- Sumber EMI di SMPS
- Berbagai Jenis Mekanisme Gandingan EMI
- Teknik Reka Bentuk untuk Mengurangkan EMI di SMPS
- 1. Pergi Linear
- 2. Gunakan Modul Kuasa
- 3. Perisai
- 4. Pengoptimuman Susun atur
- Kesimpulannya
Dalam artikel saya sebelumnya mengenai EMI, kami meneliti bagaimana sifat sumber EMI yang disengajakan / tidak disengajakan dan bagaimana ia mempengaruhi prestasi peranti Elektrik / Elektronik (mangsa) lain di sekitarnya. Artikel ini diikuti oleh artikel lain mengenai Electro Magnetic Compatibility (EMC) yang memberikan pandangan mengenai bahaya EMI dan menawarkan beberapa konteks bagaimana pertimbangan EMI yang buruk dapat mempengaruhi prestasi pasaran produk secara negatif, baik disebabkan oleh pengurangan peraturan atau kegagalan fungsi.
Kedua-dua artikel mengandungi petua luas untuk meminimumkan EMI (Keluar atau Masuk) dalam reka bentuk, tetapi dalam beberapa artikel berikutnya, kami akan menyelami lebih mendalam dan meneliti cara meminimumkan EMI pada unit fungsional tertentu dari produk elektronik anda. Kami akan memulakan dengan meminimumkan EMI dalam unit bekalan kuasa dengan fokus khusus pada bekalan kuasa mod suis.
Switch Mode Power supply adalah istilah umum untuk sumber kuasa AC-DC atau DC-DC yang menggunakan litar dengan tindakan beralih pantas untuk transformasi / Penukaran voltan (buck atau boost). Mereka dicirikan oleh kecekapan tinggi, faktor bentuk kecil, dan penggunaan kuasa rendah, yang menjadikan mereka pilihan tenaga pilihan untuk peralatan / produk elektronik baru, walaupun secara signifikan lebih kompleks dan sukar untuk dirancang dibandingkan dengan yang biasa digunakan Bekalan Kuasa Linear yang popular. Namun, di luar kerumitan reka bentuk mereka, SMPS menghadirkan ancaman generasi EMI yang signifikan kerana frekuensi beralih pantas yang mereka gunakan, untuk mencapai kecekapan tinggi yang mereka ketahui.
Dengan semakin banyak peranti (mangsa / sumber EMI) yang dikembangkan setiap hari, mengatasi EMI menjadi cabaran utama bagi jurutera dan mencapai keserasian elektromagnetik (EMC) menjadi sama pentingnya dengan menjadikan peranti berfungsi dengan betul.
Untuk artikel hari ini, kita akan melihat sifat dan sumber EMI di SMPS, dan meneliti beberapa teknik / pendekatan reka bentuk yang dapat digunakan dalam mengurangkannya.
Sumber EMI di SMPS
Menyelesaikan masalah EMI pada umumnya memerlukan pemahaman tentang sumber gangguan, jalan gandingan ke litar lain (mangsa), dan sifat mangsa yang prestasinya terjejas secara negatif. Semasa pengembangan produk, biasanya hampir mustahil untuk menentukan kesan EMI pada calon mangsa, oleh itu, usaha kawalan EMI biasanya difokuskan pada meminimumkan sumber pelepasan (atau mengurangi kerentanan), dan menghilangkan / mengurangi jalur gandingan.
Sumber utama EMI dalam bekalan kuasa SMPS dapat dikesan berdasarkan sifat reka bentuk dan peralihan ciri yang wujud. Sama ada semasa proses penukaran dari AC-DC atau DC-DC, komponen pensuisan MOSFET di SMPS, menghidupkan atau mematikan pada frekuensi tinggi, membuat gelombang sinus palsu (gelombang persegi), yang mungkin digambarkan oleh siri Fourier sebagai penjumlahan banyak gelombang sinus dengan frekuensi yang berkaitan secara harmoni. Spektrum harmonik Fourier penuh ini, yang dihasilkan dari tindakan beralih menjadi EMI yang dipancarkan, dari bekalan kuasa ke litar lain dalam peranti, dan ke peranti elektronik berdekatan yang rentan terhadap frekuensi ini.
