Jak zwalczać zakłócenia elektromagnetyczne zasilacza w Twojej płytce PCB

Zasilacze to jeden z tych systemów, które zwykle traktujemy jako oczywistość. Pierwszym zadaniem każdego projektanta zasilacza jest zazwyczaj zapewnienie, że napięcie i prąd wyjściowy osiągają pożądany poziom, prawdopodobnie po czym następują rozważania termiczne. Jednakże, ze względu na kwestie bezpieczeństwa, wymagania EMC, stosowanie wyższych częstotliwości PWM oraz potrzebę mniejszych opakowań, EMI zasilacza powinno być głównym elementem rozważań projektowych. Ignorowanie EMI zasilacza jest ryzykowne dla projektanta, ponieważ niezaliczenie testów EMC prowadzi do licznych przeprojektowań, które marnują czas i pieniądze.

Z tym na uwadze, jakie są główne źródła EMI zasilacza i jak projektanci zasilaczy mogą je kontrolować? EMI z zasilacza głównie objawia się jako przewodzone EMI, które jest kierowane do obciążenia, ale występuje również promieniowane EMI z urządzenia, szczególnie podczas projektowania regulatorów przełączających o wysokim prądzie. Chociaż w tym artykule nie możemy omówić każdego pojedynczego źródła, skompiluję listę strategii, które mogą pomóc Ci rozpocząć rozwiązywanie niektórych typowych problemów z EMI zasilacza.

Znajdź przyczynę EMI zasilacza

Jak wspomniałem powyżej, zasilacze głównie generują przewodzone zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), chociaż w przypadku zasilaczy impulsowych mogą wystąpić szczególnie silne zakłócenia promieniowane. Myśląc o EMI w zasilaczach, musimy rozważyć topologię oraz to, czy chcemy adresować niechciane prądy czy niechciane emisje, planując układ płytki PCB. Prosty regulator liniowy lub LDO będzie miał mniej problemów do rozwiązania niż wysokoczęstotliwościowy, wysokoprądowy regulator impulsowy.

W poniższej tabeli przedstawiłem trzy powszechne źródła EMI oraz ich przyczyny w jednostkach zasilających i obwodach regulatorów na pokładzie. Chwilami musimy rozróżnić między EMI, które występuje wewnątrz zasilacza, a EMI, które jest odbierane przez płytę podłączoną do zasilacza. W rzeczywistości, wielkość EMI w każdym typie systemu to kwestia skali; fundamentalne mechanizmy produkujące EMI są takie same w wbudowanych regulatorach mocy i jednostkach zasilających.

Napisano wiele tomów na temat każdego z tych obszarów, i żaden z nich nie może być rozpatrywany oddzielnie. Na przykład, różne tryby pracy (np. dzwonienie) i parametry przełączania (wysoka częstotliwość PWM) mogą łączyć się, tworząc prądy wspólnego trybu, które następnie generują pewne EMI lub są przewodzone do komponentów znajdujących się dalej w celu zmniejszenia całkowitej dostawy mocy.

Spójrzmy krótko na każdy z tych obszarów, aby zobaczyć, jak są one związane z EMI zasilacza.

Prądy wspólnego trybu

Siły napędowe prądów wspólnych (common-mode) są nieco nieintuicyjne. Prądy wspólne są efektem elektrycznym, co oznacza, że są napędzane przez zmiany w polu elektrycznym, więc prądy wspólne w zasilaczach są pośredniczone przez pojemności pasożytnicze w stosunku do obudowy, a nie przez indukcyjność pasożytniczą. Grafika poniżej pokazuje przykład prądu wejściowego w sekcji regulacji napięcia stałego zasilacza, pojawiającego się jako szum wspólny na szynach PWR/GND.

Należy zauważyć, że ta ścieżka prądu może pojawić się w systemie nawet po odfiltrowaniu szumu wspólnego wejściowego z wejścia sieci AC. Może ona również mieć bardzo dużą indukcyjność pętli, tworząc nowe miejsce do emisji lub odbioru EMI.

Dlaczego w ogóle ma to miejsce? Powodem jest różnica potencjałów między punktem A na powyższym diagramie a obudową, co pozwala na przewodzenie prądu z powrotem do sieci za pośrednictwem pojemności pasożytniczej. Podobny problem może wystąpić na płytach Ethernetowych z podzielonymi sekcjami uziemienia, gdzie szum wspólny może sprzęgać się z PHY stroną łącza sieci Ethernet.

Rozwiązanie: Zależy to od sposobu, w jaki prądy wspólne wnikają do systemu. W przypadku prądów przewodzonych z sieci AC, będziesz chciał zastosować pewnego rodzaju filtrację na wyjściu zasilacza. Standardem jest dławik trybu wspólnego, lub możesz użyć filtra prądów wspólnych z topologią dolnoprzepustową. Filtr pi może być użyty do dodatkowej filtracji szumów różnicowych. W niektórych systemach, takich jak przemysłowe przełączniki Ethernet, prądy wspólne będą występować, ale twoim zadaniem jest zapobieganie ich przewodzeniu do wrażliwych obwodów poprzez śledzenie twoich ścieżek powrotnych.

Co powoduje pasożytnicze dzwonienie?

