Wie Sie durch Impedanzabgleich Störungen durch Gleichtaktstörungen in Ihrer Stromversorgung reduzieren

Einfache Schaltreglerkreise, die in kompakten Räumen, wie auf einer kleinen Leiterplatte, arbeiten, können normalerweise in lauten Umgebungen eingesetzt werden, ohne dass sie erhebliches Rauschen auf das Ausgangsleistungsniveau überlagern. Solange Sie das Board richtig anlegen, werden Sie wahrscheinlich nur einen einfachen Filterkreis benötigen, um EMI an den Ein- und Ausgängen zu entfernen. Wenn der Regler sowohl physisch als auch elektrisch größer wird, können Geräuschprobleme viel deutlicher werden, nämlich abgestrahlte EMI und geleitete EMI im PCB-Layout.

Übliche geleitete Ströme im Gleichtakt sind ein typisches Problem bei DC-DC-Wandlern mit mehreren Erden, das aufgrund von kapazitiver Kopplung entsteht. Die Standardmethode besteht darin, eine Filterung am Ausgang zu verwenden, wie mit einer Gleichtaktdrossel, um mit dem geleiteten Gleichtakt-Rauschen, das den Ausgangsknoten erreicht, umzugehen. Dies unterdrückt jedoch nicht die abgestrahlte EMI, die im Gleichtaktstromkreis existiert, was Sie mit Abschirmung als letzte Option zurücklässt. Was ist, wenn Sie beide Arten von Rauschen mit weniger Bedarf an Abschirmung unterdrücken können?

Bei diesen Arten von Schaltwandlern können Sie einen Impedanzausgleichsansatz verwenden, um das gemeinsame Modus-Rauschen am Ausgangsknoten Ihrer Stromversorgung zu unterdrücken. Dies folgt einer einfachen Idee, bei der das Systemerdung als globaler Referenzpunkt für die Definition der Impedanz an den Ausgangsknoten Ihrer Stromversorgung verwendet wird. Lassen Sie uns anschauen, wie dies funktioniert und was Sie in Ihrem Design mit Simulationen untersuchen sollten.

Was ist Impedanzausgleich?

Impedanzausgleich verwendet eine 3-Leiter-Konfiguration (2 Signal, 1 GND), um eine differentielle Spannungsmessung mit einem Verstärker zu sammeln. Diese Technik wird bei XLR-Audiokabeln als Mittel verwendet, um sicherzustellen, dass ein differentieller Empfänger das gemeinsame Modus-Rauschen, das durch das Kabel geleitet werden könnte, vollständig auslöschen kann. Mark Harris diskutiert dies kurz in einem kürzlichen Blogpost, obwohl dies im Kontext von Sensoren und nicht von Audio oder Stromversorgungen gemacht wurde.

Die zentrale Idee besteht darin, die Impedanzen der beiden Signalleitungen gleichzusetzen, was sicherstellt, dass jede einzelne Seite des Kabels am Empfänger die gleiche Eingangsimpedanz sieht und die Ablehnung von gemeinsamem Modus-Rauschen am differentiellen Empfänger gewährleistet ist.

Wenn man darüber nachdenkt, unterscheidet sich die Anordnung von Signalleitungen und Masse in diesem System nicht von differentiellen Paaren auf einer Leiterplatte. Bei einem differentiellen Paar wird die Impedanz jeder Spur einzeln in Bezug auf die Referenzebene des Paares definiert (in diesem Fall eine Masseebene). Der einzige Unterschied zwischen Impedanzausgleich und differentieller Signalübertragung besteht darin, dass wir bei einer impedanzbalancierten Verbindung nicht zwingend gleich große und entgegengesetzte Signale für V1 und V2 benötigen; theoretisch könnten sie jeden beliebigen Wert annehmen. Der Empfänger misst dann die Spannung über jedes Paar in Bezug auf die Referenzebene.

