טכניקות תכנון להפחתת emi במעגלי smps

במאמר הקודם שלי בנושא EMI, בחנו כיצד האופי המכוון / לא מכוון של מקורות EMI וכיצד הם משפיעים על ביצועיהם של מכשירים חשמליים / אלקטרוניים אחרים (קורבנות) סביבם. בעקבות המאמר נכתב מאמר נוסף בנושא תאימות אלקטרומגנטית (EMC) אשר סיפק תובנות לגבי הסכנות הטמונות ב- EMI והציע הקשר מסוים לשיקול לקוי של EMI עלול להשפיע לרעה על ביצועי השוק של מוצר, בין אם בגלל התכווצויות רגולציה או כשלים בפונקציונליות.

שני המאמרים מכילים טיפים רחבים למזעור EMI (יוצא או נכנס) בעיצוב, אך במהלך המאמרים הבאים נבחן צלילה מעמיקה יותר ונבחן כיצד למזער את EMI ביחידות פונקציונליות מסוימות של המוצר האלקטרוני שלך. נתחיל את הדברים עם מזעור ה- EMI ביחידות אספקת החשמל עם דגש ספציפי על ספקי כוח במצב מתג.

מצב מתג ספק כוח הוא מונח כללי למקורות כוח AC-DC או DC-DC המשתמשים במעגלים עם פעולות מיתוג מהירות לצורך שינוי מתח / המרה (באק או בוסט). הם מאופיינים ביעילות גבוהה, גורם צורה קטן וצריכת חשמל נמוכה, מה שהפך אותם לאספקת החשמל הנבחרת לציוד / מוצרים אלקטרוניים חדשים, למרות שהם מורכבים משמעותית וקשים יותר לעיצוב בהשוואה לשימוש משומש- ספקי כוח לינאריים פופולריים. עם זאת, מעבר למורכבות העיצוב שלהם, SMPS מציג איום משמעותי של יצירת EMI בשל תדרי המיתוג המהירים שהם משתמשים בהם, כדי להשיג את היעילות הגבוהה שהם ידועים להם.

עם פיתוח של מכשירים נוספים (נפגעי EMI / מקור פוטנציאליים) מדי יום, התגברות על EMI הופכת לאתגר מרכזי עבור מהנדסים והשגת תאימות אלקטרומגנטית (EMC) הופכת להיות חשובה לא פחות מלהביא את המכשיר לתפקוד תקין.

למאמר של היום, נבחן את האופי והמקורות של EMI ב- SMPS, ונבחן כמה טכניקות / גישות עיצוב בהן ניתן להשתמש בכדי להקל עליהם.

מקורות EMI ב- SMPS

פתרון כל בעיה של EMI דורש בדרך כלל הבנה של מקור ההפרעה, דרך ההצמדה למעגלים אחרים (קורבנות) ואופי הקורבן שביצועיו מושפעים לרעה. במהלך פיתוח מוצרים, בדרך כלל כמעט בלתי אפשרי לקבוע את ההשפעה של EMI על נפגעים פוטנציאליים, ככאלה, מאמצי בקרת EMI מתמקדים בדרך כלל במינימום מקורות פליטה (או בהפחתת הרגישות) וביטול / צמצום נתיבי צימוד.

המקור העיקרי של EMI בספקי כוח SMPS ניתן לייחס לאופי העיצובי הטמון שלהם ומאפייני המעבר. או במהלך תהליך ההמרה מ- AC-DC או DC-DC, רכיבי המיתוג MOSFET ב- SMPS, המופעלים או מכבים בתדרים גבוהים, יוצרים גל סינוס כוזב (גל מרובע), אשר ניתן לתאר על ידי סדרת פורייה כ- סיכום של גלי סינוס רבים בתדרים הקשורים בהרמוניה. ספקטרום ההרמוניות המלא הזה של פורייה, הנובע מפעולת המיתוג הופך ל- EMI המועבר, מאספקת החשמל למעגלים אחרים בהתקן, ולמכשירים אלקטרוניים סמוכים הרגישים לתדרים אלה.

