Einige Techniken zur Unterdrückung von DC-DC-Wandler-EMI in IoT-Produkten

Dieser Li-Ionen-Akku ist höchstwahrscheinlich mit einem Schaltregler verbunden, um stabile Energie zu liefern.

Die Unterdrückung der EMI-Empfindlichkeit in IoT-Geräten aus verschiedenen Quellen ist entscheidend, um sicherzustellen, dass Ihr neues Produkt wie vorgesehen funktioniert. Ebenso sollte Ihr IoT-Produkt spurious Emissionen begrenzen, wenn es den EMC-Vorschriften entsprechen soll. Unter den verschiedenen Quellen von abgestrahltem EMI von Ihrem nächsten Produkt sollte auch das EMI innerhalb des Geräts selbst kontrolliert werden, um Signal- und Energieintegritätsprobleme zu verhindern.

Die Stromquelle(n) in Ihrem IoT-Gerät können eine problematische Quelle von abgestrahltem und geleitetem EMI sein, insbesondere Schalt-DC-DC-Wandler, die im Allgemeinen mit MHz-Schaltfrequenzen arbeiten. Höchstwahrscheinlich werden Sie mit mehreren DC-DC-Wandlern auf Ihrer Platine arbeiten. EMI von diesen Wandlern kann mit drahtlosen Empfängern interferieren, wenn einige wichtige Schritte zur Filterung von Rauschen und Isolierung der Empfänger nicht implementiert werden. Es gibt einige grundlegende Entwurfsschritte, die Sie während des Layouts unternehmen können, um EMI von DC-DC-Wandlern zu reduzieren und andere empfindliche Schaltkreise vor abgestrahltem und geleitetem EMI in Ihrer IoT-PCB zu schützen.

Es beginnt mit Ihrem Stackup

Wie bei den meisten Problemen der Signalintegrität und der Leistungsintegrität beginnt die Reduzierung von EMI bei DC-DC-Wandlern mit dem richtigen Stackup-Design. Funktionsreiche Platinen für IoT-Geräte werden wahrscheinlich Platinen mit mindestens 6 Lagen verwenden, um ausreichend Platz für Routing, Strom- und Masseebenen sowie Komponenten auf der Oberfläche der Platine zu bieten. Die Anzahl der Lagen ist weniger wichtig als die Anordnung der verschiedenen Lagen. Neuere Mobiltelefone sind vollständig auf Flex- oder Rigid-Flex umgestiegen, da diese zusätzlichen Raum für einen größeren Akku bieten.

Da Ihre DC-DC-Wandler-Schaltung auf der Oberflächenschicht sitzen wird, müssen Sie direkt unter der Oberflächenschicht eine Masseebene einfügen und diese so groß wie möglich machen. Dies bietet auch eine geeignete Referenzebene mit niedriger Schleifeninduktanz für andere Signale auf der Oberflächenschicht. Einige Datenblätter für ältere DC-DC-Wandler empfehlen, einen Teil der Masseebene um die Ausgangsspur vor dem Ausgangsinduktor wegzuschneiden. Obwohl dies für ältere Wandler, die niedrigere Schaltfrequenzen verwenden und auf höheren Signalebenen arbeiten, in Ordnung sein mag, ist dies aus Sicht der EMI bei neueren IoT-/Mobilgeräten schlecht.

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Auf den Innenlagen sollten Sie die Stromversorgungsebene neben einer Masseebene platzieren, um ausreichende Interplane-Kapazität für das Entkoppeln bereitzustellen. Diese Anordnung, zusätzlich zu sorgfältig platzierten Entkopplungskondensatoren, hilft, das Klingeln auf dem Strombus zu reduzieren. Dies ermöglicht auch das Stripline-Routing in den Innenlagen. Neben der Ausnutzung von Abschirmung in Ihrer Lagenanordnung sollte Ihr Ziel im Stackup-Design sein, Ihre PDN-Impedanz so niedrig wie möglich zu halten, um EMI durch Klingeln zu unterdrücken.

Isolation

Isolation gibt es in zwei Formen: Abstand und Abschirmung. Die Verwendung einer geerdeten Abschirmungsdose, um eine Schaltnetzteil mit hohem Stromausgang zu isolieren, ist eine offensichtliche Lösung, um zu verhindern, dass abgestrahlte EMI unbeabsichtigtes Schalten in benachbarten digitalen Schaltungen mit großer Schleifeninduktanz induziert. Sie benötigen möglicherweise keine Abschirmungsdosen in Ihrem IoT-Produkt, wenn es mit Batterie betrieben wird und sparsam mit Energie umgeht. Jedes geleitete Rauschen, das nicht zu intensiv ist, kann gefiltert werden (dies ist eine Verwendung des Ausgangskondensators).

Stattdessen können Sie wichtige Funktionsblöcke auf Ihrer Platine durch geerdete Kupferflächen oder Via-Zäune zwischen verschiedenen Bereichen trennen. Beachten Sie, dass Via-Zäune typischerweise für die Unterdrückung von abgestrahlter EMI bei einer einzelnen Wellenlänge optimiert sind (normalerweise die Frequenz, die der Kniefrequenz in Ihrem Schaltregler entspricht). Da Ihr Ziel darin besteht, abgestrahlte EMI daran zu hindern, mit drahtlosen Empfängern zu interferieren, sollten Sie die Empfängerschaltung weit entfernt vom Wandler platzieren. Obwohl der Wandler einige abgestrahlte Emissionen erzeugen wird, wird die Stärke dieser Emissionen bei einem Empfänger, der weiter entfernt von Ihrem Wandler positioniert ist, geringer sein.

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Wählen Sie die richtigen Komponenten

Die Komponenten in Ihrer DC-DC-Wandler-Schaltung spielen eine wichtige Rolle bei der Bereitstellung von EMI-Unterdrückung. Sie sollten Kondensatoren mit ausreichend hoher Eigenresonanzfrequenz (über der Kniefrequenz für das PWM-Signal in Ihrem Regler) verwenden, um sicherzustellen, dass sie die gewünschte kapazitive Impedanz liefern. Ihre Induktoren sollten ebenfalls von der abgeschirmten Variante sein, um das Magnetfeld besser einzuschränken.

Große IC-Hersteller haben die Initiative ergriffen, DC-DC-Wandler mit geringer EMI, kleinem Formfaktor und angemessenem Preis zu entwerfen. TI, Analog und NXP haben DC-DC-Wandler entwickelt, die die Ausgangsdrossel direkt in das Gehäuse integrieren. Sie können auch die erforderlichen Eingangs- und Ausgangskondensatoren direkt neben dem Gehäuse platzieren, um niedrige Induktivitätsschleifen zu gewährleisten, oder diese Komponenten beinhalten diese Kondensatoren innerhalb des IC-Gehäuses. Sie können diese Komponenten leicht in Ihre Platine einbinden, wenn Ihre Entwurfssoftware es Ihnen ermöglicht, nach Herstellerteilenummern zu suchen und diese Komponenten in Ihre Bibliotheken zu importieren.

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