Tecniche di progettazione per ridurre le emi nei circuiti smps

Nel mio precedente articolo sull'EMI, abbiamo esaminato come la natura intenzionale / non intenzionale delle sorgenti EMI e come influenzano le prestazioni di altri dispositivi elettrici / elettronici (vittime) intorno a loro. L'articolo è stato seguito da un altro sulla compatibilità elettromagnetica (EMC) che ha fornito approfondimenti sui pericoli dell'EMI e ha offerto un contesto su come una scarsa considerazione dell'EMI potrebbe influire negativamente sulle prestazioni di mercato di un prodotto, a causa di restrizioni normative o guasti di funzionalità.

Entrambi gli articoli contengono suggerimenti generali per ridurre al minimo l'EMI (in uscita o in entrata) nella progettazione, ma nei prossimi articoli faremo un'immersione più approfondita ed esamineremo come ridurre al minimo l'EMI in alcune unità funzionali del prodotto elettronico. Inizieremo con la riduzione al minimo delle interferenze elettromagnetiche negli alimentatori con un focus specifico sugli alimentatori a commutazione.

Switch Mode Power supply è un termine generico per sorgenti di alimentazione AC-DC o DC-DC che utilizzano circuiti con azioni di commutazione rapida per la trasformazione / conversione della tensione (buck o boost). Sono caratterizzati da alta efficienza, fattore di forma ridotto e basso consumo energetico, che li ha resi l'alimentatore preferito per le nuove apparecchiature / prodotti elettronici, anche se sono significativamente più complessi e difficili da progettare rispetto a quelli usati per popolari alimentatori lineari. Tuttavia, al di là della complessità dei loro progetti, SMPS presenta una significativa minaccia di generazione di EMI a causa delle frequenze di commutazione veloci che impiegano, per raggiungere l'alta efficienza per cui sono noti.

Con lo sviluppo di più dispositivi (potenziali vittime / fonti di EMI) ogni giorno, il superamento delle EMI sta diventando una sfida importante per gli ingegneri e il raggiungimento della compatibilità elettromagnetica (EMC) sta diventando importante quanto il corretto funzionamento del dispositivo.

Per l'articolo di oggi, esamineremo la natura e le fonti dell'EMI in SMPS ed esamineremo alcune tecniche / approcci di progettazione che possono essere utilizzati per mitigarli.

Fonti di EMI in SMPS

La risoluzione di qualsiasi problema EMI richiede generalmente una comprensione della fonte di interferenza, il percorso di accoppiamento ad altri circuiti (vittime) e la natura della vittima le cui prestazioni sono influenzate negativamente. Durante lo sviluppo del prodotto, di solito è quasi impossibile determinare l'impatto delle EMI sulle potenziali vittime, in quanto tali, gli sforzi di controllo EMI sono solitamente concentrati sulla minimizzazione delle fonti di emissione (o sulla riduzione della suscettibilità) e sull'eliminazione / riduzione dei percorsi di accoppiamento.

La principale fonte di EMI negli alimentatori SMPS può essere ricondotta alla loro natura intrinseca di progettazione e alle caratteristiche di commutazione. O durante il processo di conversione da AC-DC o DC-DC, i componenti di commutazione MOSFET in SMPS, accendendosi o spegnendosi alle alte frequenze, creano una falsa onda sinusoidale (onda quadra), che può essere descritta da una serie di Fourier come la somma di molte onde sinusoidali con frequenze armonicamente correlate. Questo spettro completo di armoniche di Fourier, risultante dall'azione di commutazione, diventa l'EMI che viene trasmesso, dall'alimentatore ad altri circuiti nel dispositivo e ai dispositivi elettronici vicini che sono sensibili a queste frequenze.

Oltre al rumore derivante dalla commutazione, un'altra fonte di EMI in SMPS sono le transizioni rapide di corrente (dI / dt) e tensione (dV / dt) (che sono, beh, anche correlate alla commutazione). Secondo l'equazione di Maxwell, queste correnti e tensioni alternate produrranno un campo elettromagnetico alternato, e mentre l'ampiezza del campo si riduce con la distanza, interagisce con le parti conduttive (come le tracce di rame sul PCB) che agiscono come antenne e causano ulteriore rumore sulle linee, portando a EMI.

Ora, l'EMI alla fonte non è così pericoloso (a volte) fino a quando non viene accoppiato a circuiti o dispositivi vicini (vittime), in quanto tale, eliminando / minimizzando i potenziali percorsi di accoppiamento, l'EMI può generalmente essere ridotto. Come discusso nell'articolo "Introduzione all'EMI", l'accoppiamento EMI avviene generalmente attraverso; conduzione (tramite percorsi indesiderati / riproposti o cosiddetti "circuiti invisibili"), induzione (accoppiamento mediante elementi induttivi o capacitivi come i trasformatori) e radiazione (over-the-air).