מלבד רעש ממתג, מקור נוסף של EMI ב- SMPS הוא מעברי הזרם המהיר (dI / dt) והמתח (dV / dt) (שקשורים, גם, למיתוג). על פי המשוואה של מקסוול, זרמים ומתחים מתחלפים אלה ייצרו שדה אלקטרומגנטי מתחלף, ובעוד שגודל השדה מצטמצם עם המרחק, הוא מתקשר עם חלקים מוליכים (כמו עקבות נחושת על PCB) אשר פועלים כמו אנטנות וגורמים לרעש נוסף על הקווים., המוביל ל- EMI.

כעת, EMI במקור אינו כל כך מסוכן (לעיתים) עד שהוא מחובר למעגלים או מכשירים שכנים (קורבנות), ככזה, על ידי ביטול / מזעור של נתיבי צימוד פוטנציאליים, בדרך כלל ניתן להפחית את EMI. כפי שנדון במאמר "מבוא ל- EMI", צימוד EMI מתרחש בדרך כלל באמצעות; הולכה (דרך נתיבים לא רצויים / repurposed או מה שמכונה "מעגלי התגנבות"), אינדוקציה (צימוד על ידי אלמנטים אינדוקטיביים או קיבוליים כמו שנאים), וקרינה (אוויר).

על ידי הבנת נתיבי צימוד אלה וכיצד הם משפיעים על EMI בספקי מתח מיתוגיים, מעצבים יכולים ליצור את מערכותיהם באופן שההשפעה של נתיב הצימוד תהיה ממוזערת והתפשטות ההפרעה תפחת.

סוגים שונים של מנגנוני צימוד EMI

נעבור על כל אחד ממנגנוני ההצמדה שקשורים ל- SMPS ונקבע את האלמנטים של עיצובי SMPS שמולידים את קיומם.

EMI מוקרן ב- SMPS:

צימוד מוקרן מתרחש כאשר המקור והקולטן (הקורבן) משמשים כאנטנות רדיו. המקור מקרין גל אלקטרומגנטי המתפשט על פני השטח הפתוח בין המקור לקורבן. ב- SMPS התפשטות EMI מוקרנת בדרך כלל קשורה לזרמים מוחלפים עם di / dt גבוהים, המועצמת על ידי קיומם של לולאות עם זמני עליית זרם מהירים עקב פריסת תכנון לקויה, ושיטות חיווט שמביאות להשראת דליפה.

שקול את המעגל למטה;

שינוי הזרם המהיר במעגל מוליד מתח רועש (Vnoise) בנוסף ליציאת המתח הרגילה (Vmeas). מנגנון ההצמדה דומה להפעלת שנאים כך שהרעש ניתן על ידי המשוואה;

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

כאשר M / K הוא גורם ההצמדה שתלוי במרחק, בשטח ובכיוון של הלולאות המגנטיות ובספיגה מגנטית בין הלולאות המדוברות - ממש כמו בשנאי. לפיכך, בפריסות עיצוב / PCB עם שיקול כיוון לולאה גרוע ושטח לולאה זרם גדול, ישנה רמה גבוהה יותר של EMI מוקרן.

נערך EMI ב- SMPS:

צימוד הולכה מתרחש כאשר פליטת EMI מועברת לאורך מוליכים (חוטים, כבלים, מתחמים ועקבות נחושת על גבי PCB) המחברים את מקור ה- EMI והמקלט יחד. EMI המשולב באופן זה נפוץ בקווי אספקת החשמל ובדרך כלל כבד על רכיב שדה H.

צימוד הולכה ב- SMPS הוא הולכה במצב משותף (ההפרעה מופיעה בשלב בקו + ve ו- GND) או במצב דיפרנציאלי (ההפרעה מופיעה מחוץ לשלב בשני מוליכים).

פליטות המתבצעות במצב נפוץ נגרמות בדרך כלל על ידי קיבולים טפיליים כמו אלה של גוף הקירור והשנאי יחד עם פריסת הלוח, וצורת גל מתח מיתוג מעבר למתג.

