Технике дизајна за смањење еми у смпс круговима

У мом претходном чланку о ЕМИ, испитали смо како намерна / ненамерна природа ЕМИ извора и како они утичу на перформансе других електричних / електронских уређаја (жртава) око њих. Након чланка уследио је још један чланак о електромагнетној компатибилности (ЕМЦ) који је пружио увид у опасности ЕМИ и пружио одређени контекст како лоше разматрање ЕМИ може негативно утицати на тржишне перформансе производа, било због стезања прописа или због недостатака функционалности.

Оба чланка садрже широке савете за минимизирање ЕМИ (одлазних или долазних) у дизајну, али током следећих неколико чланака дубље ћемо заронити и испитати како минимизирати ЕМИ у одређеним функционалним јединицама вашег електронског производа. Започећемо са смањењем ЕМИ у јединицама за напајање са посебним фокусом на напајање у режиму прекидача.

Прекидачки режим Напајање је генерички појам за АЦ-ДЦ или ДЦ-ДЦ изворе напајања који користе склопове са брзим прекидачким радњама за трансформацију / конверзију напона (буцк или боост). Карактерише их висока ефикасност, мали фактор облика и мала потрошња енергије, што их је учинило главним извором напајања за нову електронску опрему / производе, иако су знатно сложенији и теже дизајнирани у поређењу са онима који се раније користе. бити популарни Линеарни напајања. Међутим, мимо сложености својих дизајна, СМПС представља значајну претњу стварања ЕМИ због брзих комутационих фреквенција које користе, како би постигли високу ефикасност по којој су познати.

Како се свакодневно развија више уређаја (потенцијалних жртава ЕМИ / извора), превазилажење ЕМИ постаје главни изазов за инжењере, а постизање електромагнетне компатибилности (ЕМЦ) постаје једнако важно као и правилно функционисање уређаја.

За данашњи чланак размотрићемо природу и изворе ЕМИ у СМПС и испитати неке технике / приступе дизајна који се могу користити за њихово ублажавање.

Извори ЕМИ у СМПС

Решавање било ког ЕМИ проблема обично захтева разумевање извора сметњи, путање спајања са другим круговима (жртве) и природе жртве на чије перформансе то негативно утиче. Током развоја производа, обично је готово немогуће утврдити утицај ЕМИ на потенцијалне жртве, јер су такви напори ЕМИ контроле углавном усмерени на минимизирање извора емисије (или смањење осетљивости) и уклањање / смањење путева спрезања.

Главни извор ЕМИ у СМПС напајањима може се пратити према њиховој природи дизајна и преклопним карактеристикама. Било током процеса конверзије из АЦ-ДЦ или ДЦ-ДЦ, МОСФЕТ комутационе компоненте у СМПС-у, укључују или искључују на високим фреквенцијама, стварају лажни синусни талас (квадратни талас), који се Фуријевом серијом може описати као сумирање многих синусних таласа са хармонијски повезаним фреквенцијама. Овај пуни Фуријеов спектар хармоника, који настаје услед преклопног дејства, постаје ЕМИ који се преноси, од напајања до других кола у уређају и до оближњих електронских уређаја који су осетљиви на ове фреквенције.

Поред буке од комутације, други извор ЕМИ у СМПС су прелази брзе струје (дИ / дт) и напона (дВ / дт) (који су, такође, повезани са пребацивањем). Према Маквелловој једначини, ове наизменичне струје и напони ће произвести наизменично електромагнетно поље, и док се величина поља смањује са растојањем, оно делује у проводним деловима (попут трагова бакра на ПЦБ-у) који делују попут антена и изазивају додатну буку на водовима, што доводи до ЕМИ.

Сада ЕМИ на извору није толико опасан (с времена на време) док се не повеже са суседним круговима или уређајима (жртвама), као такав, елиминисањем / минимизирањем потенцијалних путева спајања, ЕМИ се генерално може смањити. Као што је размотрено у чланку „Увод у ЕМИ“, ЕМИ спрега се углавном одвија; проводљивост (путем нежељених / пренамењених стаза или такозваних „скривених кругова“), индукција (спрезање индуктивним или капацитивним елементима попут трансформатора) и зрачење (надземно).

