Wie man elektromagnetische Interferenzen (EMI) von Stromversorgungen in Ihrer Leiterplatte bekämpft

Netzteile sind eines dieser Systeme, die wir alle als selbstverständlich betrachten. Die erste Aufgabe bei der Entwicklung eines Netzteils besteht in der Regel darin, sicherzustellen, dass die Spannungs- und Stromausgabe das gewünschte Niveau erreicht, wahrscheinlich gefolgt von thermischen Überlegungen. Aufgrund von Sicherheitsproblemen, EMC-Anforderungen, der Verwendung höherer PWM-Frequenzen und dem Bedarf an kleineren Verpackungen sollte die EMI (elektromagnetische Interferenz) von Netzteilen jedoch eine wichtige Designüberlegung sein. Die Ignorierung der Netzteil-EMI birgt eigene Risiken für den Designer, da das Nichtbestehen von EMC-Tests zu einer Vielzahl von Neugestaltungen führt, die Zeit und Geld verschwenden.

Mit dem Gesagten, was sind die Hauptquellen der Netzteil-EMI und wie können Netzteil-Designer sie im Zaum halten? EMI von einem Netzteil manifestiert sich hauptsächlich als geleitete EMI, die zu einer Last getrieben wird, aber es gibt auch abgestrahlte EMI von dem Gerät, insbesondere beim Entwerfen von Hochstrom-Schaltreglern. Obwohl wir nicht jede einzelne Quelle in diesem Artikel abdecken können, werde ich eine Liste von Strategien zusammenstellen, die Ihnen helfen können, einige gängige Probleme mit der Netzteil-EMI zu lösen.

Finden Sie die Ursache der Netzteil-EMI

Wie ich oben erwähnt habe, erzeugen Stromversorgungen hauptsächlich geleitete EMI, obwohl es bei Schaltnetzteilen besonders starke abgestrahlte EMI geben kann. Wenn wir über EMI in Stromversorgungen nachdenken, müssen wir die Topologie berücksichtigen und ob wir unerwünschte Ströme oder unerwünschte Emissionen angehen wollen, wenn wir das PCB-Layout planen. Ein einfacher Linearregler oder ein LDO wird weniger Probleme aufwerfen als ein Hochfrequenz-, Hochstrom-Schaltregler.

In der untenstehenden Tabelle habe ich die drei häufigsten Quellen von EMI und ihre Ursachen in Stromversorgungseinheiten und in On-Board-Reglerkreisen dargelegt. Nur für einen Moment müssen wir manchmal zwischen EMI unterscheiden, die innerhalb der Stromversorgung auftritt, und EMI, die von der mit der Stromversorgung verbundenen Platine empfangen wird. In Wirklichkeit ist das Ausmaß der EMI in jedem Systemtyp eine Frage des Maßstabs; die grundlegenden Mechanismen, die EMI erzeugen, sind in eingebetteten Leistungsreglern und Stromversorgungseinheiten die gleichen.

Über jedes dieser Gebiete wurden Bände geschrieben, und kein Bereich kann isoliert betrachtet werden. Zum Beispiel können verschiedene Betriebsmodi (z.B. Ringing) und Schaltparameter (hohe PWM-Frequenz) kombiniert werden, um gemeinsame Modusströme zu erzeugen, die dann etwas EMI erzeugen oder zu nachgeschalteten Komponenten geleitet werden, um die Gesamtleistungslieferung zu reduzieren.

Lassen Sie uns kurz auf jedes dieser Gebiete eingehen, um zu sehen, wie sie sich auf das EMI von Stromversorgungen beziehen.

Gemeinsame Modusströme

Die Treiber von Gleichtaktströmen sind ein wenig kontraintuitiv. Gleichtaktströme sind ein elektrischer Effekt, was bedeutet, dass sie durch Veränderungen im elektrischen Feld angetrieben werden, sodass Gleichtaktströme in Stromversorgungen durch parasitäre Kapazität zurück zum Gehäuse vermittelt werden, anstatt durch parasitäre Induktivität. Die Grafik unten zeigt ein Beispiel für den Eingangsstrom in einem Gleichstromregelungsbereich einer Stromversorgung, der als Gleichtaktstörung auf den PWR/GND-Schienen erscheint.