Selain bunyi dari Switching, sumber EMI lain di SMPS adalah peralihan arus cepat (dI / dt) dan voltan (dV / dt) (yang juga berkaitan dengan pensuisan). Menurut persamaan maxwell, arus dan voltan bergantian ini akan menghasilkan medan elektromagnetik bergantian, dan sementara besarnya medan berkurang dengan jarak, ia berinteraksi dengan bahagian-bahagian pengalir (seperti jejak tembaga pada PCB) yang bertindak seperti antena dan menyebabkan bunyi tambahan pada garis, menuju ke EMI.
Sekarang, EMI di sumbernya tidak begitu berbahaya (kadang-kadang) sehingga digabungkan ke litar atau alat tetangga (mangsa), dengan cara ini, dengan menghilangkan / meminimumkan potensi jalur gandingan, EMI secara umum dapat dikurangkan. Seperti yang dibincangkan dalam artikel "Pengantar EMI", penggabungan EMI umumnya terjadi melalui; konduksi (melalui jalan yang tidak diingini / diubah atau disebut "litar menyelinap"), induksi (gandingan dengan elemen induktif atau kapasitif seperti transformer), dan radiasi (over-the-air).
Dengan memahami jalur gandingan ini dan bagaimana ia mempengaruhi EMI dalam bekalan kuasa mod suis, pereka dapat membuat sistem mereka sedemikian rupa sehingga pengaruh jalur gandingan diminimumkan dan penyebaran gangguan dikurangkan.
Berbagai Jenis Mekanisme Gandingan EMI
Kami akan membahas setiap mekanisme gandingan yang berkaitan dengan SMPS dan menetapkan elemen reka bentuk SMPS yang menimbulkan keberadaannya.
EMI terpancar di SMPS:
Gandingan berseri berlaku apabila sumber dan reseptor (mangsa) bertindak sebagai antena radio. Sumber memancarkan gelombang elektromagnetik yang menyebarkan di kawasan terbuka antara sumber dan mangsa. Dalam SMPS Radiated EMI penyebaran biasanya dikaitkan dengan arus yang ditukar dengan tinggi / dt, didorong oleh adanya gelung dengan masa kenaikan arus yang cepat kerana susun atur reka bentuk yang buruk, dan praktik pendawaian yang menimbulkan induktansi kebocoran.
Pertimbangkan litar di bawah;
Perubahan arus pantas dalam litar menimbulkan voltan bising (Vnoise) sebagai tambahan kepada output voltan biasa (Vmeas). Mekanisme gandingan serupa dengan operasi transformer sehingga Vnoise diberikan oleh persamaan;
Bunyi V = R M / (R S + R M) * M * di / dt
Di mana M / K adalah faktor gandingan yang bergantung pada jarak, luas, dan orientasi gelung magnetik, dan penyerapan magnetik antara gelung yang dimaksudkan - sama seperti dalam transformer. Oleh itu, dalam susun atur reka bentuk / PCB dengan pertimbangan orientasi gelung yang buruk, dan kawasan gelung arus yang besar, cenderung terdapat tahap EMI terpancar yang lebih tinggi.
Menjalankan EMI di SMPS:
Penggabungan Konduksi berlaku apabila pelepasan EMI dilalui di sepanjang konduktor (wayar, kabel, penutup, dan jejak tembaga pada PCB) yang menghubungkan sumber EMI dan penerima bersama. EMI yang digabungkan dengan cara ini adalah biasa pada talian bekalan kuasa dan biasanya berat pada komponen medan H.
Penggabungan Konduksi di SMPS adalah pengaliran mod biasa (gangguan muncul dalam fasa pada garis + ve dan GND) atau mod pembezaan (gangguan muncul di luar fasa pada dua konduktor)
Mod biasa yang dilakukan pelepasan biasanya disebabkan oleh kapasitansi parasit seperti heatsink dan transformer bersama dengan susun atur papan, dan menukar gelombang voltan melintasi suis.
