Mga diskarte sa disenyo para sa pagbabawas ng emi sa mga smps circuit

Sa aking nakaraang artikulo sa EMI, sinuri namin kung paano ang hindi sinasadya / hindi sinasadya na likas ng mga mapagkukunan ng EMI at kung paano ito nakakaapekto sa pagganap ng iba pang mga kagamitang Elektriko / Elektronikon (mga biktima) sa kanilang paligid. Ang artikulo ay sinundan ng isa pa sa Electro Magnetic Compatibility (EMC) na nagbigay ng mga pananaw sa mga panganib ng EMI at nag-alok ng ilang konteksto sa kung paano ang hindi magandang pagsasaalang-alang ng EMI ay maaaring makaapekto sa negatibong pagganap ng merkado ng isang produkto, alinman dahil sa mga pag-clamp ng regulasyon o pagkabigo sa pag-andar.

Ang parehong mga artikulo ay naglalaman ng malawak na mga tip para sa pag-minimize ng EMI (Papalabas o Papasok) sa disenyo, ngunit sa susunod na ilang mga artikulo, kukuha kami ng isang mas malalim na pagsisid at suriin kung paano i-minimize ang EMI sa ilang mga yunit na gumagana ng iyong elektronikong produkto. Sisimulan namin ang mga bagay sa pagliit ng EMI sa mga yunit ng supply ng Power na may isang tukoy na pagtuon sa Mga Power Supply ng Power Mode.

Ang Switch Mode Power supply ay isang pangkaraniwang term para sa AC-DC o DC-DC na mapagkukunan ng kuryente na gumagamit ng mga circuit na may mabilis na mga aksyon ng paglipat para sa pagbabago ng boltahe / Conversion (buck or boost). Ang mga ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng mataas na kahusayan, maliit na form factor, at mababang paggamit ng kuryente, na kung saan ginawa silang pagpipilian ng supply ng kuryente para sa mga bagong kagamitan / produkto ng elektronik, kahit na mas kumplikado at mahirap idisenyo ang mga ito kumpara sa dating maging tanyag na Mga Linear Power Supply. Gayunpaman, lampas sa pagiging kumplikado ng kanilang mga disenyo, nagpapakita ang SMPS ng isang makabuluhang banta ng henerasyon ng EMI dahil sa mabilis na mga frequency ng paglipat na ginagamit nila, upang makamit ang mataas na kahusayan kung saan sila kilala.

Sa maraming mga aparato (mga potensyal na biktima ng EMI / mapagkukunan) na binuo araw-araw, ang pagdaig sa EMI ay nagiging isang pangunahing hamon para sa mga inhinyero at pagkamit ng electromagnetic kompatibilitas (EMC) ay nagiging kasing halaga ng pagkuha ng aparato upang gumana nang tama.

Para sa artikulo ngayon, titingnan namin ang kalikasan at mga mapagkukunan ng EMI sa SMPS, at susuriin ang ilang mga diskarte / diskarte sa disenyo na maaaring magamit sa pagpapagaan ng mga ito.

Pinagmulan ng EMI sa SMPS

Ang paglutas ng anumang problema sa EMI sa pangkalahatan ay nangangailangan ng pag-unawa sa mapagkukunan ng pagkagambala, ang daanan ng pagkabit sa iba pang mga circuit (biktima), at ang likas na katangian ng biktima na ang pagganap ay negatibong naapektuhan. Sa panahon ng pag-unlad ng produkto, karaniwang halos imposibleng matukoy ang epekto ng EMI sa mga potensyal na biktima, tulad nito, ang mga pagsisikap sa kontrol ng EMI ay karaniwang nakatuon sa pagliit ng mga mapagkukunan ng emisyon (o pagbawas ng pagkamaramdamin), at pag-aalis / pagbawas ng mga landas ng pagkabit.