לעומת זאת, פליטות המתבצעות במצב דיפרנציאלי הן תוצאה של פעולת המיתוג הגורמת לדופקי זרם בכניסה ויוצרת דוקרני מיתוג המובילים לקיומו של רעש דיפרנציאלי.

EMI אינדוקטיבי ב- SMPS:

צימוד אינדוקטיבי מתרחש כשיש אינדוקציה EMI חשמלית (בגלל צימוד קיבולי) או מגנטי (עקב צימוד אינדוקטיבי) בין המקור לקורבן. צימוד חשמלי או צימוד קיבולי מתרחש כאשר קיים שדה חשמלי משתנה בין שני מוליכים סמוכים, המביא לשינוי מתח על פני הפער ביניהם, ואילו צימוד מגנטי או צימוד אינדוקטיבי מתרחש כאשר קיים שדה מגנטי משתנה בין שני מוליכים מקבילים, המביא לשינוי במתח לאורך המוליך המקבל.

לסיכום, בעוד המקור העיקרי של EMI ב- SMPS הוא פעולת המיתוג בתדירות גבוהה יחד עם ארעיות די / dt או dv / dt מהותיות כתוצאה מכך, המאפשרים את התפשטות / התפשטות ה- EMI שנוצר לקורבנות פוטנציאליים באותו הלוח. (או מערכות חיצוניות) הם גורמים הנובעים מבחירת רכיבים לקויה, מתכנון גרוע של העיצוב, וקיום השראות / קיבול תועה בנתיבים הנוכחיים.

טכניקות תכנון להפחתת EMI ב- SMPS

לפני שעוברים את החלק הזה, זה עשוי להיות משתלם לבדוק את הסטנדרטים והתקנות סביב EMI / EMC כדי לקבל תזכורת למה יעדי התכנון. למרות שהסטנדרטים משתנים בין מדינות / אזורים, השניים המקובלים ביותר, שבזכות ההרמוניזציה, מקובלים להסמכה ברוב האזורים; תקנות בקרת EMI FCC ו- CISPR 22 (המהדורה השלישית של הוועדה המיוחדת הבינלאומית להפרעות רדיו (CISPR), פאב 22). פרטים מורכבים של שני תקנים אלה סוכמו במאמר התקני EMI עליו דנו קודם.

העברת תהליכי הסמכה של EMC או סתם הבטחת המכשירים שלך פועלים היטב כאשר סביב מכשירים אחרים מחייבת לשמור על רמות הפליטה מתחת לערכים המתוארים בתקנים.

לא מעט גישות עיצוב קיימות להפחתת EMI ב- SMPS וננסה לכסות אותן בזו אחר זו.

1. לך ליניארי

בכנות, אם היישום שלך יכול להרשות לעצמו את זה (הגושניות והטבע הלא יעיל), אתה יכול לחסוך לעצמך הרבה מתח EMI הקשור לאספקת חשמל באמצעות ספק כוח לינארי. הם לא מייצרים EMI משמעותי ולא יעלו זמן וכסף רב להתפתח. ליעילותם, גם אם ייתכן שהיא אינה תואמת את SMPS, עדיין תוכלו להשיג רמות יעילות סבירות באמצעות רגולטורים לינאריים של LDO.

2. השתמש במודולי כוח

ביצוע שיטות עבודה מומלצות להשגת ביצועי EMI טובים לא יכול להיות טוב מספיק לפעמים. במצבים בהם נראה שלא מצליחים למצוא את הזמן או המשאבים האחרים להתכוונן ולקבל את התוצאות הטובות ביותר ב- EMI, גישה אחת שעובדת בדרך כלל היא לעבור למודולי חשמל.

מודולי כוח אינם מושלמים, אך דבר אחד הם עושים היטב מבטיח שלא תיפול למלכודות של אשמי EMI הרגילים כמו פריסת עיצוב גרועה והשראות / קיבול טפיליות. חלק ממודולי החשמל הטובים ביותר בשוק כבר מייחסים את הצורך להתגבר על EMI ונועדו לאפשר פיתוח ספקי כוח מהירים וקלים, עם ביצועים טובים של EMI. ליצרנים כמו Murata, Recom, Mornsun וכו 'יש מגוון רחב של מודולי SMPS שכבר דואגים לנו לבעיות EMI ו- EMC.

