Entwurfstechniken zur Reduzierung von Emissionen in SMPS-Schaltkreisen

In meinem vorherigen Artikel über EMI haben wir untersucht, wie die beabsichtigte / unbeabsichtigte Natur von EMI-Quellen und wie sie die Leistung anderer elektrischer / elektronischer Geräte (Opfer) in ihrer Umgebung beeinflussen. Dem Artikel folgte ein weiterer Artikel über elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), der Einblicke in die Gefahren von EMI lieferte und einen Kontext dafür bot, wie eine schlechte Berücksichtigung von EMI die Marktleistung eines Produkts negativ beeinflussen kann, entweder aufgrund von Vorschriften oder Funktionsstörungen.

Beide Artikel enthalten umfassende Tipps zur Minimierung von EMI (ausgehend oder eingehend) im Design. In den nächsten Artikeln werden wir uns jedoch eingehender mit der Minimierung von EMI in bestimmten Funktionseinheiten Ihres elektronischen Produkts befassen. Wir beginnen mit der Minimierung der EMI in Netzteilen mit einem besonderen Schwerpunkt auf Schaltnetzteilen.

Schaltmodus Stromversorgung ist ein Oberbegriff für AC-DC- oder DC-DC-Stromquellen, die Schaltkreise mit schnellen Schaltvorgängen für die Spannungsumwandlung / -umwandlung (Buck oder Boost) verwenden. Sie zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad, einen kleinen Formfaktor und einen geringen Stromverbrauch aus. Dies macht sie zum bevorzugten Netzteil für neue elektronische Geräte / Produkte, obwohl sie im Vergleich zu herkömmlichen Geräten wesentlich komplexer und schwieriger zu konstruieren sind beliebte lineare Netzteile. Über die Komplexität ihrer Designs hinaus stellt SMPS aufgrund der von ihnen verwendeten schnellen Schaltfrequenzen eine erhebliche Bedrohung für die EMI-Erzeugung dar, um die hohe Effizienz zu erreichen, für die sie bekannt sind.

Da täglich mehr Geräte (potenzielle EMI-Opfer / -Quelle) entwickelt werden, wird die Überwindung von EMI zu einer großen Herausforderung für Ingenieure, und das Erreichen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) wird ebenso wichtig wie das ordnungsgemäße Funktionieren des Geräts.

Für den heutigen Artikel werden wir uns mit der Art und den Quellen von EMI in SMPS befassen und einige Entwurfstechniken / -ansätze untersuchen, die zur Minderung dieser Probleme verwendet werden können.

EMI-Quellen in SMPS

Die Lösung eines EMI-Problems erfordert im Allgemeinen ein Verständnis der Störquelle, des Kopplungspfads zu anderen Schaltkreisen (Opfern) und der Art des Opfers, dessen Leistung negativ beeinflusst wird. Während der Produktentwicklung ist es normalerweise fast unmöglich, die Auswirkungen von EMI auf potenzielle Opfer zu bestimmen. Daher konzentrieren sich die EMI-Kontrollbemühungen normalerweise auf die Minimierung von Emissionsquellen (oder die Verringerung der Anfälligkeit) und die Beseitigung / Reduzierung von Kopplungspfaden.

Die Hauptquelle für EMI in SMPS-Netzteilen lässt sich auf ihre inhärente Konstruktion und ihre Schalteigenschaften zurückführen. Während des Wandlungsprozesses von AC-DC oder DC-DC erzeugen die MOSFET-Schaltkomponenten in SMPS, die bei hohen Frequenzen ein- oder ausgeschaltet werden, eine falsche Sinuswelle (Rechteckwelle), die durch eine Fourier-Reihe als die beschrieben werden kann Summation vieler Sinuswellen mit harmonisch verwandten Frequenzen. Dieses vollständige Fourier-Spektrum von Harmonischen, das sich aus der Schaltwirkung ergibt, wird zur EMI, die von der Stromversorgung zu anderen Schaltkreisen im Gerät und zu nahe gelegenen elektronischen Geräten übertragen wird, die für diese Frequenzen anfällig sind.