Impedanzausgleich in einem Schaltwandler

Gleichtaktstörungen in einem Schaltwandler entstehen durch kapazitive Kopplung zurück zur nächstgelegenen Referenzebene, die typischerweise das Chassis GND ist, oder es könnte ein anderer großer Leiter sein, der Teil des System GND oder Gehäuseschirmung ist. Dies kann bei physisch großen Stromversorgungslayouts, die einen hohen Strom liefern, sehr problematisch sein; die parasitäre Kapazität Cp (siehe unten) kann sehr groß sein, was während eines Hoch-dI/dt-Schaltvorgangs im Schaltwandlerkreis eine sehr niedrige Impedanz ergibt.

Von hier aus können wir sehen, dass die violetten Pfeile eine große Stromschleife nachzeichnen. Selbst wenn wir die geleiteten Ströme an der Last mit einer Gleichtaktdrossel entfernen, wird es starke abgestrahlte Emissionen von den Gleichtaktstromschleifen geben. Dies kann auch bei Schaltwandler-Topologien auftreten, die eine galvanische Trennung mit einem Transformator verwenden, wie zum Beispiel ein LLC-Resonanzwandler.

Eine Lösung im folgenden Boost-Wandler-Schaltkreis besteht darin, Kondensatoren um die Induktivität zurück zum Chassis-Ground zu platzieren, aber vor den POS_OUT- und NEG_OUT-Anschlüssen. Hier ist die negative Schiene zurück zum Systemgrund am Quellpunkt V1 gebunden, was einen Weg für Gleichtaktstörungen zwischen der negativen Schiene und dem Rest des Systems erleichtern kann. Die Hinzufügung der Kondensatoren C1/C2 und der Induktivität L2 schafft eine Brückenschaltung für den Pfad, dem die Gleichtaktstörungen folgen, die in den MOSFET fließen:

Indem Sie absichtlich Kondensatoren verwenden, um die hohen und niedrigen Schienen zurück zum Grund zu binden, werden Sie zwei gegenläufige Ströme im Layout einrichten, die eine Brückenschaltung nachahmen. Die resultierenden Gleichtaktstörungen werden eliminiert, wenn die folgende Impedanzbedingung erfüllt ist:

Dies wird in der folgenden Referenz viel detaillierter besprochen:

• Zhang, Shuaitao, et al. "Modellierung und Optimierung der Impedanzausgleichstechnik zur Dämpfung von Gleichtaktstörungen in DC-DC-Boost-Wandlern." Electronics 9, Nr. 3 (2020): 480.

Schließlich wurden ähnliche Strategien für differentielle ADC-Eingänge und Motorsteuerungen in Anwesenheit von Stromversorgungsrauschen diskutiert:

• Bae, Bumhee, et al. "On-Chip-Design-Techniken zur Reduzierung der Auswirkungen von Stromversorgungsrauschen auf ADC mit chip-PCB-hierarchischer Struktur." In 2012 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, S. 549-553. IEEE, 2012.
• Chen, Ruirui, et al. "Reduzierung von Gleichtaktstörungen mit Impedanzausgleich in DC-gespeisten Motorantrieben." In 2018 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), S. 2515-2520. IEEE, 2018.

Sobald Sie das PCB-Layout erstellt haben, sollten Sie sicherstellen, dass Sie eine symmetrische Verdrahtung auf den hohen und niedrigen Seiten des MOSFET implementieren. Dies ist wichtig, da es gegenläufige Stromschleifen einrichtet, die antiparallele Magnetfelder erzeugen werden. Jeder Teil Ihrer Verdrahtung, der nicht Teil der Unterdrückung von Gleichtaktstörungen ist, wird eine differentielle abgestrahlte Emission haben, die deutlich schwächer ist als die Emission von Gleichtaktströmen.

Simulation der Impedanzabgleichung mit Parasiten

In der oben genannten Schaltung ist es wichtig zu bedenken, dass alle Komponenten einige Parasiten und Eigenresonanzen haben, was bedeutet, dass das Impedanzverhältnis nur bis zu einer bestimmten Frequenz bestehen bleibt. Wenn Sie Komponenten mit höheren selbstresonanten Frequenzen verwenden, können Sie Gleichtaktstörungen bis zu viel höheren Frequenzen entfernen. Stellen Sie sicher, dass Sie die Übertragungsfunktion dieses Filterkreises simulieren, um die Grenzen der Geräuschunterdrückung in diesem System zu sehen.

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