasyonu

Tasarım düzeni, EMI'nin devre boyunca yayılmasını kolaylaştıran ana konulardan biri olarak kabul edilir. Bu nedenle, SMPS'de EMI'yi azaltmaya yönelik geniş, genel tekniklerden biri Düzen Optimizasyonudur. Parazitik bileşenlerin ortadan kaldırılmasından gürültülü düğümlerin gürültüye duyarlı düğümlerden ayrılmasına ve mevcut döngü alanlarının azaltılmasına kadar farklı şeyler anlamına gelebileceğinden, bazen oldukça belirsiz bir terimdir.

SMPS tasarımları için bazı düzen optimizasyonu ipuçları şunları içerir;

Gürültüye duyarlı düğümleri Gürültülü düğümlerden koruyun

Bu, aralarındaki elektromanyetik eşleşmeyi önlemek için birbirlerinden olabildiğince uzağa yerleştirilerek yapılabilir. Gürültüye duyarlı ve gürültülü düğümlerin bazı örnekleri aşağıdaki tabloda verilmiştir;

Gürültülü Düğümler	Gürültüye Duyarlı Düğümler
İndüktörler	Algılama yolları
Düğümleri değiştirin	Tazminat ağları
Yüksek dI / dt kapasitörler	Geri bildirim pimi
FET'ler	Kontrol Devreleri

Gürültüye Duyarlı Düğümlerin İzlerini Kısa Tut

PCB üzerindeki bakır izleri, Yayılan EMI için anten görevi görür; bu nedenle, Gürültüye Duyarlı düğümlere doğrudan bağlı izlerin yayılan EMI elde etmesini önlemenin en iyi yollarından biri, bunları mümkün olduğunca kısa tutmaktır. mümkün olduğunca yakın bağlanmak için. Örneğin, bir geri besleme (FB) pini besleyen bir direnç bölücü ağdan uzun bir iz, bir anten görevi görebilir ve etrafından yayılan EMI'yi alabilir. Geribildirim pinine beslenen gürültü, sistemin çıkışında ek gürültü oluşturarak cihazın performansını kararsız hale getirecektir.

Kritik (anten) Döngü Alanını Azaltın

Anahtarlama dalga biçimini taşıyan izler / teller birbirine mümkün olduğunca yakın olmalıdır.

Yayılan EMI, akımın (I) büyüklüğü ve içinden geçtiği döngü alanı (A) ile doğru orantılıdır, bu nedenle akım / voltaj alanını azaltarak, yayılan EMI seviyesini azaltabiliriz. Güç hatları için bunu yapmanın iyi bir yolu, güç hattını ve dönüş yolunu PCB'nin bitişik katmanları üzerine yerleştirmektir.

Kaçak Endüktansı En Aza İndirin

(Alana da orantılı olarak yayılan EMI katkıda bulunur) tel halka empedansı azaltılabilir artan PCB üzerinde parça (hattı) boyutunu ve kendi dönüş yoluna paralel yönlendirme indüktansını azaltmaktır parça.

Topraklama

PCB'nin dış yüzeylerinde bulunan kesintisiz bir zemin düzlemi, özellikle yayılan EMI'yi önemli ölçüde bastırdığı EMI Kaynağının hemen altına yerleştirildiğinde, EMI için en kısa dönüş yolunu sağlar. Bununla birlikte, başka izler tarafından kesilmesine izin verirseniz, yer düzlemleri bir sorun olabilir. Kesim, etkili döngü alanını artırabilir ve önemli EMI seviyelerine yol açabilir, çünkü geri dönüş akımı, kesimin etrafından dolaşmak ve mevcut kaynağa dönmek için daha uzun bir yol bulmalıdır.

Filtreler

EMI Filtreleri, özellikle yürütülen EMI'yi azaltmak için Güç kaynakları için sahip olunması gereken bir zorunluluktur. Genellikle güç kaynağının girişinde ve / veya çıkışında bulunurlar. Girişte, ana şebekeden ve çıkıştaki gürültüyü filtrelemeye yardımcı olurlar, tedarikten gelen gürültünün devrenin geri kalanını etkilemesini önler.

İletilen EMI'yi azaltmak için EMI filtrelerinin tasarımında, filtrenin bunları ele alması için parametreler farklı olacağından, ortak modda yürütülen emisyonu diferansiyel mod emisyonundan ayrı olarak ele almak genellikle önemlidir.

İçin diferansiyel mod filtre EMI yürütülen, giriş filtresi genellikle, elektrolitik ve seramik kondansatör oluşan kombine etkili bir Seyreltme diferansiyel mod akımına düşük temel anahtarlama frekansında ve aynı zamanda daha yüksek bir harmonik frekansta edilir. Daha fazla bastırmanın gerekli olduğu durumlarda, tek aşamalı bir LC düşük geçiş filtresi oluşturmak için girişle seri olarak bir indüktör eklenir.

İçin ortak mod filtreleme EMI gerçekleştirilen filtreleme etkili bir güç hatları (giriş ve çıkış) ile şasi arasında bypass kapasitörleri bağlanarak elde edilebilir. Daha fazla zayıflamanın gerekli olduğu durumlarda, güç hatlarına seri olarak bağlı kısma indüktörleri eklenebilir.

Genel olarak filtre tasarımları, bileşenleri seçerken en kötü senaryoları dikkate almalıdır. Örneğin Ortak mod EMI, Yüksek giriş voltajı ile maksimum olurken, Diferansiyel Mod EMI, düşük voltaj ve yüksek yük akımı ile maksimum olacaktır.

Sonuç

Güç kaynaklarını değiştirirken yukarıda belirtilen tüm noktaları göz önünde bulundurmak genellikle bir zorluktur, EMI azaltmanın “karanlık sanat” olarak anılmasının etkili bir nedeni budur, ancak buna alıştıkça ikinci doğa haline gelirler..

IoT ve teknolojideki farklı gelişmeler sayesinde, Elektromanyetik uyumluluk ve her bir cihazın, yakın çevresindeki diğer cihazların çalışmasını olumsuz yönde etkilemeden normal çalışma koşullarında düzgün bir şekilde çalışabilmesi, eskisinden daha da önemlidir. Cihazlar, yakındaki kasıtlı veya kasıtsız kaynaklardan EMI'ye duyarlı olmamalı ve aynı zamanda diğer cihazların arızalanmasına neden olabilecek seviyelerde (kasıtlı veya kasıtsız) parazit yaymamalıdır.

Maliyetle ilgili nedenlerden dolayı, EMC'yi SMPS tasarımının erken aşamasında dikkate almak önemlidir. Güç kaynağının ana cihaza bağlanmasının her iki cihazda da EMI dinamiklerini nasıl etkilediğini göz önünde bulundurmak da önemlidir, çünkü çoğu durumda, özellikle gömülü SMPS için, güç kaynağı cihazla birlikte tek bir birim olarak onaylanacaktır ve arızalar ya başarısızlığa yol açabilir.