Neben dem Rauschen beim Schalten sind die schnellen Strom- (dI / dt) und Spannungsübergänge (dV / dt) (die auch mit dem Schalten zusammenhängen) eine weitere EMI-Quelle in SMPS. Nach der Maxwellschen Gleichung erzeugen diese Wechselströme und -spannungen ein elektromagnetisches Wechselfeld, und während die Größe des Feldes mit der Entfernung abnimmt, interagiert es mit leitenden Teilen (wie Kupferspuren auf der Leiterplatte), die wie Antennen wirken und zusätzliches Rauschen auf den Leitungen verursachen, was zu EMI führt.

Jetzt ist die EMI an der Quelle (manchmal) nicht so gefährlich, bis sie in benachbarte Schaltkreise oder Geräte (Opfer) eingekoppelt wird. Durch Eliminieren / Minimieren der potenziellen Kopplungspfade kann die EMI im Allgemeinen reduziert werden. Wie im Artikel „Einführung in EMI“ erläutert, erfolgt die EMI-Kopplung im Allgemeinen durch; Leitung (über unerwünschte / zweckentfremdete Pfade oder sogenannte „Sneak-Schaltkreise“), Induktion (Kopplung durch induktive oder kapazitive Elemente wie Transformatoren) und Strahlung (über Funk).

Durch das Verständnis dieser Kopplungspfade und ihrer Auswirkungen auf die EMI in Schaltnetzteilen können Entwickler ihre Systeme so erstellen, dass der Einfluss des Kopplungspfads minimiert und die Ausbreitung der Interferenz verringert wird.

Verschiedene Arten von EMI-Kopplungsmechanismen

Wir werden jeden der Kopplungsmechanismen in Bezug auf SMPS untersuchen und die Elemente von SMPS-Designs festlegen, die zu ihrer Existenz führen.

Strahlungs-EMI in SMPS:

Eine Strahlungskopplung tritt auf, wenn die Quelle und der Empfänger (das Opfer) als Funkantennen fungieren. Die Quelle strahlt eine elektromagnetische Welle aus, die sich über den offenen Raum zwischen der Quelle und dem Opfer ausbreitet. In SMPS ist die Ausbreitung von Strahlungs-EMI normalerweise mit geschalteten Strömen mit hohem di / dt verbunden, was durch das Vorhandensein von Schleifen mit schnellen Stromanstiegszeiten aufgrund eines schlechten Entwurfslayouts und Verdrahtungspraktiken, die zu einer Streuinduktivität führen, verstärkt wird.

Betrachten Sie die Schaltung unten;

Die schnelle Stromänderung in der Schaltung führt zusätzlich zum normalen Spannungsausgang (Vmeas) zu einer verrauschten Spannung (Vnoise). Der Kopplungsmechanismus ähnelt dem Betrieb von Transformatoren, so dass der Vnoise durch die Gleichung gegeben ist;

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

Dabei ist M / K der Kopplungsfaktor, der von Abstand, Fläche und Ausrichtung der Magnetschleifen sowie der magnetischen Absorption zwischen den betreffenden Schleifen abhängt - genau wie bei einem Transformator. Daher besteht bei Design- / Leiterplattenlayouts mit schlechter Berücksichtigung der Schleifenorientierung und großer Stromschleifenfläche tendenziell ein höheres Maß an abgestrahlter EMI.

Durchgeführte EMI in SMPS:

Leitungskopplung tritt auf, wenn EMI-Emissionen über Leiter (Drähte, Kabel, Gehäuse und Kupferspuren auf Leiterplatten) geleitet werden, die die EMI-Quelle und den Empfänger miteinander verbinden. Auf diese Weise gekoppelte EMI sind in den Stromversorgungsleitungen üblich und in der Regel schwer in der H-Feld-Komponente.

Die Leitungskopplung in SMPS ist entweder eine Gleichtaktleitung (die Interferenz erscheint auf der + ve- und der GND-Leitung gleichphasig) oder ein Differentialmodus (die Interferenz erscheint auf zwei Leitern phasenverschoben).

Gleichtaktgesteuerte Emissionen werden normalerweise durch parasitäre Kapazitäten wie die des Kühlkörpers und des Transformators zusammen mit dem Platinenlayout und der Schaltspannungswellenform über dem Schalter verursacht.