Pembezaan mod pembezaan yang dilakukan, di sisi lain, adalah hasil dari tindakan pensuisan yang menyebabkan denyutan arus pada input dan membuat lonjakan beralih yang membawa kepada adanya kebisingan pembeza.
EMI induktif dalam SMPS:
Gandingan induktif berlaku apabila terdapat elektrik (kerana gandingan kapasitif) atau magnetik (kerana gandingan induktif) EMI antara sumber dan mangsa. Gandingan elektrik atau gandingan Kapasitif berlaku apabila medan elektrik yang berbeza-beza wujud di antara dua konduktor bersebelahan, menyebabkan perubahan voltan melintasi jurang di antara mereka, sementara gandingan Magnetik atau gandingan Induktif berlaku apabila medan magnet yang berbeza-beza wujud di antara dua konduktor selari, mendorong perubahan dalam voltan di sepanjang konduktor penerima.
Ringkasnya, sementara sumber utama EMI di SMPS adalah tindakan beralih frekuensi tinggi bersama dengan peralihan cepat di / dt atau dv / dt yang dihasilkan, pemboleh yang memudahkan penyebaran / penyebaran EMI yang dihasilkan kepada calon mangsa di papan yang sama (atau sistem luaran) adalah faktor yang disebabkan oleh pemilihan komponen yang buruk, susun atur reka bentuk yang buruk, dan adanya induktansi / kapasitansi sesat dalam jalur semasa.
Teknik Reka Bentuk untuk Mengurangkan EMI di SMPS
Sebelum membaca bahagian ini, mungkin bermanfaat untuk melihat piawaian dan peraturan di sekitar EMI / EMC untuk mendapatkan peringatan tentang apa itu sasaran reka bentuk. Walaupun piawaian berbeza antara negara / wilayah, dua yang paling banyak diterima, yang berkat penyelarasan, dapat diterima untuk disahkan di kebanyakan wilayah termasuk; peraturan FCC EMI Control dan CISPR 22 (Edisi Ketiga Jawatankuasa Khas Antarabangsa mengenai Gangguan Radio (CISPR), Pub. 22). Perincian yang rumit dari kedua-dua standard ini diringkaskan dalam artikel standard EMI yang telah kita bincangkan sebelumnya.
Melepasi proses pensijilan EMC atau hanya memastikan peranti anda berfungsi dengan baik ketika di sekitar peranti lain menghendaki anda menjaga tahap pelepasan anda di bawah nilai yang dijelaskan dalam piawaian.
Terdapat sebilangan besar pendekatan reka bentuk yang ada untuk mengurangkan EMI di SMPS dan kami akan berusaha merangkumi satu demi satu.
1. Pergi Linear
Secara jujur, jika aplikasi anda mampu (sifatnya yang besar dan tidak cekap), anda dapat menjimatkan banyak tekanan EMI yang berkaitan dengan bekalan kuasa dengan menggunakan Power Supply linear. Mereka tidak menghasilkan EMI yang signifikan dan tidak memerlukan banyak masa dan wang untuk dibangunkan. Untuk kecekapan mereka, walaupun tidak setanding dengan SMPS, anda masih boleh mendapatkan tahap kecekapan yang wajar dengan menggunakan pengatur linier LDO.
2. Gunakan Modul Kuasa
Mengikuti amalan terbaik untuk memperoleh prestasi EMI yang baik mungkin tidak cukup baik pada masa-masa. Dalam situasi di mana anda tidak dapat mencari waktu atau sumber lain untuk menyesuaikan dan mendapatkan hasil EMI terbaik, satu pendekatan yang biasanya berfungsi adalah beralih ke modul Power.
Modul kuasa tidak sempurna, tetapi satu perkara yang mereka lakukan dengan baik memastikan anda tidak terjebak dalam perangkap pelaku EMI biasa seperti susun atur reka bentuk yang buruk dan induktansi / kapasitansi parasit. Beberapa modul kuasa terbaik di pasaran telah menjelaskan keperluan untuk mengatasi EMI dan dirancang untuk menjadikan pengembangan bekalan kuasa cepat dan mudah, dengan prestasi EMI yang baik mungkin. Pembuatan seperti Murata, Recom, Mornsun, dan lain-lain mempunyai pelbagai Modul SMPS yang sudah menangani masalah EMI dan EMC untuk kita.
