Cách Chống lại Nhiễu EMI từ Nguồn Cấp trong PCB của Bạn

Nguồn cung cấp điện là một trong những hệ thống mà chúng ta thường có xu hướng coi nhẹ. Nhiệm vụ đầu tiên của mọi người khi thiết kế nguồn cung cấp điện thường là đảm bảo đầu ra điện áp và dòng điện đạt đến mức mong muốn, có lẽ tiếp theo là các vấn đề về nhiệt. Tuy nhiên, do các vấn đề an toàn, yêu cầu EMC, việc sử dụng tần số PWM cao hơn và nhu cầu về bao bì nhỏ gọn hơn, EMI của nguồn cung cấp điện nên được coi là một yếu tố quan trọng trong thiết kế. Việc bỏ qua EMI của nguồn cung cấp điện là rủi ro mà nhà thiết kế tự gánh chịu vì không vượt qua được kiểm tra EMC sẽ dẫn đến việc phải thiết kế lại nhiều lần, lãng phí thời gian và tiền bạc.

Với điều đó được nói, những nguồn gốc chính của EMI từ nguồn cung cấp điện là gì và làm thế nào các nhà thiết kế nguồn cung cấp điện có thể kiểm soát chúng? EMI từ nguồn cung cấp điện chủ yếu biểu hiện dưới dạng EMI dẫn truyền được đưa đến tải, nhưng cũng có EMI bức xạ từ thiết bị, đặc biệt khi thiết kế các bộ điều chỉnh chuyển mạch dòng cao. Mặc dù chúng ta không thể đề cập đến mọi nguồn gốc trong bài viết này, tôi sẽ biên soạn một danh sách các chiến lược có thể giúp bạn bắt đầu giải quyết một số vấn đề EMI phổ biến của nguồn cung cấp điện.

Tìm Nguyên Nhân của EMI Nguồn Cung Cấp Điện

Như tôi đã đề cập ở trên, nguồn cung cấp điện chủ yếu phát ra EMI dẫn truyền, mặc dù có thể có EMI bức xạ mạnh đặc biệt trong nguồn cung cấp điện chuyển mạch. Khi chúng ta nghĩ về EMI trong nguồn cung cấp điện, chúng ta cần xem xét topologi, và liệu chúng ta muốn giải quyết dòng điện không mong muốn hay phát thải không mong muốn, khi lên kế hoạch bố trí PCB. Một bộ điều chỉnh tuyến tính đơn giản hoặc một LDO sẽ có ít vấn đề cần giải quyết hơn so với một bộ điều chỉnh chuyển mạch tần số cao, dòng điện cao.

Trong bảng dưới đây, tôi đã trình bày ba nguồn phổ biến của EMI và nguyên nhân của chúng trong các đơn vị nguồn cung cấp điện và trong mạch điều chỉnh trên bo mạch. Chỉ trong một khoảnh khắc, chúng ta đôi khi cần phân biệt giữa EMI xảy ra bên trong nguồn cung cấp điện và EMI được bo mạch kết nối với nguồn cung cấp điện nhận. Trên thực tế, mức độ của EMI trong mỗi loại hệ thống là vấn đề của quy mô; các cơ chế cơ bản sản xuất EMI giống nhau trong các bộ điều chỉnh điện năng tích hợp và các đơn vị nguồn cung cấp điện.

Nhiều tập sách đã được viết về từng lĩnh vực này, và mỗi lĩnh vực không thể được xem xét một cách tách biệt. Ví dụ, các chế độ vận hành khác nhau (e.g., ringing) và các tham số chuyển mạch (tần số PWM cao) có thể kết hợp để tạo ra dòng chung, từ đó sinh ra một số EMI hoặc được dẫn đến các thành phần hạ lưu để giảm tổng lượng cung cấp điện.

Hãy cùng xem qua từng lĩnh vực này để xem chúng liên quan như thế nào đến EMI của nguồn cung cấp điện.

Dòng chung

Nguyên nhân của dòng điện chế độ chung có phần trái ngược với trực giác. Dòng điện chế độ chung là một hiệu ứng điện, nghĩa là được thúc đẩy bởi sự thay đổi trong trường điện, vì vậy dòng điện chế độ chung trong nguồn cung cấp điện được điều tiết bởi tụ điện nhiễm khuếch đại trở lại với khung máy, thay vì cảm kháng nhiễm. Hình dưới đây cho thấy một ví dụ về dòng điện đầu vào trong một phần điều chỉnh DC của nguồn cung cấp điện xuất hiện như nhiễu chế độ chung trên đường ray PWR/GND.