לדוגמא, בדרך כלל יש להם את רוב הרכיבים כמו משרנים, המחוברים פנימה בתוך החבילה, ככאלה, אזור לולאה קטן מאוד קיים בתוך המודול וה- EMI המוקרן מצטמצם. ישנם מודולים המרחיקים את המשרנים ואת צומת המתג כדי למנוע EMI מוקרן מהסליל.

3. מיגון

מנגנון כוח אכזרי להפחתת EMI מגן על ה- SMPS במתכת. זה מושג באמצעות מיקום מקורות מייצרים רעש באספקת החשמל, בתוך בית מוליך (מתכת) מקורקע, כאשר הממשק היחיד למעגלים חיצוניים הוא באמצעות מסננים מקוונים.

עם זאת, מיגון מוסיף לפרויקט עלות נוספת בחומרים וגודל PCB, ככזה, זה עשוי להיות רעיון רע לפרויקטים עם יעדים בעלות נמוכה.

4. מיטוב פריסות

מתווה העיצוב נחשב לאחד הנושאים העיקריים שמאפשרים את התפשטות EMI ברחבי המעגל. זו הסיבה שאחת הטכניקות הכלליות הרחבות להפחתת EMI ב- SMPS היא אופטימיזציה לפריסה. לפעמים זה מונח דו משמעי למדי מכיוון שזה יכול להיות דברים שונים החל ממיגור רכיבים טפיליים ועד הפרדת צמתים רועשים מצמתים רגישים לרעש, והפחתת אזורי הלולאה הנוכחיים וכו '

כמה טיפים לאופטימיזציה לפריסה עבור עיצובי SMPS כוללים:

הגן על צמתים רגישים לרעש מפני צמתים רועשים

ניתן לעשות זאת על ידי מיקומם רחוק ככל האפשר זה מזה כדי למנוע צימוד אלקטרומגנטי ביניהם. כמה דוגמאות לצמתים רגישים ורעשים מוצגים בטבלה שלהלן;

צמתים רועשים	צמתים רגישים לרעש
משרנים	נתיבי חישה
החלף צמתים	רשתות פיצויים
קבלים dI / dt גבוהים	סיכת משוב
עוברי FET	מעגלי בקרה

שמור עקבות לצמתים הרגישים לרעש

עקבות נחושת ב- PCB משמשים כאנטנות ל- EMI מוקרן, ככאלה, אחת הדרכים הטובות ביותר למנוע את העקבות המחוברות ישירות לצמתים הרגישים לרעש לרכוש EMI מוקרן היא על ידי שמירה קצרה ככל האפשר על ידי העברת הרכיבים אליהם הם נמצאים. להיות מחובר, הכי קרוב שאפשר. למשל, עקבות ארוכים מרשת מחלקי נגדים המוזנים לסיכת משוב (FB) יכולים לשמש כאנטנה ולהרים סביבו EMI מוקרן. הרעש המוזן לסיכת המשוב יביא רעש נוסף בפלט המערכת, מה שהופך את ביצועי המכשיר ללא יציבים.

צמצום אזור לולאה קריטי (אנטנה)

עקבות / חוטים הנושאים צורת גל מיתוג צריכים להיות קרובים ככל האפשר זה לזה.

EMI מוקרן הוא פרופורציונלי באופן ישיר לגודל הזרם (I) ולאזור הלולאה (A) דרכו הוא זורם, ככזה, על ידי הקטנת שטח הזרם / המתח, אנו יכולים להפחית את רמת ה- EMI המוקרנת. דרך טובה לעשות זאת עבור קווי חשמל היא למקם את קו החשמל ואת נתיב ההחזרה זה על גבי שכבות סמוכות של PCB.

מזעור השראות תועה

ניתן להפחית את העכבה של לולאת חוט (התורמת ל- EMI מוקרן כיחסית לאזור) על ידי הגדלת גודל המסילות (קו החשמל) על גבי PCB וניתובו במקביל לנתיב ההחזרה שלו כדי להפחית את השראות המסילות..