Differentialmodus-geleitete Emissionen sind andererseits ein Ergebnis der Schaltaktion, die Stromimpulse am Eingang verursacht und Schaltspitzen erzeugt, die zum Vorhandensein von Differenzrauschen führen.

Induktive EMI in SMPS:

Induktive Kopplung tritt auf, wenn zwischen der Quelle und dem Opfer eine elektrische (aufgrund einer kapazitiv gekoppelten) oder magnetische (aufgrund einer induktiv gekoppelten) EMI-Induktion besteht. Elektrische Kopplung oder kapazitive Kopplung tritt auf, wenn ein variierendes elektrisches Feld zwischen zwei benachbarten Leitern besteht, wodurch eine Spannungsänderung über den Spalt zwischen ihnen induziert wird, während eine magnetische Kopplung oder induktive Kopplung auftritt, wenn ein variierendes Magnetfeld zwischen zwei parallelen Leitern besteht, das eine Änderung induziert in Spannung entlang des Empfangsleiters.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Hauptquelle für EMI in SMPS die Hochfrequenzschaltwirkung zusammen mit den resultierenden schnellen Di / Dt- oder Dv / Dt-Transienten ist, die Enabler, die die Ausbreitung / Ausbreitung der erzeugten EMI auf potenzielle Opfer auf derselben Platine erleichtern (oder externe Systeme) sind Faktoren, die sich aus einer schlechten Komponentenauswahl, einem schlechten Designlayout und dem Vorhandensein von Streuinduktivität / -kapazität in Strompfaden ergeben.

Designtechniken zur Reduzierung von EMI in SMPS

Bevor Sie diesen Abschnitt durchgehen, kann es sich lohnen, einen Blick auf die Standards und Vorschriften rund um EMI / EMC zu werfen, um sich an die Entwurfsziele zu erinnern. Obwohl die Standards zwischen den Ländern / Regionen variieren, gehören zu den beiden am weitesten verbreiteten, die dank der Harmonisierung für die Zertifizierung in den meisten Regionen akzeptabel sind: die FCC EMI Control Regulations und die CISPR 22 (Dritte Ausgabe des Internationalen Sonderausschusses für Funkstörungen (CISPR), Pub. 22). Komplizierte Details dieser beiden Standards wurden in dem EMI-Standardartikel zusammengefasst, den wir zuvor besprochen haben.

Wenn Sie EMV-Zertifizierungsprozesse bestehen oder nur sicherstellen möchten, dass Ihre Geräte in der Nähe anderer Geräte einwandfrei funktionieren, müssen Sie Ihre Emissionswerte unter den in den Normen beschriebenen Werten halten.

Es gibt eine Reihe von Entwurfsansätzen zur Minderung von EMI in SMPS, und wir werden versuchen, sie nacheinander abzudecken.

1. Gehen Sie linear

Ehrlich gesagt, wenn Ihre Anwendung es sich leisten kann (die Sperrigkeit und Ineffizienz), können Sie sich durch die Verwendung eines linearen Netzteils viel Stromversorgungs-EMI-Stress sparen. Sie erzeugen keine signifikanten EMI und kosten nicht so viel Zeit und Geld für die Entwicklung. Für ihre Effizienz können Sie mit LDO-Linearreglern immer noch angemessene Effizienzniveaus erzielen, auch wenn sie möglicherweise nicht mit SMPS vergleichbar sind.

2. Verwenden Sie Power Modules

Das Befolgen von Best Practices, um eine gute EMI-Leistung zu erzielen, ist manchmal möglicherweise nicht gut genug. In Situationen, in denen Sie scheinbar keine Zeit oder andere Ressourcen finden, um die besten EMI-Ergebnisse zu erzielen, ist ein Wechsel, der normalerweise funktioniert, der Wechsel zu Leistungsmodulen.

Leistungsmodule sind nicht perfekt, aber eine Sache, die sie gut machen, stellt sicher, dass Sie nicht in die Fallen üblicher EMI-Schuldiger wie schlechtes Designlayout und parasitäre Induktivität / Kapazität geraten. Einige der besten Leistungsmodule auf dem Markt berücksichtigen bereits die Notwendigkeit, EMI zu überwinden, und sollen die Entwicklung schneller und einfacher Netzteile mit guter EMI-Leistung ermöglichen. Hersteller wie Murata, Recom, Mornsun usw. verfügen über eine breite Palette von SMPS-Modulen, die sich bereits um EMI- und EMV-Probleme kümmern.