Разумевањем ових путања спрезања и њиховог утицаја на ЕМИ у напајању у преклопном режиму, дизајнери могу да креирају своје системе на такав начин да се утицај путање спреге минимизира и смањи ширење сметњи.

Различити типови ЕМИ механизама спреге

Прегледаћемо сваки од механизама спреге који се односе на СМПС и утврдити елементе СМПС дизајна који доводе до њиховог постојања.

Зрачени ЕМИ у СМПС:

Емисија зрачења долази када извор и рецептор (жртва) делују као радио антене. Извор зрачи електромагнетним таласом који се шири отвореним простором између извора и жртве. У СМПС зрачење ЕМИ зрачење је обично повезано са преклопним струјама са високим ди / дт, подстакнуто постојањем петљи са брзим временима пораста струје због лошег дизајна и праксама ожичења које доводе до индуктивности цурења.

Размотрите коло испод;

Брза промена струје у колу доводи до бучног напона (Вноисе) поред нормалног излазног напона (Вмеас). Механизам спрезања сличан је раду трансформатора тако да Вноисе добија једначина;

В _шум = Р _М / (Р _С + Р _М) * М * ди / дт

Где је М / К фактор спреге који зависи од удаљености, површине и оријентације магнетних петљи и магнетне апсорпције између дотичних петљи - баш као у трансформатору. Дакле, у распоредима дизајна / ПЦБ-а са лошим разматрањем оријентације петље и великом површином струјне петље, постоји тенденција да постоји виши ниво зрачене ЕМИ.

Спроведени ЕМИ у СМПС:

Проводна спрега се јавља када се ЕМИ емисије преносе дуж проводника (жица, каблова, кућишта и трагова бакра на ПЦБ-има) који повезују извор ЕМИ и пријемник заједно. ЕМИ спрегнут на овај начин је уобичајен на водовима за напајање и обично је тежак на компоненти Х поља.

Проводна спрега у СМПС је или проводљивост Цоммон Моде (сметње се појављују у фази на + ве и ГНД линији) или диференцијални начин (сметње се јављају ван фазе на два проводника).

Емисије спроведене у уобичајеном режиму обично су узроковане паразитским капацитетима попут оних хладњака и трансформатора, заједно са распоредом плоче, и пребацивањем таласног облика напона на прекидачу.

Емисије спроведене у диференцијалном режиму су, с друге стране, резултат прекидачке акције која узрокује импулсе струје на улазу и ствара преклопне шиљке што доводи до постојања диференцијалне буке.

Индуктивни ЕМИ у СМПС:

Индуктивно спрезање се јавља када постоји електрична (услед капацитивно спрегнуте) или магнетне (због индуктивно повезане) ЕМИ индукције између извора и жртве. Електрична спрега или Капацитивна спрега се јављају када између два суседна проводника постоји променљиво електрично поље, индукујући промену напона на зазору између њих, док се магнетна спрега или индуктивна спрега јавља када између два паралелна проводника постоји променљиво магнетно поље, што изазива промену у напону дуж пријемног проводника.

Укратко, док је главни извор ЕМИ у СМПС високофреквентна комутациона радња заједно са резултујућим брзим ди / дт или дв / дт прелазним процесима, они који омогућавају ширење / ширење генерисаног ЕМИ потенцијалним жртвама на истој плочи (или спољни системи) су фактори који су резултат лошег избора компонената, лошег дизајнерског распореда и постојања залутале индуктивности / капацитивности у тренутним путањама.

Технике дизајна за смањење ЕМИ у СМПС

Пре него што прођемо кроз овај одељак, можда би било корисно погледати стандарде и прописе око ЕМИ / ЕМЦ да бисмо добили подсетник о томе који су циљеви дизајна. Иако се стандарди разликују међу земљама / регионима, два најприхваћенија, која су захваљујући усаглашавању прихватљива за сертификацију у већини региона укључују; прописи ФЦЦ ЕМИ о контроли и ЦИСПР 22 (треће издање Међународног специјалног комитета за радио сметње (ЦИСПР), пуб. 22). Сложени детаљи ова два стандарда сажети су у ЕМИ стандардном чланку о којем смо раније разговарали.

