Como Combater a EMI da Fonte de Alimentação na Sua PCB

As fontes de alimentação são um daqueles sistemas que todos tendemos a dar como garantidos. A primeira tarefa de todos na concepção de uma fonte de alimentação é geralmente garantir que a tensão e a corrente de saída atinjam o nível desejado, provavelmente seguido por considerações térmicas. No entanto, devido a questões de segurança, requisitos de EMC, o uso de frequências PWM mais altas e a necessidade de embalagens menores, a EMI da fonte de alimentação deve ser uma consideração de design principal. Ignorar a EMI da fonte de alimentação é um risco que o designer assume por conta própria, pois falhar em passar nos testes de EMC levará a uma série de redesenhos que desperdiçam tempo e dinheiro.

Com isso dito, quais são as principais fontes de EMI da fonte de alimentação e como os designers de fontes de alimentação podem mantê-las sob controle? A EMI de uma fonte de alimentação manifesta-se principalmente como EMI conduzida sendo direcionada a uma carga, mas também há EMI irradiada do dispositivo, particularmente ao projetar reguladores de comutação de alta corrente. Embora não possamos cobrir todas as fontes neste artigo, compilarei uma lista de estratégias que podem ajudá-lo a começar a resolver alguns problemas comuns de EMI da fonte de alimentação.

Encontre a Causa da EMI da Fonte de Alimentação

Como mencionei acima, as fontes de alimentação primariamente emitem EMI conduzida, embora possa haver EMI irradiada particularmente forte em fontes de alimentação chaveadas. Quando pensamos em EMI em fontes de alimentação, precisamos considerar a topologia, e se queremos abordar correntes indesejadas ou emissões indesejadas, ao planejar o layout da PCB. Um regulador linear simples ou um LDO terão menos problemas para abordar do que um regulador chaveado de alta frequência e alta corrente.

Na tabela abaixo, esbocei as três fontes comuns de EMI e suas causas em unidades de fonte de alimentação e em circuitos reguladores embarcados. Apenas por um momento, às vezes precisamos distinguir entre EMI que acontece dentro da fonte de alimentação e EMI que é recebida pela placa conectada à fonte de alimentação. Na realidade, a magnitude do EMI em cada tipo de sistema é uma questão de escala; os mecanismos fundamentais que produzem EMI são os mesmos em reguladores de potência embarcados e unidades de fonte de alimentação.

Volumes foram escritos sobre cada uma dessas áreas, e cada área não pode ser tomada isoladamente. Por exemplo, vários modos de operação (por exemplo, ressonância) e parâmetros de comutação (alta frequência PWM) podem combinar para produzir correntes de modo comum, que então geram algum EMI ou são conduzidas para componentes a jusante para reduzir a entrega total de energia.

Vamos olhar brevemente para cada uma dessas áreas para ver como elas se relacionam com EMI de fonte de alimentação.

Correntes de Modo Comum

Os drivers de correntes de modo comum são um pouco contraintuitivos. As correntes de modo comum são um efeito elétrico, ou seja, são impulsionadas por mudanças no campo elétrico, então as correntes de modo comum em fontes de alimentação são mediadas por capacitância parasita de volta ao chassis, em vez de indutância parasita. O gráfico abaixo mostra um exemplo de corrente de entrada em uma seção de regulação DC de uma fonte de alimentação aparecendo como ruído de modo comum nos trilhos PWR/GND.

Note que esse caminho de corrente pode aparecer no sistema mesmo após o ruído de modo comum de entrada ser filtrado da entrada AC principal. Ele também pode ter uma grande indutância de loop, criando um novo local para emitir ou receber EMI.

Por que isso deveria ocorrer inicialmente? A razão é que existe uma diferença de potencial entre o Ponto A no diagrama acima e o chassis, permitindo que alguma corrente conduza de volta para a rede elétrica via capacitância parasita. Um problema semelhante pode acontecer em placas Ethernet com seções de terra divididas, onde o ruído de modo comum pode acoplar ao lado PHY de um link de rede Ethernet.

A solução: Depende de como as correntes de modo comum estão entrando no sistema. Para correntes conduzidas a partir da rede AC, você vai querer alguma filtragem na saída da fonte de alimentação. Um indutor de modo comum é padrão, ou você pode usar um filtro de corrente de modo comum com topologia de passa-baixa. Um filtro pi pode ser usado para filtragem extra de ruído de modo diferencial. Em alguns sistemas, como switches Ethernet industriais, correntes de modo comum ocorrerão, mas seu trabalho é impedir que elas sejam conduzidas para circuitos sensíveis, acompanhando seus caminhos de retorno.

O Que Causa o Ringing Parasitário?