Lưu ý rằng con đường dòng điện này có thể xuất hiện trong hệ thống ngay cả sau khi nhiễu chế độ chung đầu vào được lọc ra từ đầu vào AC chính. Nó cũng có thể tạo ra một vòng cảm kháng rất lớn, tạo ra một vị trí mới để phát ra hoặc nhận EMI.

Tại sao điều này lại xảy ra ngay từ đầu? Lý do là có sự chênh lệch điện thế giữa Điểm A trong sơ đồ trên và khung máy, cho phép một số dòng điện dẫn trở lại với nguồn chính qua tụ điện nhiễm. Một vấn đề tương tự có thể xảy ra trên các bảng mạch Ethernet có phần đất tách biệt, nơi nhiễu chế độ chung có thể kết nối với phía PHY của một liên kết mạng Ethernet.

Giải pháp: Nó phụ thuộc vào cách dòng điện chung chế độ vào hệ thống. Đối với dòng điện dẫn từ AC mains, bạn sẽ muốn có một số bộ lọc ở đầu ra của nguồn cung cấp điện. Một cuộn cảm chế độ chung là tiêu chuẩn, hoặc bạn có thể sử dụng bộ lọc dòng điện chế độ chung với topologi bộ lọc thông thấp. Một bộ lọc pi có thể được sử dụng để lọc thêm tiếng ồn chế độ sai khác. Trong một số hệ thống, như công tắc Ethernet công nghiệp, dòng điện chế độ chung sẽ xảy ra, nhưng nhiệm vụ của bạn là ngăn chúng dẫn vào mạch nhạy cảm bằng cách theo dõi đường dẫn trở lại của bạn.

Nguyên nhân gây ra tiếng vang nhiễu?

Trong bảng trên, tôi đã xác định một số nguyên nhân gây ra hiện tượng rung có thể xảy ra, đặc biệt là trong chế độ hoạt động không liên tục. Tuy nhiên, các yếu tố nhiễu có thể cũng gây ra điều kiện cho việc giảm xóc trong thiết kế bị thay đổi, dẫn đến một hiện tượng cộng hưởng không đủ giảm xóc với hiện tượng rung. Có nhiều yếu tố nhiễu được tìm thấy trong các linh kiện thực tế có thể ảnh hưởng đến hiện tượng rung. Rung không chính xác là một dạng của EMI vì nó được gây ra bởi các yếu tố phản ứng trong mạch thực tế. Tuy nhiên, rung ở các hình thức khác nhau có thể góp phần vào các dạng EMI khác (xem bài viết này để biết một ví dụ), do đó nó nên được bao gồm trong cuộc thảo luận về EMI, đặc biệt là trong nguồn cung cấp điện. Một số yếu tố nhiễu nổi bật tham gia vào hiện tượng rung bao gồm:

• Độ tự cảm của dây dẫn MOSFET, dung lượng thân
• Dung lượng quấn của cuộn cảm/ biến áp
• Độ tự cảm nhiễu trong các đường dẫn dòng điện trên bố cục PCB
• Sự tương tác giữa các yếu tố nhiễu và các yếu tố RLC dự định trong mạch

Các yếu tố nhiễu và các thành phần mong muốn trong bố cục nguồn cung cấp tạo thành một mạch RLC tương đương, có thể biểu hiện một cộng hưởng không đủ giảm xóc. Rung xuất hiện như nhiễu chế độ sai khác trên đầu ra với phổ công suất mở rộng vào tần số MHz cao, tùy thuộc vào tần số cộng hưởng của mạch RLC tương đương được hình thành bởi các yếu tố nhiễu.

Giải pháp: Sử dụng các linh kiện có độ nhiễu nhỏ hơn, có thể có nghĩa là linh kiện có kích thước vật lý lớn hơn hoặc nhỏ hơn. Thật không may, điều này không dễ dàng như nghe có vẻ, cả trong thực hành lẫn mô phỏng. Ngoài ra, bạn cần tập trung vào các độ nhiễu quan trọng nhất trong thiết kế của mình, và bạn cần chấp nhận rằng bố cục của bạn sẽ không bao giờ hoàn toàn không có độ nhiễu.