Пролазак процеса ЕМЦ сертификације или само осигуравање да ваши уређаји раде добро када други уређаји захтевају да нивои емисије буду испод вредности описаних у стандардима.

Постоји доста дизајнерских приступа за ублажавање ЕМИ у СМПС-у и покушаћемо да их покријемо један за другим.

1. Идите Линеарно

Искрено говорећи, ако вам то апликација може приуштити (гломазност и неефикасна природа), можете уштедети пуно ЕМИ стреса везаног за напајање коришћењем линеарног напајања. Они не генеришу значајне ЕМИ и неће коштати толико времена и новца за развој. Због њихове ефикасности, чак и ако се можда не поклапа са СМПС-ом, и даље можете добити разумне нивое ефикасности помоћу ЛДО линеарних регулатора.

2. Користите модуле напајања

Праћење најбољих пракси за постизање добрих ЕМИ перформанси понекад неће бити довољно добро. У оним ситуацијама у којима не можете пронаћи време или друге ресурсе за подешавање и добити најбоље ЕМИ резултате, један приступ који обично функционише је прелазак на Повер модуле.

Моћни модули нису савршени, али једна ствар коју раде добро осигурава да не упаднете у замке уобичајених ЕМИ криваца, попут лошег дизајна и паразитске индуктивности / капацитивности. Неки од најбољих енергетских модула на тржишту већ објашњавају потребу за превазилажењем ЕМИ и дизајнирани су да омогуће развој брзих и једноставних извора напајања, уз добре ЕМИ перформансе. Произвођачи попут Мурата, Рецом, Морнсун итд. Имају широк спектар СМПС модула који за нас већ брину о ЕМИ и ЕМЦ проблемима.

На пример, они обично имају већину компонената попут индуктора, повезаних унутар пакета, као такви, унутар модула постоји врло мала површина петље и зрачени ЕМИ се смањује. Неки модули иду толико далеко да штите пригушнице и чвор прекидача како би спречили зрачење ЕМИ из завојнице.

3. Заштита

Механизам грубе силе за смањење ЕМИ штити СМПС металом. То се постиже постављањем извора који стварају буку у извор напајања, унутар уземљеног проводног (металног) кућишта, с тим да је једини интерфејс за спољне кругове путем линијских филтера.

Међутим, заштита пројекту додаје додатни трошак у материјалима и величини ПЦБ-а, јер као таква може бити лоша идеја за пројекте са јефтиним циљевима.

4. Оптимизација распореда

Дизајн дизајна сматра се једним од главних проблема који олакшавају ширење ЕМИ кроз коло. Због тога је једна од широких, општих техника за смањење ЕМИ у СМПС оптимизација распореда. То је понекад прилично двосмислен појам, јер би могао значити различите ствари, од уклањања паразитских компонената до одвајања бучних чворова од чворова осетљивих на буку, и смањења подручја струјне петље итд.

Неки савети за оптимизацију распореда за СМПС дизајне укључују;

Заштитите чворове осетљиве на буку од бучних чворова

То се може постићи постављањем што је могуће даље једни од других како би се спречило електромагнетно спајање између њих. Неки примери чворова осетљивих на буку и бучних чворова дати су у доњој табели;

Бучни чворови	Чворови осетљиви на буку
Индуктори	Осетљиви путеви
Пребаци чворове	Компензационе мреже
Кондензатори високог дИ / дт	Пин за повратне информације
ФЕТс	Контролни кругови

Нека трагови буду чворови осетљиви на буку кратки

Бакарни трагови на ПЦБ делују као антене за зрачени ЕМИ, као такав, један од најбољих начина да се спречи да трагови директно повезани на чворове осетљиве на буку добију зрачени ЕМИ тако што ће их задржати што краћим премештањем компонената на које су бити повезани, што ближе. На пример, дугачак траг од мреже отпорних отпорника који се увлачи у пин са повратном спрегом (ФБ) може деловати као антена и покупити зрачени ЕМИ око себе. Бука која се доводи на пин за повратне информације уносиће додатну буку на излазу система, чинећи перформансе уређаја нестабилним.

