Come combattere l'EMI dell'alimentazione nella tua PCB

Le alimentazioni sono uno di quei sistemi che tutti tendiamo a dare per scontati. Il primo compito di chiunque si occupi di progettazione di alimentatori è solitamente assicurare che il livello di tensione e corrente raggiunga il livello desiderato, probabilmente seguito da considerazioni termiche. Tuttavia, a causa di questioni di sicurezza, requisiti EMC, l'uso di frequenze PWM più elevate e la necessità di un imballaggio più piccolo, l'EMI dell'alimentatore dovrebbe essere una considerazione di progettazione principale. Ignorare l'EMI dell'alimentatore è un rischio che il progettista assume a proprio rischio, poiché non superare i test EMC porterà a una serie di ridisegni che sprecano tempo e denaro.

Detto ciò, quali sono le principali fonti di EMI dell'alimentatore e come possono i progettisti di alimentatori tenerle sotto controllo? L'EMI da un alimentatore si manifesta principalmente come EMI condotta che viene trasmessa a un carico, ma c'è anche EMI irradiata dal dispositivo, in particolare quando si progettano regolatori di commutazione ad alta corrente. Anche se non possiamo coprire ogni singola fonte in questo articolo, compilerò un elenco di strategie che possono aiutarti a iniziare a risolvere alcuni comuni problemi di EMI dell'alimentatore.

Trova la Causa dell'EMI dell'Alimentatore

Come ho menzionato sopra, le alimentazioni principalmente emettono EMI condotte, sebbene ci possa essere un EMI irradiato particolarmente forte nelle alimentazioni a commutazione. Quando pensiamo all'EMI nelle alimentazioni, dobbiamo considerare la topologia, e se vogliamo affrontare correnti indesiderate o emissioni indesiderate, quando pianifichiamo il layout del PCB. Un semplice regolatore lineare o un LDO avranno meno problemi da affrontare rispetto a un regolatore di commutazione ad alta frequenza e ad alta corrente.

Nella tabella sottostante, ho delineato le tre fonti comuni di EMI e le loro cause nelle unità di alimentazione e nei circuiti regolatori on-board. Solo per un momento, a volte dobbiamo distinguere tra EMI che si verifica all'interno dell'alimentazione e EMI che è ricevuto dalla scheda collegata all'alimentazione. In realtà, la grandezza dell'EMI in ciascun tipo di sistema è una questione di scala; i meccanismi fondamentali che producono EMI sono gli stessi nei regolatori di potenza integrati e nelle unità di alimentazione.

Sono stati scritti volumi su ciascuna di queste aree, e nessuna area può essere presa isolatamente. Ad esempio, vari modi di funzionamento (ad es., oscillazioni) e parametri di commutazione (alta frequenza PWM) possono combinarsi per produrre correnti in modo comune, che poi generano dell'EMI o vengono condotte ai componenti a valle per ridurre la consegna totale di potenza.

Diamo un'occhiata rapida a ciascuna di queste aree per vedere come si relazionano all'EMI dell'alimentatore.

Correnti in modo comune

I driver delle correnti in modo comune sono un po' controintuitivi. Le correnti in modo comune sono un effetto elettrico, il che significa che sono guidate da cambiamenti nel campo elettrico, quindi le correnti in modo comune negli alimentatori sono mediate dalla capacità parassita verso il telaio, piuttosto che dall'induttanza parassita. La grafica qui sotto mostra un esempio di corrente di ingresso in una sezione di regolazione DC di un alimentatore che appare come rumore in modo comune sui binari PWR/GND.

Da notare che questo percorso di corrente può apparire nel sistema anche dopo che il rumore in modo comune di ingresso è filtrato dall'ingresso AC principale. Può anche avere un'induttanza di loop molto grande, creando una nuova posizione per emettere o ricevere EMI.

Perché dovrebbe verificarsi in primo luogo? Il motivo è che esiste una differenza di potenziale tra il Punto A nel diagramma sopra e il telaio, permettendo a una certa corrente di condurre indietro verso i principali tramite capacità parassita. Un problema simile può verificarsi nelle schede Ethernet con sezioni di terra divise, dove il rumore in modo comune può accoppiarsi al lato PHY di un collegamento di rete Ethernet.

La soluzione: Dipende da come le correnti in modo comune entrano nel sistema. Per le correnti condotte dalla rete AC, vorrai un po' di filtraggio sull'uscita dell'alimentatore. Un induttore di modo comune è standard, oppure puoi usare un filtro di corrente di modo comune con topologia a passa basso. Un filtro a pi può essere utilizzato per un filtraggio extra del rumore in modo differenziale. In alcuni sistemi, come gli switch Ethernet industriali, le correnti in modo comune si verificheranno, ma il tuo compito è impedire che si conducano in circuiti sensibili tracciando i tuoi percorsi di ritorno.

Cosa causa il ronzio parassitario?