Comprendendo questi percorsi di accoppiamento e il modo in cui influenzano l'EMI negli alimentatori a commutazione, i progettisti possono creare i loro sistemi in modo tale da ridurre al minimo l'influenza del percorso di accoppiamento e la diffusione dell'interferenza.

Diversi tipi di meccanismi di accoppiamento EMI

Esamineremo ciascuno dei meccanismi di accoppiamento relativi a SMPS e stabiliremo gli elementi dei progetti SMPS che danno origine alla loro esistenza.

EMI irradiata in SMPS:

L'accoppiamento irradiato si verifica quando la sorgente e il recettore (vittima) agiscono come antenne radio. La sorgente irradia un'onda elettromagnetica che si propaga nello spazio aperto tra la sorgente e la vittima. Negli SMPS la propagazione EMI irradiata è solitamente associata a correnti commutate con alto di / dt, potenziate dall'esistenza di loop con tempi di salita della corrente rapidi a causa di un layout di progettazione scadente e pratiche di cablaggio che danno origine a induttanza di dispersione.

Considera il circuito seguente;

La rapida variazione di corrente nel circuito genera una tensione rumorosa (Vnoise) oltre alla normale tensione di uscita (Vmeas). Il meccanismo di accoppiamento è simile al funzionamento dei trasformatori tale che il Vnoise è dato dall'equazione;

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

Dove M / K è il fattore di accoppiamento che dipende dalla distanza, dall'area e dall'orientamento dei circuiti magnetici e dall'assorbimento magnetico tra i circuiti in questione, proprio come in un trasformatore. Pertanto, nei layout di progettazione / PCB con scarsa considerazione dell'orientamento del loop e ampia area del loop di corrente, tende ad essere un livello più elevato di EMI irradiata.

EMI condotta in SMPS:

L'accoppiamento di conduzione si verifica quando le emissioni EMI vengono trasmesse lungo conduttori (fili, cavi, involucri e tracce di rame su PCB) che collegano insieme la sorgente EMI e il ricevitore. EMI accoppiato in questo modo è comune sulle linee di alimentazione e solitamente pesante sul componente di campo H.

L'accoppiamento di conduzione in SMPS è una conduzione di modo comune (l'interferenza appare in fase sulla linea + ve e GND) o modalità differenziale (l'interferenza appare sfasata su due conduttori).

Le emissioni condotte in modo comune sono generalmente causate da capacità parassite come quelle del dissipatore di calore e del trasformatore insieme al layout della scheda e alla forma d'onda della tensione di commutazione attraverso l'interruttore.

Le emissioni condotte in modo differenziale, invece, sono il risultato dell'azione di commutazione che provoca impulsi di corrente in ingresso e crea picchi di commutazione che portano all'esistenza di rumore differenziale.

EMI induttiva in SMPS:

L'accoppiamento induttivo si verifica quando c'è un'induzione EMI elettrica (dovuta a un accoppiamento capacitivo) o magnetica (dovuta a un'accoppiamento induttivo) tra la sorgente e la vittima. L'accoppiamento elettrico o accoppiamento capacitivo si verifica quando un campo elettrico variabile esiste tra due conduttori adiacenti, inducendo una variazione di tensione attraverso lo spazio tra di loro, mentre un accoppiamento magnetico o accoppiamento induttivo si verifica quando esiste un campo magnetico variabile tra due conduttori paralleli, inducendo un cambiamento in tensione lungo il conduttore ricevente.

In sintesi, mentre la principale fonte di EMI in SMPS è l'azione di commutazione ad alta frequenza insieme ai transitori veloci di / dt o dv / dt risultanti, gli abilitatori che facilitano la propagazione / diffusione dell'EMI generato a potenziali vittime sulla stessa scheda (o sistemi esterni) sono fattori che derivano da una cattiva selezione dei componenti, da un layout di progettazione inadeguato e dall'esistenza di induttanza / capacità parassite nei percorsi di corrente.

Tecniche di progettazione per ridurre l'EMI in SMPS

Prima di esaminare questa sezione, potrebbe essere gratificante dare un'occhiata agli standard e ai regolamenti relativi a EMI / EMC per ottenere un promemoria su quali sono gli obiettivi di progettazione. Sebbene gli standard variano tra paesi / regioni, i due più ampiamente accettati, che grazie all'armonizzazione, è accettabile per la certificazione nella maggior parte delle regioni includono; i regolamenti FCC EMI Control e il CISPR 22 (Terza edizione dell'International Special Committee on Radio Interference (CISPR), Pub. 22). I dettagli intricati di questi due standard sono stati riassunti nell'articolo sullo standard EMI di cui abbiamo discusso in precedenza.