Смањите критичну површину петље (антене)

Трагови / жице које носе преклопни таласни облик требале би бити што ближе једна другој.

Зрачени ЕМИ је директно пропорционалан величини струје (И) и површини петље (А) кроз коју протиче, као такав, смањењем површине струје / напона можемо смањити ниво зрачене ЕМИ. Добар начин за то код далековода је постављање далековода и повратног пута један преко другог на суседне слојеве ПЦБ-а.

Смањите залуталу индуктивност

Импеданса жичане петље (која доприноси зраченом ЕМИ-у сразмерно површини) може се смањити повећањем величине стаза (електричног вода) на ПЦБ-у и усмеравањем паралелно са повратном путањом ради смањења индуктивности стаза.

Уземљење

Непрекинута раван земље која се налази на спољним површинама ПЦБ-а пружа најкраћи повратни пут за ЕМИ, посебно када се налази директно испод извора ЕМИ, где значајно потискује зрачени ЕМИ. Земаљски авиони би, међутим, могли представљати проблем ако дозволите да их пресеку други трагови. Пресек би могао повећати ефективну површину петље и довести до значајних нивоа ЕМИ, јер повратна струја мора да нађе дужи пут који ће заобићи рез, да се врати на тренутни извор.

Филтери

ЕМИ филтери су неопходни за напајање, посебно за ублажавање спроведених ЕМИ. Обично се налазе на улазу и / или излазу напајања. На улазу помажу у филтрирању буке из мреже, а на излазу спречавају да бука из напајања утиче на остатак кола.

У дизајну ЕМИ филтера за ублажавање спроведених ЕМИ, обично је важно да се спроведена емисија у уобичајеном режиму третира одвојено од емисије у диференцијалном режиму, јер ће се параметри за филтер који се њима бави бити различити.

За ЕМИ филтрирање са диференцијалним режимом, улазни филтери су обично састављени од електролитских и керамичких кондензатора, комбинованих, како би ефикасно ублажили струју диференцијалног режима на нижој основној фреквенцији комутације и такође на вишим фреквенцијама хармоника. У ситуацијама када је потребно даље потискивање, индуктор се додаје серијски са улазом да би се формирао једностепени ЛЦ нископропусни филтер.

За ЕМИ филтрирање са уобичајеним режимом филтрирање се може ефикасно постићи повезивањем премосних кондензатора између далековода (и улазних и излазних) и земље. У ситуацијама када је потребно даље слабљење, спрегнуте пригушнице могу се додати у серију са далеководима.

Генерално, дизајн филтера треба да узме у обзир најгори сценарио приликом избора компонената. На пример, ЕМИ у заједничком режиму биће максималан са високим улазним напоном, док ће ЕМИ у диференцијалном режиму бити максималан са ниским напоном и великом струјом оптерећења.

Закључак

Узимање у обзир свих горе поменутих тачака приликом дизајнирања комутационих извора напајања обично је изазов, то је у ствари један од разлога зашто се ублажавање ЕМИ назива „мрачном уметношћу“, али како се навикавате, они постају друга природа.

Захваљујући ИоТ-у и различитим технолошким достигнућима, електромагнетна компатибилност и општа способност сваког уређаја да правилно функционише у нормалним радним условима, без негативног утицаја на рад других уређаја у његовој непосредној близини, још су важнији него раније. Уређаји не смеју бити осетљиви на ЕМИ из оближњих намерних или ненамерних извора, а истовремено не смеју зрачити (намерно или ненамерно) сметњама на нивоима који би могли довести до неисправности рада других уређаја.

Из разлога повезаних са трошковима, важно је размотрити ЕМЦ у раној фази дизајна СМПС. Такође је важно размотрити како повезивање напајања са главним уређајем утиче на ЕМИ динамику у оба уређаја, јер ће у већини случајева, посебно за уграђени СМПС, напајање бити сертификовано заједно са уређајем као једна целина и сви пропусти у било које би могло довести до неуспеха.