EMI phát ra

EMI phát ra có hai nguồn chính. Đầu tiên, nó xảy ra theo từng đợt trong một bộ điều chỉnh chuyển mạch mỗi khi MOSFET chuyển đổi, điều này cũng tạo ra một số EMI dẫn điện lan rộng trên một phổ công suất rộng (xem bên dưới). Thứ hai, dòng điện chế độ chung cũng là nguồn của EMI phát ra. Mô hình bức xạ từ hai nguồn này có thể rất phức tạp và có thể lan rộng qua nhiều hài hòa.

Giải pháp: Bạn cần sử dụng bộ lọc thông thấp để cố gắng loại bỏ một số EMI dẫn điện (chế độ khác biệt) từ đầu ra nguồn cung cấp điện. EMI phát ra được giảm đáng kể bằng cách tập trung vào việc giảm dòng điện chế độ chung, mà bức xạ của nó có thể mạnh hơn ~100 lần so với EMI phát ra chế độ khác biệt (xem các phép đo ví dụ bên dưới). EMI phát ra từ việc chuyển mạch phần lớn là không thể tránh khỏi, mặc dù nó có thể được giảm bớt với việc đổ đất gần phần chuyển mạch và đảm bảo định tuyến vòng cảm ứng thấp.

Lưu ý rằng phổ EMI dẫn điện được hiển thị ở trên cũng có thể xuất hiện trong phổ EMI bức xạ. Điều này cũng có thể được thấy từ việc chuyển đổi tinh thể, có thể bức xạ mạnh do độ tự cảm lớn dọc theo đường dẫn của tín hiệu đồng hồ. Tình trạng tương tự có thể xảy ra khi một tín hiệu PWM tần số cao không được định tuyến gần một mặt phẳng tham chiếu lớn. Vấn đề phụ này liên quan đến việc định tuyến, chứ không đơn thuần là bản chất của việc chuyển đổi trong MOSFETs hoặc các thành phần chuyển mạch khác.

Trong trường hợp những biện pháp này không giải quyết được vấn đề, có thể thực hiện các biện pháp chắn trên bảng mạch. Hầu hết các nhà thiết kế có lẽ đã quen thuộc với các hộp chắn, có thể được lắp vào bảng mạch và có thể được sử dụng để nhắm vào các mạch cụ thể hoặc nhóm các thành phần. Sau đó là các giải pháp vỏ bọc, như băng dẫn điện, gioăng dẫn điện, vật liệu chắn lưới, và tương tự có thể được lắp vào vỏ bọc. Hãy chú ý đến cách bạn nối đất cho những giải pháp này; việc sử dụng đúng cách cần thiết để tạo ra một lồng Faraday trong thiết kế phụ thuộc vào cách bạn đã định nghĩa "đất" trong hệ thống của mình (tức là đất, khung, hoặc đất hệ thống).

Chẩn đoán Vấn đề EMI trong Nguồn Cung Cấp Điện

Các mô phỏng SPICE rất hữu ích để kiểm tra cấu trúc và hiệu suất điện của các mạch cung cấp năng lượng của bạn, đặc biệt là các bộ điều chỉnh chuyển mạch có thể tạo ra tiếng ồn dẫn hoặc tiếng ồn bức xạ. Tuy nhiên, các loại EMI này không thể được chẩn đoán hoàn toàn với các mô phỏng SPICE đơn giản bởi vì chúng có thể phụ thuộc rất nhiều vào bố cục vật lý. Một công cụ giải quyết trường có thể giúp bạn xác định các vị trí trong bố cục với sự phát xạ bức xạ mạnh, tiếng vang mạnh và dòng điện chung. Để làm điều này một cách đúng đắn đòi hỏi nhập thiết kế của bạn trực tiếp vào công cụ giải quyết trường để công cụ có thể xem xét bố cục của bạn một cách trực tiếp.

Khi bạn cần điều tra EMI nguồn cung cấp năng lượng và thay đổi thiết kế của mình để giảm EMI, bạn có thể sử dụng bộ công cụ thiết kế PCB hoàn chỉnh trong Altium Designer®. Đối với các tính toán nâng cao hơn liên quan đến EMI dẫn hoặc bức xạ, người dùng Altium Designer có thể sử dụng tiện ích mở rộng EDB Exporter để nhập thiết kế vào các giải quyết trường Ansys. Cặp đôi giải quyết trường và ứng dụng thiết kế này giúp bạn xác minh bố cục của mình trước khi bạn bắt đầu một lần chạy mẫu.

Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các file cho nhà sản xuất, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng. Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết thêm mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Hội thảo Trực tuyến Theo yêu cầu.