Sebagai contoh, mereka biasanya mempunyai kebanyakan komponen seperti induktor, disambungkan secara dalaman di dalam bungkusan, oleh itu, kawasan gelung yang sangat kecil wujud di dalam modul dan EMI yang terpancar dikurangkan. Beberapa modul sejauh ini melindungi induktor dan simpul suis untuk mengelakkan EMI Radiated dari Coil.
3. Perisai
Mekanisme kekuatan kasar untuk mengurangkan EMI melindungi SMPS dengan logam. Ini dicapai melalui penempatan sumber penghasil bunyi dalam bekalan kuasa, di dalam perumahan konduktif (logam) yang dibumikan, dengan satu-satunya antara muka ke rangkaian luaran melalui penapis dalam talian.
Walau bagaimanapun, pelindung menambahkan kos tambahan dalam bahan, dan ukuran PCB pada projek, oleh itu, mungkin idea yang tidak baik untuk projek dengan tujuan kos rendah.
4. Pengoptimuman Susun atur
Susun atur reka bentuk dianggap sebagai salah satu masalah utama yang memudahkan penyebaran EMI di litar. Inilah sebabnya mengapa, salah satu teknik umum yang luas untuk mengurangkan EMI di SMPS adalah Layout Optimization. Kadang-kadang ia adalah istilah yang agak samar-samar kerana ia boleh membawa maksud perkara yang berbeza mulai dari pembasmian komponen parasit hingga pemisahan nod yang bising dari nod yang sensitif terhadap kebisingan, dan pengurangan kawasan gelung semasa, dll.
Beberapa petua pengoptimuman susun atur untuk reka bentuk SMPS merangkumi;
Lindungi nod sensitif Kebisingan dari nod Noisy
Ini dapat dilakukan dengan meletakkannya sejauh mungkin antara satu sama lain untuk mengelakkan gandingan elektromagnetik di antara mereka. Beberapa contoh nod sensitif dan bising disediakan dalam jadual di bawah;
Nod Bising |
Nod Sensitif Bising |
Induktor |
Jalan penginderaan |
Tukar nod |
Rangkaian pampasan |
Kapasitor dI / dt tinggi |
Pin maklum balas |
FET |
Litar Kawalan |
Jauhkan jejak untuk Node Sensitive Noise
Jejak tembaga pada PCB bertindak sebagai antena untuk EMI Radiated, oleh itu, salah satu kaedah terbaik untuk mengelakkan jejak yang bersambung terus ke nod Sensitive Noise daripada memperoleh EMI terpancar adalah dengan menjauhkannya sesingkat mungkin dengan menggerakkan komponen ke mana mereka berada. untuk dihubungkan, sedekat mungkin. Sebagai contoh, jejak panjang dari rangkaian pembahagi resistor yang memasukkan pin maklum balas (FB) dapat bertindak sebagai antena dan mengambil EMI terpancar di sekitarnya. Kebisingan yang disalurkan ke pin Feedback akan menimbulkan kebisingan tambahan pada output sistem, menjadikan kinerja perangkat tidak stabil.
Kurangkan Kawasan Gelung Kritikal (antena)
Jejak / Kawat yang membawa bentuk gelombang beralih harus sedekat mungkin antara satu sama lain.
EMI yang dipancarkan berkadar langsung dengan besarnya arus (I) dan kawasan gelung (A) yang mengalirnya, dengan mengurangkan kawasan arus / voltan, kita dapat mengurangkan tahap EMI yang terpancar. Cara yang baik untuk melakukan ini untuk talian kuasa adalah meletakkan talian kuasa dan jalan balik antara satu sama lain pada lapisan PCB yang bersebelahan.
Minimumkan Induktansi Sesat
Impedansi gelung wayar (yang menyumbang EMI terpancar sebagai sebanding dengan kawasan) dapat dikurangi dengan meningkatkan ukuran trek (powerline) pada PCB dan mengarahkannya selari dengan jalur kembali untuk mengurangkan induktansi trek.