Na tabela acima, identifiquei algumas causas de oscilação que podem ocorrer, particularmente no modo de operação descontínuo. No entanto, os parasitas também podem causar a modificação das condições de amortecimento no design, levando a uma ressonância subamortecida com oscilação. Existem muitos parasitas encontrados em componentes reais que influenciarão a oscilação. A oscilação não é exatamente uma forma de EMI, pois é causada por elementos reativos em circuitos reais. No entanto, a oscilação em suas várias formas pode contribuir para outras formas de EMI (veja este artigo para um exemplo), portanto, deve ser incluída em uma discussão sobre EMI, especialmente em fontes de alimentação. Alguns parasitas que são participantes proeminentes na oscilação incluem:

• Indutância do fio-condutor do MOSFET, capacitância do corpo
• Capacitância de enrolamento do indutor/transformador
• Indutância parasita nos caminhos de corrente no layout da PCB
• Interação entre parasitas e elementos RLC intencionais no circuito

Os parasitas e componentes desejados no layout da fonte de alimentação formam um circuito RLC equivalente, que pode exibir uma ressonância subamortecida. A oscilação aparece como ruído de modo diferencial na saída, com espectro de potência se estendendo para frequências altas de MHz, dependendo da frequência de ressonância do circuito RLC equivalente formado pelos parasitas.

A solução: Utilize componentes com parasitas menores, o que pode significar componentes fisicamente maiores ou menores. Infelizmente, isso não é tão fácil quanto parece, tanto na prática quanto na simulação. Além disso, você precisa focar nos parasitas que mais importam no seu projeto, e terá que aceitar que seu layout nunca estará totalmente livre de parasitas.

EMI Radiada

A EMI radiada tem duas fontes principais. Primeiro, ocorre em rajadas em um regulador de comutação sempre que o MOSFET comuta, o que também gera alguma EMI conduzida que abrange um amplo espectro de potência (veja abaixo). Segundo, correntes de modo comum também são fontes de EMI radiada. O padrão de radiação dessas duas fontes pode ser muito complexo e abranger múltiplos harmônicos.

A solução: Você precisa usar filtragem de passa-baixa para tentar remover parte da EMI conduzida (modo diferencial) da saída da fonte de alimentação. A EMI radiada é significativamente reduzida ao focar na redução de correntes de modo comum, cuja radiação pode ser ~100x mais forte que a EMI radiada de modo diferencial (veja as medições de exemplo abaixo). A EMI radiada de comutação é em grande parte inevitável, embora possa ser suprimida com aterramento próximo à seção de comutação e garantindo roteamento de baixa indutância de loop.

Note que o espectro de EMI conduzido mostrado acima também pode aparecer no espectro de EMI irradiado. Isso também pode ser observado a partir de cristais de comutação, que podem irradiar fortemente devido a grandes indutâncias de laço ao longo do caminho da linha de sinal de relógio. O mesmo pode ocorrer quando um sinal PWM de alta frequência não é roteado próximo a um grande plano de referência. Este problema secundário está relacionado ao roteamento, em vez de simplesmente à natureza da comutação em MOSFETs ou outros componentes de comutação.

No caso de essas medidas não resolverem o problema, existem medidas de blindagem que podem ser implementadas na placa. A maioria dos projetistas provavelmente está familiarizada com latas de blindagem, que podem ser montadas na placa e usadas para direcionar circuitos específicos ou grupos de componentes. Então, há soluções de invólucro, como fitas condutivas, juntas condutivas, materiais de blindagem de malha e similares que podem ser montados no invólucro. Esteja atento a como você aterra essas soluções; o uso adequado necessário para criar uma gaiola de Faraday no design depende de como você definiu "terra" no seu sistema (ou seja, terra, chassi ou terra do sistema).

Diagnosticando Problemas de EMI em Fontes de Alimentação

As simulações SPICE são ótimas para examinar a topologia e o desempenho elétrico dos seus circuitos de fornecimento de energia, particularmente reguladores de comutação que podem produzir ruído conduzido ou ruído irradiado. No entanto, esses tipos de EMI não podem ser totalmente diagnosticados com simples simulações SPICE porque podem depender fortemente do layout físico. Uma utilidade de solver de campo pode ajudá-lo a identificar locais no layout com forte emissão irradiada, forte ressonância e correntes de modo comum. Fazer isso adequadamente requer importar seu design diretamente para uma utilidade de solver de campo para que a ferramenta possa considerar seu layout diretamente.

Quando você precisa investigar a EMI da fonte de alimentação e alterar seu design para reduzir a EMI, você pode usar o conjunto completo de ferramentas de design de PCB em Altium Designer®. Para cálculos mais avançados envolvendo EMI conduzida ou irradiada, os usuários do Altium Designer podem usar a extensão EDB Exporter para importar designs para os solvers de campo da Ansys. Este par de aplicativos de solver de campo e design ajuda você a verificar seu layout antes de começar uma série de prototipagem.

Quando você terminar seu projeto e quiser liberar os arquivos para o seu fabricante, a plataforma Altium 365™ facilita a colaboração e o compartilhamento dos seus projetos. Apenas começamos a explorar o que é possível fazer com o Altium Designer no Altium 365. Você pode verificar a página do produto para uma descrição mais detalhada das funcionalidades ou um dos Webinars Sob Demanda.