Come Ridurre il Rumore in Modo Comune nella Tua Alimentazione con il Bilanciamento dell'Impedenza

I circuiti di regolazione semplici che operano in spazi compatti, come su un piccolo PCB, possono di solito essere impiegati in ambienti rumorosi senza sovrapporre un rumore significativo sul livello di potenza in uscita. Finché disponi correttamente la scheda, probabilmente avrai bisogno solo di un semplice circuito di filtro per rimuovere l'EMI sugli ingressi e sulle uscite. Man mano che il regolatore diventa più grande, sia fisicamente che elettricamente, i problemi di rumore possono diventare molto più evidenti, in particolare l'EMI irradiato e l'EMI condotto nel layout del PCB.

Le correnti condotte in modo comune sono un problema tipico nei convertitori DC-DC con più masse, che sorge a causa del accoppiamento capacitivo. Il metodo standard è utilizzare un filtro sull'uscita, come con un induttore di modo comune, per affrontare il rumore comune-nodo condotto che raggiunge il nodo di uscita. Tuttavia, questo non fa nulla per sopprimere l'EMI irradiato che esiste nel circuito di corrente di modo comune, lasciandoti con lo schermaggio come ultima opzione. E se potessi sopprimere entrambi i tipi di rumore con meno necessità di schermaggio?

In questi tipi di convertitori di commutazione, è possibile utilizzare un approccio di bilanciamento dell'impedenza per sopprimere il rumore in modo comune al nodo di uscita dal vostro alimentatore. Questo segue un'idea semplice, dove il terra del sistema viene utilizzato come riferimento globale per definire l'impedenza sui nodi di uscita del vostro alimentatore. Vediamo come funziona e cosa dovreste investigare con le simulazioni nel vostro design.

Che cos'è il Bilanciamento dell'Impedenza?

Il bilanciamento dell'impedenza utilizza una configurazione a 3 conduttori (2 segnali, 1 GND) per raccogliere una misurazione della tensione differenziale con un amplificatore. Questa tecnica viene utilizzata nei cavi audio XLR come mezzo per garantire che un ricevitore differenziale possa annullare completamente il rumore in modo comune che potrebbe essere condotto attraverso il cavo. Mark Harris discute brevemente questo in un recente post sul blog, anche se ciò è stato fatto nel contesto dei sensori piuttosto che dell'audio o degli alimentatori.

L'idea centrale è impostare le impedenze dei due fili di segnale per essere uguali, il che garantirà che ogni lato a singolo terminale del cavo veda la stessa impedenza di ingresso al ricevitore e la reiezione del rumore in modo comune sia garantita al ricevitore differenziale.

Se ci pensi, la disposizione delle linee di segnale e della terra in questo sistema non è diversa dalle coppie differenziali su un PCB. In una coppia differenziale, ogni traccia ha la sua impedenza single-ended definita rispetto al piano di riferimento della coppia (in questo caso, un piano di terra). L'unica differenza tra il bilanciamento dell'impedenza e la segnalazione differenziale è che, in un interconnessione bilanciata per impedenza, non abbiamo bisogno di avere segnali uguali e opposti per V1 e V2; teoricamente potrebbero essere di qualsiasi valore. Il ricevitore misura quindi la tensione su ogni coppia rispetto al piano di riferimento.

Bilanciamento dell'Impedenza in un Convertitore di Commutazione

Il rumore in modo comune in un convertitore di commutazione si verifica a causa del accoppiamento capacitivo di ritorno al piano di riferimento più vicino, che tipicamente è il GND del telaio, oppure potrebbe essere un altro grande conduttore che fa parte del GND del sistema o schermatura dell'involucro. Questo può essere molto problematico nei layout di alimentatori di grandi dimensioni che forniscono alta corrente; la capacità parassita Cp (vedi sotto) può essere molto grande, fornendo un'impedenza molto bassa durante un evento di commutazione ad alto dI/dt nel circuito del convertitore di commutazione.

Da qui, possiamo vedere che le frecce viola tracciano un grande circuito di corrente. Anche se rimuoviamo le correnti condotte al carico con un filtro a modo comune, ci sarà una forte emissione irradiata dai circuiti di corrente a modo comune. Questo può accadere anche nelle topologie di convertitori a commutazione che utilizzano l'isolamento galvanico con un trasformatore, come un convertitore risonante LLC.

Una soluzione nel seguente circuito di convertitore boost consiste nel posizionare dei condensatori intorno all'induttore fino al terra del telaio, ma prima dei terminali POS_OUT e NEG_OUT. Qui, il polo negativo è collegato di nuovo al terra del sistema alla sorgente V1, il che può facilitare un percorso per il rumore a modo comune tra il polo negativo e il resto del sistema. L'aggiunta dei condensatori C1/C2 e dell'induttore L2 crea un circuito a ponte per il percorso seguito dal rumore a modo comune che fluisce nel MOSFET:

Utilizzando intenzionalmente i condensatori per collegare i poli alto e basso al terra, si creeranno due correnti che si propagano in direzioni opposte nel layout che imita un circuito a ponte. Il rumore a modo comune risultante viene eliminato quando si verifica la seguente condizione di impedenza:

Questo è discusso in modo molto più dettagliato nel seguente riferimento:

• Zhang, Shuaitao, et al. "Modellazione e Ottimizzazione della Tecnica di Bilanciamento dell'Impedenza per l'Attenuazione del Rumore in Modo Comune nei Convertitori DC-DC Boost." Electronics 9, n. 3 (2020): 480.

Infine, sono state discusse strategie simili per gli ingressi ADC differenziali e i driver dei motori in presenza di rumore dell'alimentazione elettrica:

• Bae, Bumhee, et al. "Tecniche di progettazione on-chip per ridurre gli effetti del rumore dell'alimentazione elettrica su ADC con struttura gerarchica chip-PCB." In 2012 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, pp. 549-553. IEEE, 2012.
• Chen, Ruirui, et al. "Riduzione del rumore in modo comune con bilanciamento dell'impedenza nei motori alimentati in DC." In 2018 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 2515-2520. IEEE, 2018.

Una volta creato il layout del PCB, è importante assicurarsi di implementare un routing simmetrico sui lati alto e basso del MOSFET. Questo è fondamentale perché stabilirà loop di corrente che si propagano in direzioni opposte e genereranno campi magnetici antiparalleli. Qualsiasi parte del tuo routing che non fa parte della cancellazione del rumore in modo comune avrà emissioni radiate in modo differenziale, che sono significativamente più deboli rispetto alle emissioni provenienti dalle correnti in modo comune.

Simula il Bilanciamento dell'Impedenza con i Parassiti

Nel circuito sopra menzionato, è importante ricordare che tutti i componenti hanno alcuni parassiti e auto-risonanza, il che significa che la relazione di impedenza sopra menzionata sarà valida solo fino a una specifica frequenza. Se utilizzi componenti con frequenze di auto-risonanza più elevate, puoi eliminare il rumore in modo comune fino a frequenze molto più alte. Assicurati di simulare la funzione di trasferimento di questo circuito di filtro per vedere i limiti della soppressione del rumore in questo sistema.

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