Pembumian
Pesawat tanah yang tidak terputus yang terletak di permukaan luar PCB memberikan jalan balik terpendek untuk EMI, terutamanya apabila ia berada tepat di bawah Sumber EMI di mana ia menekan EMI yang terpancar dengan ketara. Walau bagaimanapun, permukaan tanah dapat menjadi masalah jika anda membiarkannya melalui jejak lain. Potongan dapat meningkatkan kawasan gelung efektif dan membawa ke tahap EMI yang signifikan kerana arus balik harus mencari jalan yang lebih panjang untuk mengelilingi potongan, untuk kembali ke sumber semasa.
Penapis
Penapis EMI adalah mustahak untuk bekalan kuasa, terutamanya untuk mengurangkan EMI yang dijalankan. Mereka biasanya terletak di input dan / atau output dari bekalan kuasa. Pada input, mereka membantu menyaring kebisingan dari arus utama dan pada output, ia menghalang kebisingan dari bekalan dari mempengaruhi rangkaian lain.
Dalam reka bentuk penapis EMI untuk mengurangkan EMI yang dijalankan, biasanya penting untuk memperlakukan pelepasan mod biasa yang dilakukan secara berasingan dari pelepasan mod pembezaan kerana parameter penapis untuk mengatasinya akan berbeza.
Untuk mod pembezaan yang dilakukan penyaringan EMI, penapis input biasanya terdiri dari kapasitor elektrolitik dan seramik, digabungkan, untuk mengurangkan arus mod pembezaan pada frekuensi pensuisan asas yang lebih rendah dan juga pada frekuensi harmonik yang lebih tinggi. Dalam keadaan di mana penindasan lebih lanjut diperlukan, induktor ditambahkan secara bersiri dengan input untuk membentuk penapis lulus rendah LC tahap tunggal.
Untuk mod Common yang dilakukan penyaringan EMI penyaringan dapat dicapai dengan berkesan dengan menghubungkan kapasitor pintas antara saluran kuasa (input dan output) dan ground. Dalam keadaan di mana pelemahan lebih lanjut diperlukan, induktor tercekik berpasangan dapat ditambahkan secara bersiri dengan saluran kuasa.
Secara amnya, reka bentuk penapis harus mempertimbangkan senario terburuk semasa memilih komponen. Sebagai contoh, EMI mod biasa akan maksimum dengan voltan masukan Tinggi, sementara EMI Mod Pembezaan akan maksimum dengan voltan rendah dan arus beban tinggi.
Kesimpulannya
Dengan mempertimbangkan semua perkara yang disebutkan di atas ketika merancang menukar bekalan kuasa biasanya merupakan satu cabaran, ia adalah salah satu sebab mengapa mitigasi EMI disebut sebagai "seni gelap" tetapi apabila anda semakin terbiasa, mereka menjadi sifat kedua.
Berkat IoT dan kemajuan teknologi yang berbeza, keserasian elektromagnetik dan kemampuan umum setiap peranti berfungsi dengan baik dalam keadaan operasi biasa, tanpa memberi kesan negatif terhadap operasi peranti lain dalam jarak yang dekat, bahkan lebih penting daripada sebelumnya. Peranti tidak boleh diserang EMI dari sumber yang disengajakan atau yang tidak disengajakan dan mereka juga mesti pada masa yang sama tidak memancarkan gangguan (dengan sengaja atau tidak sengaja) pada tahap yang boleh menyebabkan kerosakan pada peranti lain.
Atas sebab yang berkaitan dengan kos, penting untuk mempertimbangkan EMC pada peringkat awal reka bentuk SMPS. Penting juga untuk mempertimbangkan bagaimana menyambungkan bekalan kuasa ke peranti utama mempengaruhi dinamika EMI di kedua-dua peranti, kerana dalam kebanyakan kes, terutama untuk SMPS tertanam, bekalan kuasa akan diperakui bersama-sama dengan peranti sebagai satu unit dan sebarang kekurangan dalam sama ada boleh menyebabkan kegagalan.