Beachten Sie, dass dieser Strompfad im System auch nach der Filterung von Gleichtaktstörungen aus dem Wechselstromnetzeingang auftreten kann. Er kann auch eine sehr große Schleifeninduktivität haben, was eine neue Stelle zur Emission oder zum Empfang von EMI schafft.

Warum sollte dies überhaupt auftreten? Der Grund ist, dass es einen Potenzialunterschied zwischen Punkt A in der obigen Grafik und dem Gehäuse gibt, der es einigen Strömen erlaubt, über die parasitäre Kapazität zurück zu den Hauptleitungen zu leiten. Ein ähnliches Problem kann bei Ethernet-Platinen mit geteilten Erdungsbereichen auftreten, wo die Gleichtaktstörung sich auf die PHY-Seite eines Ethernet-Netzlinks koppeln kann.

Die Lösung: Es hängt davon ab, wie Gleichtaktströme in das System gelangen. Bei über AC-Netze eingekoppelten Strömen sollten Sie eine Filterung am Ausgang des Netzteils vornehmen. Eine Gleichtaktdrossel ist Standard, oder Sie können einen Gleichtaktstromfilter mit Tiefpass-Topologie verwenden. Ein Pi-Filter kann für zusätzliche Filterung von differentiellem Rauschen verwendet werden. In einigen Systemen, wie industriellen Ethernet-Switches, treten Gleichtaktströme auf, aber Ihre Aufgabe ist es, zu verhindern, dass sie in empfindliche Schaltkreise geleitet werden, indem Sie Ihre Rückführungspfade nachverfolgen.

Was verursacht parasitäres Klingeln?

In der obigen Tabelle habe ich einige Ursachen für das Auftreten von Ringing identifiziert, insbesondere im diskontinuierlichen Betriebsmodus. Jedoch können Parasiten auch die Bedingungen für die Dämpfung im Design verändern, was zu einer unterdämpften Resonanz mit Ringing führt. Es gibt viele Parasiten in realen Komponenten, die das Ringing beeinflussen werden. Ringing ist nicht genau eine Form von EMI, da es durch reaktive Elemente in realen Schaltungen verursacht wird. Jedoch kann Ringing in seinen verschiedenen Formen zu anderen Formen von EMI beitragen (siehe diesen Artikel als Beispiel), daher sollte es in einer Diskussion über EMI, insbesondere in Stromversorgungen, einbezogen werden. Einige Parasiten, die prominente Teilnehmer am Ringing sind, umfassen:

• Induktivität der MOSFET-Anschlussdrähte, Körperkapazität
• Kapazität der Induktor-/Transformatorwicklungen
• Parasitäre Induktivität in Strompfaden im PCB-Layout
• Interaktion zwischen Parasiten und beabsichtigten RLC-Elementen im Schaltkreis

Die Parasiten und gewünschten Komponenten im Layout der Stromversorgung bilden einen äquivalenten RLC-Schaltkreis, der eine unterdämpfte Resonanz aufweisen könnte. Ringing erscheint als differentieller Modus-Rauschen am Ausgang mit einem Leistungsspektrum, das in hohe MHz-Frequenzen reicht, abhängig von der Resonanzfrequenz des durch Parasiten gebildeten äquivalenten RLC-Schaltkreises.

Die Lösung: Verwenden Sie Komponenten mit kleineren parasitären Elementen, was physisch größere oder kleinere Komponenten bedeuten kann. Leider ist dies nicht so einfach, wie es klingt, sowohl in der Praxis als auch in der Simulation. Darüber hinaus müssen Sie sich auf die parasitären Elemente konzentrieren, die in Ihrem Design am wichtigsten sind, und Sie müssen akzeptieren, dass Ihr Layout niemals vollständig frei von parasitären Elementen sein wird.

Abgestrahlte EMI

Abgestrahlte EMI hat zwei Hauptquellen. Erstens tritt sie in Schüben in einem Schaltregler auf, wann immer der MOSFET schaltet, was auch etwas geleitete EMI erzeugt, die sich über ein breites Leistungsspektrum erstreckt (siehe unten). Zweitens sind auch Gleichtaktströme Quellen abgestrahlter EMI. Das Strahlungsmuster aus diesen beiden Quellen kann sehr komplex sein und sich über mehrere Harmonische erstrecken.