Ang pangunahing mapagkukunan ng EMI sa mga SMPS power supply ay maaaring masubaybayan sa kanilang likas na likas na disenyo at paglipat ng mga katangian. Alinman sa panahon ng proseso ng pag-convert mula sa AC-DC o DC-DC, ang mga bahagi ng paglipat ng MOSFET sa SMPS, pag-on o pag-off sa mataas na frequency, lumikha ng isang maling sine wave (square wave), na maaaring inilarawan ng isang serye ng Fourier bilang pagbubuod ng maraming mga sine alon na may mga frequency na nauugnay sa magkatugma. Ang buong Fourier spectrum na ito ng mga harmonika, na nagreresulta mula sa pagkilos ng paglipat ay nagiging EMI na naipadala, mula sa power supply sa iba pang mga circuit sa aparato, at sa mga kalapit na elektronikong aparato na madaling kapitan ng mga frequency na ito.

Bukod sa ingay mula sa Paglipat, isa pang mapagkukunan ng EMI sa SMPS ay ang mabilis na kasalukuyang (dI / dt) at boltahe (dV / dt) na mga pagbabago (na kung saan, na rin, na nauugnay din sa paglipat). Ayon sa equation ni maxwell, ang mga alternating alon at boltahe na ito ay gagawa ng isang alternating electromagnetic field, at habang ang lakas ng patlang ay binabawasan ng distansya, nakikipag-ugnay ito sa pagsasagawa ng mga bahagi (tulad ng mga bakas ng tanso sa PCB) na kumikilos tulad ng mga antennas at sanhi ng karagdagang ingay sa mga linya, na humahantong sa EMI.

Ngayon, ang EMI sa pinagmulan ay hindi mapanganib (sa mga oras) hanggang sa ito ay isama sa mga kalapit na circuit o aparato (biktima), tulad ng, sa pag- aalis / pagliit ng mga potensyal na landas ng pagkabit, ang EMI sa pangkalahatan ay maaaring mabawasan. Tulad ng tinalakay sa artikulong "Panimula sa EMI", ang pagkabit ng EMI sa pangkalahatan ay nangyayari sa pamamagitan ng; pagpapadaloy (sa pamamagitan ng mga hindi ginustong / repurposed na landas o tinatawag na "sneak circuit"), induction (pagkabit ng mga inductive o capacitive na elemento tulad ng mga transformer), at radiation (over-the-air).

Sa pamamagitan ng pag-unawa sa mga landas ng pagkabit at kung paano ito nakakaapekto sa EMI sa mga power supply ng switch-mode, maaaring lumikha ang mga taga-disenyo ng kanilang mga system sa paraang mababawasan ang impluwensya ng landas ng pagkabit at mabawasan ang pagkalat ng pagkagambala.

Iba't ibang Mga Uri ng Mga mekanismo ng Coupling ng EMI

Dadalhin namin ang bawat isa sa mga mekanismo ng pagkabit na nauugnay sa SMPS at itataguyod ang mga elemento ng mga disenyo ng SMPS na nagbubunga ng kanilang pag-iral.

Nai-radiate na EMI sa SMPS:

Ang radiation na pagkabit ay nangyayari kapag ang mapagkukunan at receptor (biktima) ay kumilos bilang mga antena ng radyo. Ang pinagmulan ay naglalabas ng isang electromagnetic na alon na kumakalat sa bukas na espasyo sa pagitan ng pinagmulan at ng biktima. Sa SMPS Radiated EMI propagation ay karaniwang nauugnay sa lumipat na alon na may mataas na di / dt, na pinalakas ng pagkakaroon ng mga loop na may mabilis na kasalukuyang pagtaas ng oras dahil sa hindi magandang layout ng disenyo, at mga kasanayan sa mga kable na nagbubunga ng leakage inductance.

Isaalang-alang ang circuit sa ibaba;

Ang mabilis na kasalukuyang pagbabago sa circuit ay nagbibigay ng isang maingay na boltahe (Vnoise) bilang karagdagan sa normal na output ng boltahe (Vmeas). Ang mekanismo ng pagkabit ay katulad ng pagpapatakbo ng mga transformer na tulad ng Vnoise na ibinigay ng equation;

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

Kung saan ang M / K ay ang kadahilanan ng pagkabit na nakasalalay sa distansya, lugar, at oryentasyon ng mga magnetic loop, at magnetic pagsipsip sa pagitan ng mga loop na pinag-uusapan - tulad ng sa isang transpormer. Sa gayon, sa mga layout ng disenyo / PCB na may mahinang pagsasaalang-alang ng ordenasyong loop, at malaking kasalukuyang lugar ng loop, may kaugaliang maging isang mas mataas na antas ng sinasag na EMI.

