Как бороться с электромагнитными помехами от источника питания на вашей печатной плате

Блоки питания - это одна из тех систем, на которые мы все склонны закрывать глаза. Первая задача каждого при проектировании блока питания, как правило, заключается в том, чтобы обеспечить достижение желаемого уровня напряжения и тока, вероятно, за которым следуют тепловые соображения. Однако из-за вопросов безопасности, требований EMC, использования более высоких частот ШИМ и необходимости меньшей упаковки, помехоустойчивость блока питания должна стать важным аспектом проектирования. Игнорирование помехоустойчивости блока питания может стать рискованным для разработчика, поскольку неудача в прохождении тестирования на EMC приведет к множеству переделок, тратящих время и деньги.

С учетом сказанного, каковы основные источники помехоустойчивости блока питания и как разработчики блоков питания могут держать их под контролем? Помехи от блока питания в основном проявляются как проводимые помехи, передаваемые на нагрузку, но также существуют излучаемые помехи от устройства, особенно при проектировании высокотоковых переключающих регуляторов. Хотя мы не можем охватить каждый отдельный источник в этой статье, я составлю список стратегий, которые помогут вам начать решение некоторых распространенных проблем с помехоустойчивостью блока питания.

Найдите причину помехоустойчивости блока питания

Как я упоминал выше, источники питания в первую очередь генерируют проводимые помехи, хотя в импульсных источниках питания могут возникать особенно сильные излучаемые помехи. Когда мы думаем о помехах в источниках питания, нам нужно учитывать топологию и решать, хотим ли мы бороться с нежелательными токами или нежелательными излучениями при планировании разводки печатной платы. Простой линейный регулятор или LDO будут иметь меньше проблем, чем высокочастотный, высокотоковый импульсный регулятор.

В таблице ниже я описал три общих источника помех и их причины в блоках питания и на бортовых регуляторах. Иногда нам нужно различать помехи, возникающие внутри источника питания, и помехи, которые принимает подключенная к нему плата. На самом деле, масштаб помех в каждом типе системы отличается; фундаментальные механизмы, порождающие помехи, одинаковы как во встроенных регуляторах питания, так и в блоках питания.

О каждой из этих областей написаны тома, и каждую область нельзя рассматривать изолированно. Например, различные режимы работы (например, звонок) и параметры коммутации (высокая частота ШИМ) могут сочетаться для создания токов общего режима, которые затем генерируют некоторые ЭМП или передаются на последующие компоненты для снижения общей мощности передачи.

Давайте кратко рассмотрим каждую из этих областей, чтобы увидеть, как они связаны с ЭМП блока питания.

Токи общего режима

Драйверы общемодовых токов немного нелогичны. Общемодовые токи являются электрическим эффектом, то есть вызваны изменениями в электрическом поле, так что общемодовые токи в источниках питания опосредуются через паразитную ёмкость обратно к шасси, а не через паразитную индуктивность. На графике ниже показан пример входного тока в секции регулирования постоянного тока источника питания, проявляющегося как общемодовый шум на шинах PWR/GND.

Обратите внимание, что этот путь тока может появиться в системе даже после того, как общемодовый шум на входе от сети переменного тока будет отфильтрован. Кроме того, он может иметь очень большую петлю индуктивности, создавая новое место для излучения или приема ЭМИ.

Почему это вообще должно происходить? Причина в том, что между точкой А на приведенной выше диаграмме и шасси существует разность потенциалов, позволяющая некоторому току проводиться обратно к сети через паразитную ёмкость. Аналогичная проблема может возникнуть на платах Ethernet с разделенными земляными участками, где общемодовый шум может связываться с PHY стороной сетевого соединения Ethernet.

Решение: Это зависит от того, как общий режим токов попадает в систему. Для проводимых токов от сети переменного тока вам потребуется некоторая фильтрация на выходе блока питания. Стандартным решением является дроссель общего режима, или вы можете использовать фильтр общего режима тока с топологией низкочастотного фильтра. Пи-фильтр можно использовать для дополнительной фильтрации шума дифференциального режима. В некоторых системах, например, в промышленных Ethernet-коммутаторах, токи общего режима будут возникать, но ваша задача - предотвратить их проведение в чувствительные цепи, отслеживая ваши пути возврата.

Что вызывает паразитное звонение?