קרקוע

מישור קרקע לא שבור הממוקם על המשטחים החיצוניים של ה- PCB מספק את נתיב ההחזרה הקצר ביותר עבור EMI, במיוחד כאשר הוא ממוקם ישירות מתחת למקור ה- EMI שם הוא מדכא EMI שהוקרן באופן משמעותי. מטוסי קרקע עשויים להוות בעיה אם תאפשר לחתוך דרכם עקבות אחרים. הקיצוץ יכול להגדיל את אזור הלולאה היעיל ולהוביל לרמות EMI משמעותיות מכיוון שזרם ההחזרה צריך למצוא דרך ארוכה יותר כדי לעבור את הקיצוץ, כדי לחזור למקור הנוכחי.

מסננים

מסנני EMI הם חובה עבור ספקי כוח, במיוחד להפחתת EMI המתנהלת. הם ממוקמים בדרך כלל בכניסה ו / או בפלט של ספק הכוח. בכניסה הם מסייעים בסינון הרעש מהחשמל וביציאה, זה מונע מהרעש מהספק להשפיע על שאר המעגל.

בתכנון מסנני EMI להפחתת EMI המנוהל, בדרך כלל חשוב לטפל בפליטה המנוהלת במצב משותף בנפרד מפליטת המצב הדיפרנציאלי מכיוון שהפרמטרים של המסנן לטיפול בהם יהיו שונים.

עבור סינון EMI המתנהל במצב דיפרנציאלי, מסנני הקלט מורכבים בדרך כלל מקבלים אלקטרוליטיים וקרמיים, בשילוב, כדי להחליש את זרם מצב ההפרש ביעילות בתדר המיתוג הבסיסי הנמוך וגם בתדרים הרמוניים גבוהים יותר. במצבים בהם נדרש דיכוי נוסף, משרן מתווסף בסדרה עם הקלט ליצירת מסנן LC נמוך לעבור יחיד.

עבור סינון EMI המתנהל במצב משותף ניתן להשיג את הסינון ביעילות על ידי חיבור קבלים עוקפים בין קווי החשמל (קלט ופלט) ואדמה. במצבים בהם נדרשת הנחתה נוספת, ניתן להוסיף משרני חנק מצמידים בסדרה עם קווי החשמל.

באופן כללי, על עיצובי פילטר לקחת בחשבון את התרחישים הגרועים ביותר בעת בחירת הרכיבים. למשל, EMI במצב משותף יהיה מקסימאלי עם מתח כניסה גבוה, ואילו EMI של מצב דיפרנציאלי יהיה מקסימאלי עם מתח נמוך וזרם עומס גבוה.

סיכום

לקחת בחשבון את כל הנקודות שהוזכרו לעיל בעת תכנון ספקי כוח מיתוגיים הוא בדרך כלל אתגר, זו למעשה אחת הסיבות שבגללן הפחתת EMI מכונה "אמנות אפלה" אך ככל שמתרגלים לזה הם הופכים לטבע שני..

הודות ל- IoT והתקדמות שונה בתחום הטכנולוגיה, התאימות האלקטרומגנטית והיכולת הכללית של כל מכשיר לתפקד כראוי בתנאי הפעלה רגילים, מבלי להשפיע לרעה על פעולתם של מכשירים אחרים בקרבתו, חשובה אף יותר מבעבר. אסור שהמכשירים יהיו רגישים ל- EMI ממקורות מכוונים או לא מכוונים בקרבת מקום, והם גם אינם חייבים להקרין הפרעות (בכוונה או שלא במתכוון) ברמות העלולות לגרום לתקלה בהתקנים אחרים.

מסיבות הקשורות בעלות, חשוב לבחון את EMC בשלב המוקדם של תכנון ה- SMPS. חשוב גם לשקול כיצד חיבור ספק הכוח למכשיר הראשי משפיע על הדינמיקה של EMI בשני המכשירים, שכן ברוב המקרים, במיוחד עבור SMPS משובץ, ספק הכוח יאושר יחד עם המכשיר כיחידה אחת וכל פג ב כל אחד מהם עלול להוביל לכישלון.