Zum Beispiel haben sie normalerweise die meisten Komponenten wie Induktoren, die intern im Gehäuse angeschlossen sind. Daher besteht im Modul ein sehr kleiner Schleifenbereich, und die EMI-Strahlung wird reduziert. Einige Module reichen bis zur Abschirmung der Induktivitäten und des Schaltknotens, um eine Strahlungs-EMI von der Spule zu verhindern.

3. Abschirmung

Ein Brute-Force-Mechanismus zur Reduzierung von EMI schirmt das SMPS mit Metall ab. Dies wird durch die Platzierung von rauscherzeugenden Quellen in der Stromversorgung innerhalb eines geerdeten leitenden (Metall-) Gehäuses erreicht, wobei die einzige Schnittstelle zu externen Schaltkreisen über Inline-Filter besteht.

Die Abschirmung erhöht jedoch die Materialkosten und die Leiterplattengröße des Projekts. Daher kann es für Projekte mit kostengünstigen Zielen eine schlechte Idee sein.

4. Layoutoptimierung

Das Designlayout wird als eines der Hauptprobleme angesehen, die die Ausbreitung von EMI über die Schaltung erleichtern. Aus diesem Grund ist die Layoutoptimierung eine der allgemeinen Techniken zur Reduzierung von EMI in SMPS. Es ist manchmal ein eher mehrdeutiger Begriff, da er verschiedene Bedeutungen haben kann, die von der Beseitigung parasitärer Komponenten über die Trennung von verrauschten Knoten von rauschempfindlichen Knoten bis hin zur Reduzierung von Stromschleifenbereichen usw. reichen.

Einige Tipps zur Layoutoptimierung für SMPS-Designs umfassen:

Schützen Sie rauschempfindliche Knoten vor lauten Knoten

Dies kann erreicht werden, indem sie so weit wie möglich voneinander entfernt positioniert werden, um eine elektromagnetische Kopplung zwischen ihnen zu verhindern. Einige Beispiele für rauschempfindliche und verrauschte Knoten sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Laute Knoten	Rauschempfindliche Knoten
Induktivitäten	Pfade erfassen
Knoten wechseln	Kompensationsnetzwerke
Kondensatoren mit hohem dI / dt	Feedback-Pin
FETs	Steuerkreise

Halten Sie die Spuren für rauschempfindliche Knoten kurz

Kupferspuren auf Leiterplatten dienen als Antennen für Strahlungs-EMI. Eine der besten Möglichkeiten, um zu verhindern, dass die direkt mit rauschempfindlichen Knoten verbundenen Spuren Strahlungs-EMI erfassen, besteht darin, sie so kurz wie möglich zu halten, indem die Komponenten, zu denen sie gehören, verschoben werden so nah wie möglich verbunden werden. Beispielsweise kann eine lange Spur von einem Widerstandsteilernetzwerk, das in einen Rückkopplungsstift (FB) eingespeist wird, als Antenne fungieren und um ihn herum abgestrahlte EMI aufnehmen. Das dem Feedback-Pin zugeführte Rauschen führt zu zusätzlichem Rauschen am Systemausgang, wodurch die Leistung des Geräts instabil wird.

Reduzieren Sie den kritischen (Antennen-) Schleifenbereich

Spuren / Drähte, die eine Schaltwellenform tragen, sollten so nah wie möglich beieinander liegen.

Die abgestrahlte EMI ist direkt proportional zur Größe des Stroms (I) und der Schleifenfläche (A), durch die er fließt. Durch Verringern der Fläche des Stroms / der Spannung können wir den Pegel der abgestrahlten EMI verringern. Ein guter Weg, dies für Stromleitungen zu tun, besteht darin, die Stromleitung und den Rückweg übereinander auf benachbarten Schichten der Leiterplatte zu platzieren.

Streuinduktivität minimieren

Die Impedanz einer Drahtschleife (die proportional zur Fläche zur Strahlungs-EMI beiträgt) kann verringert werden, indem die Größe der Spuren (Stromleitung) auf der Leiterplatte erhöht und parallel zu ihrem Rückweg verlegt wird, um die Induktivität der Spuren zu verringern.