В приведенной выше таблице я определил несколько причин возникновения колебаний, которые могут происходить, особенно при работе в разрывном режиме. Однако паразитные элементы также могут изменять условия для демпфирования в конструкции, приводя к недостаточно затухающему резонансу с колебаниями. Существует множество паразитных элементов в реальных компонентах, которые будут влиять на колебания. Колебания не являются точной формой ЭМП, поскольку они вызваны реактивными элементами в реальных схемах. Тем не менее, колебания в различных формах могут способствовать другим формам ЭМП (см. эту статью для примера), поэтому их следует включать в обсуждение ЭМП, особенно в источниках питания. Некоторые паразитные элементы, которые являются заметными участниками в колебаниях, включают:

• индуктивность выводов MOSFET, емкость корпуса
• емкость обмоток индуктора/трансформатора
• паразитная индуктивность в токовых путях на печатной плате
• взаимодействие между паразитными элементами и преднамеренными элементами RLC в схеме

Паразитные элементы и желаемые компоненты в конструкции источника питания формируют эквивалентную RLC-схему, которая может проявлять недостаточно затухающий резонанс. Колебания проявляются как дифференциальный шум на выходе с энергетическим спектром, простирающимся до высоких частот МГц, в зависимости от резонансной частоты эквивалентной RLC-схемы, сформированной паразитными элементами.

Решение: Используйте компоненты с меньшими паразитными параметрами, что может означать использование как физически больших, так и меньших компонентов. К сожалению, это не так просто, как кажется, как на практике, так и в симуляции. Кроме того, вам нужно сосредоточиться на паразитных параметрах, которые наиболее важны для вашего дизайна, и вам придется принять, что ваша компоновка никогда не будет полностью свободна от паразитных параметров.

Излучаемые электромагнитные помехи

Излучаемые электромагнитные помехи имеют два основных источника. Во-первых, они возникают всплесками в коммутируемом регуляторе каждый раз, когда переключается MOSFET, что также генерирует некоторые проводимые электромагнитные помехи, охватывающие широкий спектр мощности (см. ниже). Во-вторых, общий режим токов также является источником излучаемых электромагнитных помех. Радиационная картина от этих двух источников может быть очень сложной и охватывать множество гармоник.

Решение: Вам нужно использовать фильтры нижних частот, чтобы попытаться устранить некоторые проводимые (дифференциальные) электромагнитные помехи от выхода источника питания. Излучаемые электромагнитные помехи значительно снижаются за счет сосредоточения на уменьшении токов общего режима, чье излучение может быть примерно в 100 раз сильнее, чем излучаемые электромагнитные помехи дифференциального режима (см. примеры измерений ниже). Излучаемые электромагнитные помехи от переключения во многом неизбежны, хотя их можно подавить с помощью заземляющего слоя рядом с переключающим участком и обеспечения маршрутизации с низкой индуктивностью петли.

Обратите внимание, что показанный выше спектр проводимых ЭМП также может появиться в спектре излучаемых ЭМП. Это также можно наблюдать на примере переключающихся кристаллов, которые могут сильно излучать из-за больших индуктивностей петли вдоль пути линии сигнала часов. То же самое может произойти, когда высокочастотный сигнал ШИМ не прокладывается рядом с большой опорной плоскостью. Эта вторичная проблема связана с маршрутизацией, а не просто с природой переключения в МОП-транзисторах или других переключающих компонентах.

В случае, если эти меры не сработают, на плате можно реализовать меры экранирования. Большинство конструкторов, вероятно, знакомы с экранирующими кожухами, которые можно монтировать на плату и использовать для защиты конкретных схем или групп компонентов. Затем есть решения для корпуса, такие как проводящие ленты, проводящие прокладки, материалы для сетчатого экранирования и подобные, которые можно монтировать на корпус. Будьте внимательны к тому, как вы заземляете эти решения; правильное использование, необходимое для создания клетки Фарадея в конструкции, зависит от того, как вы определили "землю" в вашей системе (т.е. земля, шасси или системная земля).

Диагностика проблем с ЭМП в источниках питания

Симуляции SPICE отлично подходят для изучения топологии и электрических характеристик ваших схем питания, особенно коммутируемых регуляторов, которые могут создавать проводимые или излучаемые помехи. Однако такие типы ЭМП нельзя полностью диагностировать с помощью простых симуляций SPICE, поскольку они могут в значительной степени зависеть от физической компоновки. Утилита решения полевых задач может помочь вам определить места на плате с сильными излучаемыми помехами, сильным звоном и общими режимами токов. Для этого правильно требуется импортировать ваш дизайн непосредственно в утилиту решения полевых задач, чтобы инструмент мог непосредственно учитывать вашу компоновку.

Когда вам нужно исследовать ЭМП источника питания и изменить ваш дизайн для снижения ЭМП, вы можете использовать полный набор инструментов для проектирования печатных плат в Altium Designer®. Для более сложных расчетов, связанных с проводимыми или излучаемыми ЭМП, пользователи Altium Designer могут использовать расширение EDB Exporter для импорта дизайнов в полевые решатели Ansys. Эта пара приложений для решения полевых задач и проектирования помогает вам проверить вашу компоновку перед началом прототипирования.

Когда вы закончили свой проект и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упрощает сотрудничество и обмен проектами. Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Вы можете посетить страницу продукта для более подробного описания функций или один из Вебинаров по запросу.