W powyższej tabeli zidentyfikowałem kilka przyczyn powstawania dzwonienia, które mogą wystąpić, szczególnie w trybie pracy nieciągłej. Jednakże, pasożytnicze elementy mogą również spowodować zmianę warunków tłumienia w projekcie, prowadząc do niedotłumionej rezonansu z dzwonieniem. W rzeczywistych komponentach znajduje się wiele pasożytniczych elementów, które będą wpływać na dzwonienie. Dzwonienie nie jest dokładnie formą EMI, ponieważ jest spowodowane przez reaktywne elementy w rzeczywistych obwodach. Jednakże, dzwonienie w różnych formach może przyczyniać się do innych form EMI (zobacz ten artykuł jako przykład), więc powinno być uwzględnione w dyskusji na temat EMI, szczególnie w zasilaczach. Niektóre pasożytnicze elementy, które są wyraźnymi uczestnikami w dzwonieniu, to:

• Indukcyjność przewodów MOSFET, pojemność ciała
• Pojemność uzwojenia induktora/transformatora
• Pasożytnicza indukcyjność w ścieżkach prądowych na układzie PCB
• Interakcja między pasożytniczymi elementami a zamierzonymi elementami RLC w obwodzie

Pasożytnicze elementy i pożądane komponenty w układzie zasilacza tworzą równoważny obwód RLC, który może wykazywać niedotłumioną rezonans. Dzwonienie pojawia się jako szum różnicowy na wyjściu z widmem mocy rozciągającym się do wysokich częstotliwości MHz, w zależności od częstotliwości rezonansowej równoważnego obwodu RLC utworzonego przez pasożytnicze elementy.

Rozwiązanie: Użyj komponentów z mniejszymi pasożytniczymi, co może oznaczać komponenty fizycznie większe lub mniejsze. Niestety, nie jest to takie proste, zarówno w praktyce, jak i w symulacji. Ponadto, musisz skupić się na pasożytniczych, które mają największe znaczenie w twoim projekcie, i musisz zaakceptować, że układ nigdy nie będzie całkowicie wolny od pasożytniczych.

Wypromieniowane EMI

Wypromieniowane EMI ma dwa główne źródła. Po pierwsze, pojawia się w postaci serii w regulatorze przełączającym za każdym razem, gdy tranzystor MOSFET przełącza, co generuje również pewne przewodzone EMI obejmujące szerokie spektrum mocy (patrz poniżej). Po drugie, prądy wspólnego trybu są również źródłami wypromieniowanego EMI. Wzór promieniowania z tych dwóch źródeł może być bardzo złożony i może obejmować wiele harmonicznych.

Rozwiązanie: Musisz użyć filtracji dolnoprzepustowej, aby spróbować usunąć niektóre przewodzone (różnicowe) EMI z wyjścia zasilacza. Wypromieniowane EMI jest znacznie redukowane przez skupienie się na redukcji prądów wspólnego trybu, których promieniowanie może być ~100x silniejsze niż różnicowe wypromieniowane EMI (patrz poniższe przykładowe pomiary). Wypromieniowane EMI z przełączania jest w dużej mierze nieuniknione, chociaż może być tłumione przez użycie masy w pobliżu sekcji przełączającej i zapewnienie niskiej indukcyjności pętli trasowania.

Należy zauważyć, że przedstawione powyżej spektrum EMI przewodzonego może również pojawić się w spektrum EMI promieniowanego. Można to również zaobserwować na przykładzie przełączających kryształów, które mogą silnie promieniować z powodu dużych indukcyjności pętli wzdłuż ścieżki linii sygnału zegarowego. To samo może wystąpić, gdy sygnał PWM o wysokiej częstotliwości nie jest prowadzony blisko dużej płaszczyzny odniesienia. Ten drugorzędny problem jest związany z trasowaniem, a nie tylko z naturą przełączania w tranzystorach MOSFET lub innych komponentach przełączających.

W przypadku, gdy te środki nie przynoszą rezultatów, można zastosować na płytce środki ekranujące. Większość projektantów prawdopodobnie zna puszki ekranujące, które można montować do płytki i używać do celowania w określone obwody lub grupy komponentów. Następnie są rozwiązania obudowy, takie jak taśmy przewodzące, uszczelki przewodzące, materiały ekranujące siatkowe i tym podobne, które można montować do obudowy. Bądź świadomy, jak uziemiasz te rozwiązania; właściwe użycie wymagane do stworzenia klatki Faradaya w projekcie zależy od tego, jak zdefiniowałeś "ziemię" w swoim systemie (tj. ziemia, masa szkieletowa, lub masa systemowa).

Diagnozowanie problemów z EMI w zasilaczach

Symulacje SPICE są świetne do badania topologii i wydajności elektrycznej obwodów zasilających, szczególnie regulatorów przełączających, które mogą generować hałas przewodzony lub promieniowany. Jednak tego typu EMI nie można w pełni zdiagnozować za pomocą prostych symulacji SPICE, ponieważ mogą one w dużym stopniu zależeć od fizycznego układu. Narzędzie do rozwiązywania problemów z polami może pomóc zidentyfikować miejsca w układzie, w których występują silne emisje promieniowane, silne dzwonienie i prądy wspólnego trybu. Aby to zrobić prawidłowo, wymaga zaimportowania projektu bezpośrednio do narzędzia do rozwiązywania problemów z polami, aby narzędzie mogło bezpośrednio uwzględnić Twój układ.

Kiedy potrzebujesz zbadać EMI zasilacza i zmienić projekt, aby zredukować EMI, możesz użyć kompletnego zestawu narzędzi do projektowania PCB w Altium Designer®. Dla bardziej zaawansowanych obliczeń dotyczących przewodzonego lub promieniowanego EMI, użytkownicy Altium Designer mogą użyć rozszerzenia EDB Exporter do importowania projektów do rozwiązań polowych Ansys. Ta para aplikacji do rozwiązywania problemów z polami i projektowania pomaga zweryfikować Twój układ, zanim rozpoczniesz serię prototypów.

Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał udostępnić pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365 ułatwia współpracę i dzielenie się projektami. To tylko wierzchołek góry lodowej możliwości, jakie daje Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu, aby uzyskać bardziej szczegółowy opis funkcji lub obejrzeć jedno z Webinarów na Żądanie.