Erdung

Eine ungebrochene Masseebene an den Außenflächen der Leiterplatte bietet den kürzesten Rückweg für EMI, insbesondere wenn sie sich direkt unter der EMI-Quelle befindet und dort abgestrahlte EMI erheblich unterdrückt. Bodenebenen können jedoch ein Problem sein, wenn Sie einen Schnitt durch andere Spuren zulassen. Der Schnitt könnte die effektive Schleifenfläche vergrößern und zu signifikanten EMI-Pegeln führen, da der Rückstrom einen längeren Weg finden muss, um den Schnitt zu umgehen und zur Stromquelle zurückzukehren.

Filter

EMI-Filter sind ein Muss für Netzteile, insbesondere zur Minderung von EMI. Sie befinden sich normalerweise am Eingang und / oder Ausgang des Netzteils. Am Eingang helfen sie dabei, Rauschen vom Netz zu filtern, und am Ausgang verhindern sie, dass das Rauschen der Versorgung den Rest des Stromkreises beeinflusst.

Bei der Konstruktion von EMI-Filtern zur Minderung der leitungsgebundenen EMI ist es normalerweise wichtig, die Gleichtaktemission getrennt von der Differentialmodusemission zu behandeln, da die Parameter für den Filter zur Adressierung unterschiedlich sind.

Für eine im Differentialmodus durchgeführte EMI-Filterung bestehen die Eingangsfilter normalerweise aus Elektrolyt- und Keramikkondensatoren, die kombiniert werden, um den Differentialmodusstrom bei der niedrigeren Grundschaltfrequenz und auch bei höheren harmonischen Frequenzen effizient zu dämpfen. In Situationen, in denen eine weitere Unterdrückung erforderlich ist, wird ein Induktor in Reihe mit dem Eingang hinzugefügt, um ein einstufiges LC-Tiefpassfilter zu bilden.

Bei einer im Gleichtakt durchgeführten EMI-Filterung kann die Filterung effektiv erreicht werden, indem Bypass-Kondensatoren zwischen den Stromleitungen (sowohl Eingang als auch Ausgang) und Masse angeschlossen werden. In Situationen, in denen eine weitere Dämpfung erforderlich ist, können gekoppelte Drosselinduktoren in Reihe mit den Stromleitungen hinzugefügt werden.

Im Allgemeinen sollten Filterdesigns bei der Auswahl der Komponenten die Worst-Case-Szenarien berücksichtigen. Beispielsweise ist die Gleichtakt-EMI bei hoher Eingangsspannung maximal, während die Differentialmodus-EMI bei niedriger Spannung und hohem Laststrom maximal ist.

Fazit

Die Berücksichtigung aller oben genannten Punkte beim Entwurf von Schaltnetzteilen ist normalerweise eine Herausforderung. Dies ist einer der Gründe, warum die EMI-Minderung als „dunkle Kunst“ bezeichnet wird. Wenn Sie sich jedoch daran gewöhnen, werden sie zur zweiten Natur.

Dank des Internet der Dinge und unterschiedlicher technologischer Fortschritte ist die elektromagnetische Verträglichkeit und die allgemeine Fähigkeit jedes Geräts, unter normalen Betriebsbedingungen ordnungsgemäß zu funktionieren, ohne den Betrieb anderer Geräte in unmittelbarer Nähe zu beeinträchtigen, noch wichtiger als zuvor. Geräte dürfen nicht durch nahegelegene absichtliche oder unbeabsichtigte Quellen EMI ausgesetzt sein und dürfen gleichzeitig keine (absichtlichen oder unbeabsichtigten) Störungen in einer Höhe ausstrahlen, die zu Fehlfunktionen anderer Geräte führen könnte.

Aus Kostengründen ist es wichtig, EMV in der frühen Phase des SMPS-Designs zu berücksichtigen. Es ist auch wichtig zu berücksichtigen, wie sich der Anschluss des Netzteils an das Hauptgerät auf die EMI-Dynamik in beiden Geräten auswirkt, da in den meisten Fällen, insbesondere bei eingebettetem SMPS, das Netzteil zusammen mit dem Gerät als eine Einheit zertifiziert wird und alle Fehler auftreten beides könnte zum Scheitern führen.