Il superamento dei processi di certificazione EMC o semplicemente la garanzia che i dispositivi funzionino correttamente quando sono vicini ad altri dispositivi richiede di mantenere i livelli di emissione al di sotto dei valori descritti negli standard.

Esistono numerosi approcci di progettazione per mitigare l'EMI in SMPS e proveremo a coprirli uno dopo l'altro.

1. Vai lineare

Onestamente parlando, se la tua applicazione può permetterselo (l'ingombro e la natura inefficiente), puoi risparmiare un sacco di stress EMI correlato all'alimentatore utilizzando un alimentatore lineare. Non generano EMI significative e non costeranno tanto tempo e denaro per svilupparsi. Per la loro efficienza, anche se potrebbe non essere alla pari con SMPS, è comunque possibile ottenere livelli di efficienza ragionevoli utilizzando i regolatori lineari LDO.

2. Utilizzare i moduli di alimentazione

Seguire le migliori pratiche per ottenere una buona prestazione EMI potrebbe non essere abbastanza buono a volte. In quelle situazioni in cui non riesci a trovare il tempo o altre risorse per sintonizzarti e ottenere i migliori risultati EMI, un approccio che di solito funziona è il passaggio ai moduli di alimentazione.

I moduli di alimentazione non sono perfetti, ma una cosa che fanno bene ti assicura di non cadere nelle trappole dei soliti colpevoli di EMI come un cattivo layout di progettazione e induttanza / capacità parassita. Alcuni dei migliori moduli di alimentazione sul mercato rappresentano già la necessità di superare l'EMI e sono progettati per rendere lo sviluppo di alimentatori rapidi e facili, con buone prestazioni EMI possibili. Produttori come Murata, Recom, Mornsun, ecc. Hanno una vasta gamma di moduli SMPS che si prendono già cura dei problemi EMI ed EMC per noi.

Ad esempio, di solito hanno la maggior parte dei componenti come induttori, collegati internamente all'interno del pacchetto, in quanto tali, un'area di loop molto piccola esiste all'interno del modulo e l'EMI irradiato è ridotto. Alcuni moduli arrivano fino a schermare gli induttori e il nodo dell'interruttore per impedire EMI irradiate dalla bobina.

3. Schermatura

Un meccanismo di forza bruta per ridurre l'EMI è schermare l'SMPS con il metallo. Ciò si ottiene attraverso il posizionamento di sorgenti che generano rumore nell'alimentatore, all'interno di un alloggiamento conduttivo (metallico) con messa a terra, con l'unica interfaccia ai circuiti esterni tramite filtri in linea.

Tuttavia, la schermatura aggiunge costi aggiuntivi in ​​termini di materiali e dimensioni del PCB al progetto, in quanto tale potrebbe essere una cattiva idea per progetti con obiettivi a basso costo.

4. Ottimizzazione del layout

Il layout di progettazione è considerato uno dei problemi principali che facilitano la propagazione dell'EMI attraverso il circuito. Questo è il motivo per cui una delle tecniche generali e generali per ridurre l'EMI in SMPS è l'ottimizzazione del layout. A volte è un termine piuttosto ambiguo in quanto potrebbe significare cose diverse che vanno dall'eradicazione dei componenti parassiti alla separazione dei nodi rumorosi dai nodi sensibili al rumore e alla riduzione delle aree del loop di corrente, ecc.

Alcuni suggerimenti per l'ottimizzazione del layout per i progetti SMPS includono;

Proteggi i nodi sensibili al rumore dai nodi rumorosi

Questo può essere fatto posizionandoli il più lontano possibile l'uno dall'altro per evitare l'accoppiamento elettromagnetico tra di loro. Alcuni esempi di nodi sensibili al rumore e rumorosi sono forniti nella tabella seguente;

Nodi rumorosi	Nodi sensibili al rumore
Induttori	Percorsi sensoriali
Cambia nodo	Reti di compensazione
Condensatori ad alta dI / dt	Pin di feedback
FET	Circuiti di controllo

Mantieni tracce brevi per i nodi sensibili al rumore

Le tracce di rame su PCB agiscono come antenne per EMI irradiate, in quanto tali, uno dei modi migliori per impedire alle tracce direttamente collegate ai nodi sensibili al rumore di acquisire EMI irradiate è mantenerle il più corte possibile spostando i componenti a cui sono da collegare, il più vicino possibile. Ad esempio, una lunga traccia da una rete di divisori di resistori che alimenta un pin di feedback (FB) può agire come un'antenna e raccogliere EMI irradiate attorno ad essa. Il rumore inviato al pin Feedback introdurrà ulteriore rumore all'uscita del sistema, rendendo instabili le prestazioni del dispositivo.