Nella tabella sopra, ho identificato alcune cause del fenomeno di ringing che possono verificarsi, in particolare nella modalità di funzionamento discontinuo. Tuttavia, i parassiti possono anche modificare le condizioni per lo smorzamento nel progetto, portando a una risonanza sottosmorzata con ringing. Ci sono molti parassiti presenti nei componenti reali che influenzeranno il ringing. Il ringing non è esattamente una forma di EMI poiché è causato da elementi reattivi nei circuiti reali. Tuttavia, il ringing nelle sue varie forme può contribuire ad altre forme di EMI (vedi questo articolo per un esempio), quindi dovrebbe essere incluso in una discussione sull'EMI, specialmente negli alimentatori. Alcuni parassiti che sono partecipanti prominenti nel ringing includono:

• Induttanza dei fili di collegamento dei MOSFET, capacità del corpo
• Capacità di avvolgimento dell'induttore/trasformatore
• Induttanza parassita nei percorsi di corrente nel layout del PCB
• Interazione tra parassiti e elementi RLC intenzionali nel circuito

I parassiti e i componenti desiderati nel layout dell'alimentatore formano un circuito RLC equivalente, che potrebbe mostrare una risonanza sottosmorzata. Il ringing appare come rumore in modalità differenziale sull'uscita con uno spettro di potenza che si estende fino ad alte frequenze MHz, a seconda della frequenza di risonanza del circuito RLC equivalente formato dai parassiti.

La soluzione: Utilizzare componenti con parasitiche minori, il che potrebbe significare componenti fisicamente più grandi o più piccoli. Sfortunatamente, questo non è facile come sembra, sia nella pratica che nella simulazione. Inoltre, è necessario concentrarsi sulle parasitiche che contano di più nel proprio progetto, e bisogna accettare che il proprio layout non sarà mai completamente libero da parasitiche.

EMI irradiata

L'EMI irradiata ha due principali fonti. Prima, si verifica a scatti in un regolatore di commutazione ogni volta che il MOSFET commuta, generando anche dell'EMI condotta che si estende su un ampio spettro di potenza (vedi sotto). Secondo, le correnti in modalità comune sono anche fonti di EMI irradiata. Il modello di radiazione da queste due fonti può essere molto complesso e può estendersi su più armoniche.

La soluzione: È necessario utilizzare un filtraggio passa-basso per cercare di rimuovere parte dell'EMI condotta (in modalità differenziale) dall'uscita dell'alimentatore. L'EMI irradiata è significativamente ridotta concentrandosi sulla riduzione delle correnti in modalità comune, la cui radiazione può essere ~100 volte più forte dell'EMI irradiata in modalità differenziale (vedi le misurazioni di esempio sotto). L'EMI irradiata dalla commutazione è in gran parte inevitabile, sebbene possa essere soppressa con un riempimento di terra vicino alla sezione di commutazione e assicurando un routing a bassa induttanza del loop.

Si noti che lo spettro EMI condotto mostrato sopra potrebbe apparire anche nello spettro EMI irradiato. Questo può essere osservato anche dai cristalli di commutazione, che possono irradiare fortemente a causa delle grandi induttanze di loop lungo il percorso della linea del segnale di orologio. Lo stesso può verificarsi quando un segnale PWM ad alta frequenza non è instradato vicino a un grande piano di riferimento. Questo problema secondario è legato all'instradamento, piuttosto che semplicemente alla natura della commutazione nei MOSFET o in altri componenti di commutazione.

Nel caso in cui queste misure non risolvano il problema, ci sono misure di schermatura che possono essere implementate sulla scheda. La maggior parte dei progettisti probabilmente conosce le scatole di schermatura, che possono essere montate sulla scheda e possono essere utilizzate per indirizzare specifici circuiti o gruppi di componenti. Poi ci sono soluzioni per l'involucro, come nastri conduttivi, guarnizioni conduttive, materiali di schermatura a maglia, e simili che possono essere montati sull'involucro. Prestare attenzione a come si collegano a terra queste soluzioni; l'uso corretto richiesto per creare una gabbia di Faraday nel progetto dipende da come avete definito "terra" nel vostro sistema (ad es., terra, telaio o terra di sistema).

Diagnosi dei Problemi EMI negli Alimentatori

Le simulazioni SPICE sono ottime per esaminare la topologia e le prestazioni elettriche dei circuiti di alimentazione, in particolare i regolatori di commutazione che possono produrre rumore condotto o rumore irradiato. Tuttavia, questi tipi di EMI non possono essere completamente diagnosticati con semplici simulazioni SPICE perché possono dipendere così fortemente dal layout fisico. Un'utilità di risoluzione dei campi può aiutarti a identificare le posizioni nel layout con forte emissione irradiata, forte ronzio e correnti in modo comune. Fare ciò correttamente richiede importare direttamente il tuo progetto in un'utilità di risoluzione dei campi in modo che lo strumento possa considerare direttamente il tuo layout.

Quando hai bisogno di indagare sull'EMI dell'alimentatore e modificare il tuo progetto per ridurre l'EMI, puoi utilizzare il set completo di strumenti di progettazione PCB in Altium Designer®. Per calcoli più avanzati che coinvolgono EMI condotto o irradiato, gli utenti di Altium Designer possono utilizzare l'estensione EDB Exporter per importare progetti nei risolutori di campo Ansys. Questa coppia di applicazioni di risoluzione dei campi e di progettazione ti aiuta a verificare il tuo layout prima di iniziare una serie di prototipi.

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