Isinasagawa ang EMI sa SMPS:

Ang Conduction Coupling ay nangyayari kapag ang mga emissions ng EMI ay ipinapasa kasama ang mga conductor (mga wire, cable, enclosure, at mga bakas ng tanso sa mga PCB) na nagkokonekta sa pinagmulan ng EMI at ng receiver na magkasama. Ang EMI na isinama sa ganitong paraan ay karaniwan sa mga linya ng suplay ng kuryente at karaniwang mabibigat sa bahagi ng H-field.

Ang Conduction Coupling sa SMPS ay alinman sa pagpapadaloy ng Karaniwang Mode (ang pagkagambala ay lilitaw na in-phase sa linya ng + ve at GND) o Differential Mode (ang pagkagambala ay lilitaw sa labas ng phase sa dalawang conductor).

Ang mga karaniwang mode na isinasagawa emissions ay karaniwang sanhi ng parasitiko capacitances tulad ng sa heatsink at transpormer kasama ang layout ng board, at paglipat ng boltahe waveform sa buong switch.

Ang pagkakaiba-iba mode na isinasagawa emissions, sa kabilang banda, ay isang resulta ng paglipat ng pagkilos na sanhi ng kasalukuyang pulso sa input at lumilikha ng paglipat ng mga spike na humahantong sa pagkakaroon ng pagkakaiba sa ingay.

Inductive EMI sa SMPS:

Ang inductive coupling ay nangyayari kapag mayroong isang de-koryenteng (dahil sa isang capacitively na isinama) o magnetiko (dahil sa isang inductively na isinama) EMI induction sa pagitan ng pinagmulan at ng biktima. Ang pagkakabit ng elektrikal o pagkabit ng Capacitive ay nangyayari kapag ang magkakaibang kuryenteng patlang ay umiiral sa pagitan ng dalawang katabing conductor, na nagpapahiwatig ng pagbabago sa boltahe sa pagitan ng puwang sa pagitan nila, habang ang isang Magnetic na pagkabit o Inductive na pagkabit ay nangyayari kapag ang isang magkakaibang magnetikong patlang ay umiiral sa pagitan ng dalawang magkatulad na konduktor, na nagpapahiwatig sa boltahe kasama ang tumatanggap na konduktor.

Sa buod, habang ang pangunahing mapagkukunan ng EMI sa SMPS ay ang mataas na dalas ng pagkilos na paglipat kasama ang nagresultang mabilis na di / dt o dv / dt transients, ang mga nagpapagana na nagpapadali sa pagpapalaganap / pagkalat ng nabuong EMI sa mga potensyal na biktima sa parehong board (o panlabas na mga sistema) ay mga kadahilanan na nagreresulta mula sa mahinang pagpili ng sangkap, hindi magandang layout ng disenyo, at pagkakaroon ng stray inductance / capacitance sa mga kasalukuyang landas.

Mga Diskarte sa Disenyo upang Bawasan ang EMI sa SMPS

Bago dumaan sa seksyong ito, maaaring maging kapaki-pakinabang na tingnan ang mga pamantayan at regulasyon sa paligid ng EMI / EMC upang makakuha ng paalala kung ano ang mga target sa disenyo. Kahit na ang mga pamantayan ay nag-iiba sa pagitan ng mga bansa / rehiyon, ang dalawang pinakalawak na tinanggap, na salamat sa pagsasaayos, ay katanggap-tanggap para sa sertipikasyon sa karamihan ng mga rehiyon na kasama; ang mga regulasyon ng FCC EMI Control at ang CISPR 22 (Ikatlong Edisyon ng International Special Committee on Radio Interferensi (CISPR), Pub. 22). Ang mga masalimuot na detalye ng dalawang pamantayan na ito ay na-buod sa pamantayang artikulo ng EMI na tinalakay namin nang mas maaga.