Die Lösung: Sie müssen Tiefpassfilterung verwenden, um etwas von der geleiteten (Differenzmodus) EMI vom Ausgang der Stromversorgung zu entfernen. Abgestrahlte EMI wird deutlich reduziert, indem man sich darauf konzentriert, Gleichtaktströme zu reduzieren, deren Strahlung ~100x so stark sein kann wie die abgestrahlte EMI im Differenzmodus (siehe die Beispiel-Messungen unten). Abgestrahlte EMI durch Schalten ist weitgehend unvermeidlich, obwohl sie durch eine Erdung in der Nähe des Schaltbereichs und die Sicherstellung einer geringen Schleifeninduktivität unterdrückt werden kann.

Beachten Sie, dass das oben gezeigte Spektrum der geleiteten EMI auch im Spektrum der abgestrahlten EMI erscheinen könnte. Dies kann auch bei Schaltkristallen beobachtet werden, die aufgrund großer Schleifeninduktivitäten entlang des Pfades der Taktleitung stark strahlen können. Das Gleiche kann auftreten, wenn ein hochfrequentes PWM-Signal nicht in der Nähe einer großen Referenzebene verlegt wird. Dieses sekundäre Problem hängt mit der Verlegung zusammen, anstatt einfach mit der Natur des Schaltens in MOSFETs oder anderen Schaltkomponenten.

Falls diese Maßnahmen nicht ausreichen, gibt es Abschirmmaßnahmen, die auf der Platine implementiert werden können. Die meisten Entwickler sind wahrscheinlich mit Abschirmgehäusen vertraut, die auf der Platine montiert werden können und dazu dienen, spezifische Schaltkreise oder Komponentengruppen zu schützen. Dann gibt es noch Gehäuselösungen, wie leitfähige Bänder, leitfähige Dichtungen, Maschenabschirmmaterialien und Ähnliches, die am Gehäuse montiert werden können. Achten Sie darauf, wie Sie diese Lösungen erden; die korrekte Verwendung, die erforderlich ist, um einen Faraday-Käfig im Design zu erstellen, hängt davon ab, wie Sie "Erde" in Ihrem System definiert haben (d.h., Erde, Chassis oder Systemmasse).

Diagnose von EMI-Problemen in Stromversorgungen

SPICE-Simulationen eignen sich hervorragend, um die Topologie und elektrische Leistung Ihrer Stromversorgungsschaltungen zu untersuchen, insbesondere bei Schaltreglern, die leitungsgeführte Störungen oder abgestrahlte Störungen erzeugen können. Allerdings können diese Arten von EMI mit einfachen SPICE-Simulationen nicht vollständig diagnostiziert werden, da sie so stark von der physischen Anordnung abhängen können. Ein Feldlöser-Tool kann Ihnen helfen, Stellen im Layout zu identifizieren, die starke abgestrahlte Emissionen, starkes Klingeln und Gleichtaktströme aufweisen. Dies richtig zu machen, erfordert das direkte Importieren Ihres Designs in ein Feldlöser-Tool, damit das Werkzeug Ihr Layout direkt berücksichtigen kann.

Wenn Sie die EMI der Stromversorgung untersuchen und Ihr Design ändern müssen, um EMI zu reduzieren, können Sie den kompletten Satz an PCB-Designwerkzeugen in Altium Designer® verwenden. Für fortgeschrittenere Berechnungen, die leitungsgeführte oder abgestrahlte EMI betreffen, können Altium Designer-Benutzer die EDB Exporter-Erweiterung verwenden, um Designs in Ansys-Feldlöser zu importieren. Dieses Paar aus Feldlöser und Designanwendungen hilft Ihnen, Ihr Layout zu überprüfen, bevor Sie mit einem Prototyping-Lauf beginnen.

Wenn Sie Ihr Design abgeschlossen haben und Dateien an Ihren Hersteller freigeben möchten, macht es die Altium 365™ Plattform einfach, mit anderen zusammenzuarbeiten und Ihre Projekte zu teilen. Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Sie können die Produktseite für eine detailliertere Beschreibung der Funktionen oder eines der On-Demand Webinare besuchen.