Riduci l'area del loop critica (antenna)

Le tracce / i cavi che trasportano la forma d'onda di commutazione devono essere il più vicini possibile l'uno all'altro.

L'EMI irradiato è direttamente proporzionale all'entità della corrente (I) e all'area del loop (A) attraverso cui scorre, in quanto tale, riducendo l'area della corrente / tensione, possiamo ridurre il livello di EMI irradiato. Un buon modo per farlo per le linee elettriche è posizionare la linea elettrica e il percorso di ritorno l'uno sull'altro su strati adiacenti del PCB.

Ridurre al minimo l'induttanza dispersa

L'impedenza di un loop di filo (che contribuisce all'EMI irradiato in quanto proporzionale all'area) può essere ridotta aumentando le dimensioni delle tracce (powerline) sul PCB e facendole passare parallelamente al suo percorso di ritorno per ridurre l'induttanza delle tracce.

Messa a terra

Un piano di massa ininterrotto situato sulle superfici esterne del PCB fornisce il percorso di ritorno più breve per l'EMI, specialmente quando si trova direttamente sotto la sorgente EMI dove sopprime in modo significativo l'EMI irradiato. I piani di massa potrebbero, tuttavia, essere un problema se permetti un taglio attraverso di essi con altre tracce. Il taglio potrebbe aumentare l'area effettiva del loop e portare a livelli EMI significativi poiché la corrente di ritorno deve trovare un percorso più lungo per aggirare il taglio, per tornare alla sorgente di corrente.

Filtri

I filtri EMI sono indispensabili per gli alimentatori, in particolare per mitigare le EMI condotte. Di solito si trovano all'ingresso e / o all'uscita dell'alimentatore. In ingresso, aiutano a filtrare il rumore dalla rete e in uscita, evita che il rumore proveniente dall'alimentazione influisca sul resto del circuito.

Nella progettazione di filtri EMI per mitigare le EMI condotte, di solito è importante trattare l'emissione condotta in modo comune separatamente dall'emissione in modo differenziale poiché i parametri per il filtro per affrontarli saranno diversi.

Per il filtraggio EMI condotto in modo differenziale, i filtri di ingresso sono generalmente costituiti da condensatori elettrolitici e ceramici, combinati, per attenuare in modo efficiente la corrente di modo differenziale alla frequenza di commutazione fondamentale inferiore e anche alle frequenze armoniche più elevate. In situazioni in cui è richiesta un'ulteriore soppressione, un induttore viene aggiunto in serie con l'ingresso per formare un filtro passa basso LC monostadio.

Per il filtraggio EMI condotto in modo comune, il filtraggio può essere efficacemente ottenuto collegando condensatori di bypass tra le linee di alimentazione (sia di ingresso che di uscita) e la terra. In situazioni in cui è richiesta un'ulteriore attenuazione, è possibile aggiungere induttori di induttanza accoppiati in serie alle linee di alimentazione.

In generale, i progetti di filtri dovrebbero considerare gli scenari peggiori quando si selezionano i componenti. Ad esempio, l'EMI di modo comune sarà massimo con alta tensione di ingresso, mentre l'EMI di modo differenziale sarà massimo con bassa tensione e corrente di carico elevata.

Conclusione

Prendere in considerazione tutti i punti sopra menzionati quando si progettano alimentatori switching di solito è una sfida, è effettivamente uno dei motivi per cui la mitigazione EMI viene definita "arte oscura" ma man mano che ci si abitua, diventano una seconda natura.

Grazie all'IoT e ai diversi progressi tecnologici, la compatibilità elettromagnetica e la capacità generale di ciascun dispositivo di funzionare correttamente in condizioni operative normali, senza influire negativamente sul funzionamento di altri dispositivi nelle sue immediate vicinanze, è ancora più importante di prima. I dispositivi non devono essere soggetti a EMI da fonti intenzionali o involontarie nelle vicinanze e allo stesso tempo non devono irradiare (intenzionalmente o involontariamente) interferenze a livelli che potrebbero causare il malfunzionamento di altri dispositivi.

Per motivi legati ai costi, è importante considerare EMC nella fase iniziale della progettazione SMPS. È anche importante considerare come il collegamento dell'alimentatore al dispositivo principale influenzi le dinamiche EMI in entrambi i dispositivi, poiché nella maggior parte dei casi, specialmente per SMPS embedded, l'alimentatore sarà certificato insieme al dispositivo come una sola unità ed eventuali scadenze entrambi potrebbero portare al fallimento.