Ang pagpasa sa mga proseso ng sertipikasyon ng EMC o pagtiyak lamang na gumagana nang maayos ang iyong mga aparato kapag kinakailangan ng iba pang mga aparato na panatilihin mo ang iyong mga antas ng paglabas sa ibaba ng mga halagang inilarawan sa mga pamantayan.

Medyo isang bilang ng mga diskarte sa disenyo ang umiiral para sa pagpapagaan ng EMI sa SMPS at susubukan naming takpan ang mga ito nang sunud-sunod.

1. Pumunta sa Linear

Sa totoo lang, kung kayang bayaran ito ng iyong aplikasyon (ang kalakhan at hindi mabisang likas na katangian), maaari mong mai-save ang iyong sarili ng maraming stress na nauugnay sa supply ng Power sa pamamagitan ng paggamit ng isang linear Power Supply. Hindi sila bumubuo ng makabuluhang EMI at hindi nagkakahalaga ng maraming oras at pera upang mabuo. Para sa kanilang kahusayan, kahit na maaaring hindi ito katugma sa SMPS, makakakuha ka pa rin ng mga makatuwirang antas ng kahusayan sa pamamagitan ng paggamit ng mga LDO linear regulator.

2. Gumamit ng Mga Power Module

Ang pagsunod sa mga pinakamahusay na kasanayan upang makakuha ng isang mahusay na pagganap ng EMI ay maaaring hindi sapat na mabuti sa mga oras. Sa mga sitwasyong iyon kung saan hindi mo maaaring makahanap ng oras o iba pang mga mapagkukunan upang ibagay at makuha ang pinakamahusay na mga resulta ng EMI, ang isang diskarte na karaniwang gumagana ay ang paglipat sa mga module ng Power.

Ang mga power module ay hindi perpekto, ngunit isang bagay na mahusay nilang tinitiyak na hindi ka mahulog sa mga bitag ng karaniwang mga salarin ng EMI tulad ng hindi magandang layout ng disenyo at parasitiko na inductance / capacitance. Ang ilan sa mga pinakamahusay na module ng kuryente sa merkado ay nag-account na para sa pangangailangan na mapagtagumpayan ang EMI at idinisenyo upang gawing posible ang pagbuo ng mabilis at madaling mga power supply, na may magandang pagganap ng EMI. Ang mga paggawa tulad ng Murata, Recom, Mornsun, atbp. Ay may malawak na hanay ng Mga Module ng SMPS na nangangalaga sa mga problema sa EMI at EMC para sa amin.

Halimbawa, kadalasan mayroon silang karamihan ng mga bahagi tulad ng mga inductor, na konektado sa loob ng loob ng pakete, tulad ng, isang napakaliit na lugar ng loop ang umiiral sa loob ng module at nadi-radiate ang EMI. Ang ilang mga module ay napupunta sa proteksyon ng mga inductor at ang switch node upang maiwasan ang Radiated EMI mula sa Coil.

3. Shielding

Ang isang mekanismo ng brute force para sa pagbabawas ng EMI ay pinoprotektahan ang SMPS gamit ang metal. Nakamit ito sa pamamagitan ng paglalagay ng mga mapagkukunan na bumubuo ng ingay sa power supply, sa loob ng isang grounded conductive (metal) na pabahay, na may tanging interface sa mga panlabas na circuit na sa pamamagitan ng mga in-line filter.

Gayunpaman, ang kalasag ay nagdaragdag ng karagdagang gastos sa mga materyales, at laki ng PCB sa proyekto, dahil dito, maaaring ito ay isang masamang ideya para sa mga proyekto na may mga mithiin na may murang gastos.

4. Pag-optimize ng Layout

Ang layout ng disenyo ay isinasaalang-alang bilang isa sa mga punong isyu na nagpapabilis sa paglaganap ng EMI sa buong circuit. Ito ang dahilan kung bakit, isa sa malawak, pangkalahatang mga diskarte para sa pagbawas ng EMI sa SMPS ay Layout Optimization. Minsan ito ay isang hindi siguradong kataga dahil maaaring mangahulugan ito ng iba't ibang mga bagay mula sa pagwawasak ng mga bahagi ng parasitiko hanggang sa paghihiwalay ng mga maingay na node mula sa mga node na sensitibo sa ingay, at pagbawas ng mga kasalukuyang lugar ng loop, atbp.

Ang ilang mga tip sa pag-optimize ng layout para sa mga disenyo ng SMPS ay may kasamang;

Protektahan ang mga node na sensitibo sa ingay mula sa mga ingay na node

Maaari itong gawin sa pamamagitan ng pagposisyon sa kanila ng malayo hangga't maaari mula sa bawat isa upang maiwasan ang pagkabit ng electromagnetic sa pagitan nila. Ang ilang mga halimbawa ng sensitibo sa ingay at ingay na node ay ibinibigay sa talahanayan sa ibaba;

Mga ingay na Node	Mga Node na Sensitive-Sensitive
Mga inductor	Nakakaramdam na landas
Lumipat ng mga node	Mga network ng bayad
Mataas na mga capacitor ng dI / dt	Feedback pin
Mga FET	Control Circuits

Panatilihin ang mga bakas para sa Noise-Sensitive Nodes Maikling

Ang mga bakas ng tanso sa PCB ay nagsisilbing mga antena para sa Radiated EMI, tulad nito, isa sa mga pinakamahusay na paraan upang maiwasan ang mga bakas na direktang konektado sa Noise-Sensitive node mula sa pagkuha ng radiated EMI ay sa pamamagitan ng pagpapanatili sa kanila hangga't maaari sa pamamagitan ng paglipat ng mga sangkap kung saan sila upang maiugnay, mas malapit hangga't maaari. Halimbawa, ang isang mahabang bakas mula sa isang resistor divider network na kumakain sa isang feedback (FB) na pin ay maaaring kumilos bilang isang antena at kunin ang radiated EMI sa paligid nito. Ang ingay na pinapakain sa Feedback pin ay magpapakilala ng karagdagang ingay sa output ng system, na ginagawang hindi matatag ang pagganap ng aparato.

Bawasan ang Kritikal (antena) Loop Area

Ang mga bakas / wire na nagdadala ng switching waveform ay dapat na mas malapit hangga't maaari sa isa't isa.

Ang radiated EMI ay direktang proporsyonal sa magnitude ng kasalukuyang (I) at sa loop area (A) kung saan dumadaloy ito, tulad ng, sa pamamagitan ng pagbawas sa lugar ng kasalukuyang / boltahe, maaari nating bawasan ang antas ng radiated EMI. Ang isang mahusay na paraan upang magawa ito para sa mga linya ng kuryente ay ilagay ang linya ng kuryente at ang landas ng pagbalik sa isa't isa sa mga katabing layer ng PCB.

I-minimize ang Stray Inductance

Ang impedance ng isang wire loop (na nag-aambag sa radiated EMI bilang proporsyonal sa lugar) ay maaaring mabawasan sa pamamagitan ng pagdaragdag ng laki ng mga track (powerline) sa PCB at i-ruta ito parallel sa return path nito upang mabawasan ang inductance ng mga track.

Nakakababa

Ang isang hindi nababali na eroplano sa lupa na matatagpuan sa panlabas na mga ibabaw ng PCB ay nagbibigay ng pinakamaikling landas sa pagbalik para sa EMI, lalo na kung direkta itong matatagpuan sa ibaba ng EMI Source kung saan pinigilan nito ang masining na EMI. Gayunpaman, ang mga eroplano sa lupa ay magiging isang problema kung papayagan mo ang isang hiwa sa kanila ng iba pang mga bakas. Ang pagtaas ay maaaring dagdagan ang mabisang lugar ng loop at humantong sa makabuluhang mga antas ng EMI dahil ang kasalukuyang pagbabalik ay kailangang makahanap ng mas mahabang landas upang mag-ikot, upang bumalik sa kasalukuyang mapagkukunan.

Mga Filter

Ang mga EMI Filter ay dapat magkaroon para sa mga supply ng Power, lalo na para sa pagpapagaan ng isinasagawang EMI. Kadalasan matatagpuan ang mga ito sa input at / o output ng power supply. Sa pag-input, tumutulong sila sa pag-filter ng ingay mula sa mains at sa output, pinipigilan nito ang ingay mula sa supply mula sa nakakaapekto sa natitirang circuit.

Sa disenyo ng mga filter ng EMI upang pagaanin ang isinagawa na EMI, kadalasang mahalaga na gamutin ang hiwalay na mode na isinasagawa ng paglabas mula sa pagkakaiba-iba ng emisyon ng mode dahil magkakaiba ang mga parameter para sa filter upang tugunan ang mga ito.

Para sa kaugalian mode na isinasagawa ang pag-filter ng EMI, ang mga filter ng pag-input ay karaniwang binubuo ng electrolytic at ceramic capacitors, na pinagsama, upang mahusay na maibsan ang kasalukuyang mode ng kaugalian sa mas mababang pangunahing dalas ng paglipat at din sa mas mataas na mga frequency ng pagsasabay. Sa mga sitwasyon kung saan kinakailangan ng karagdagang pagpigil, ang isang inductor ay idinagdag sa serye na may input upang bumuo ng isang solong-yugto LC mababang pass filter.

Para sa Karaniwang mode na isinasagawa ang pag-filter ng EMI ang pag-filter ay maaaring mabisang makamit sa pamamagitan ng pagkonekta ng mga bypass capacitor sa pagitan ng mga linya ng kuryente (parehong input at output) at ground. Sa mga sitwasyon kung saan kinakailangan ng karagdagang pagpapalambing, ang mga isinama na choke inductors ay maaaring idagdag sa serye na may mga linya ng kuryente.

Pangkalahatan, dapat isaalang-alang ng mga disenyo ng filter ang pinakapangit na mga sitwasyon sa pagpili ng mga bahagi. Halimbawa, ang Karaniwang mode na EMI ay magiging maximum na may Mataas na boltahe ng pag-input, habang ang Differential Mode EMI ay magiging maximum na may mababang boltahe at kasalukuyang mataas na pag-load.

Konklusyon

Ang pagsasaalang-alang sa lahat ng mga puntong nabanggit sa itaas kapag ang pagdidisenyo ng paglipat ng mga supply ng kuryente ay karaniwang isang hamon, epektibo itong isa sa mga kadahilanan kung bakit ang pagpapagaan ng EMI ay tinukoy bilang isang "madilim na sining" ngunit habang mas nasanay ka rito, sila ay naging pangalawang kalikasan.

Salamat sa IoT at iba't ibang mga pagsulong sa teknolohiya, ang pagiging tugma ng Electromagnetic at ang pangkalahatang kakayahan ng bawat aparato na gumana nang maayos sa ilalim ng normal na mga kondisyon sa pagpapatakbo, nang hindi negatibong nakakaapekto sa pagpapatakbo ng iba pang mga aparato sa loob ng malapit nito, mas mahalaga pa kaysa dati. Ang mga aparato ay hindi madaling kapitan sa EMI mula sa kalapit na sinasadya o hindi sinasadya na mapagkukunan at dapat din sila nang sabay-sabay na hindi sumasalamin (sinasadya o hindi sinasadya) na pagkagambala sa mga antas na maaaring humantong sa ibang mga aparato na hindi gumana ng maayos.

Para sa mga kadahilanang nauugnay sa gastos, mahalagang isaalang-alang ang EMC sa maagang yugto ng disenyo ng SMPS. Mahalaga ring isaalang-alang kung paano nakakaapekto ang pagkonekta ng suplay ng kuryente sa pangunahing aparato sa mga dinamika ng EMI sa parehong aparato, tulad ng sa karamihan ng mga kaso, lalo na para sa naka-embed na SMPS, ang supply ng kuryente ay sertipikadong kasama ng aparato bilang isang yunit at anumang mga paglipas sa alinman ay maaaring humantong sa kabiguan.