Sähkömagneettisten häiriöiden ymmärtäminen virtalähteissä

Sähkömagneettinen häiriö (EMI) syntyy, kun ei-toivottu sähkömagneettisen energian liittimet herkille piireille, aiheuttaa suorituskyvyn heikentymistä tai suoraa vikaa. Kompaktissa virtalähdemoduulissa ensiörikolliset ovat nopeatoimisia puolijohteita (MOSFET, diodit) ja suurtaajuusmagneettisia komponentteja (induktorit, muuntajat). Pienten jalanjälkivoimasuunnittelijoiden fyysiset rajoitukset meluavien ja herkkien osien sijoittamiseksi lähelle, mikä tekee EMIn hallinnasta paljon haastavamman kuin suuremmissa, hyvin erillisissä malleissa. Kahden pääkytkintilan ymmärtäminen on ensimmäinen askel kohti tehokasta hillitsemistä.

EMI kulkee voimalinjojen ja signaalien kautta, kun taas EMIn säteily leviää ilmassa sähkö- ja magneettikentinä. Molemmat moodit voivat olla peräisin samasta kytkentäsolmusta, ja niihin on puututtava asianmukaisin suodatus-, suojaus- ja asettelutekniikoin.

EMIn keskeiset lähteet Compact Designsissa

Seuraavat tekijät ovat useimmiten vastuussa ongelmallisten häiriöiden tuottamisesta pienoistehomoduuleihin:

  • Transistorit ... Korkea DV/dt ja di/dt kytkentäsolmukohdassa aiheuttavat laajakaistamelua.
  • Rektoridiodit [ ... ......................................................................................................................................................................................................................................
  • Magneettiset komponentit[ ... ......................................................................................................................................................................................................................................
  • Parasitic capasitance ... ....................................................................................................................................................................................................................................
  • Input/ulostulokaapelit[ ...

ERI:n toiminnan vähentämistä koskevat perusstrategiat

1. Optimoitu PCB-kerros

Painetun piirilevyn ulkoasu on luultavasti kaikkein vaikutusvaltaisin tekijä EMIn suorituskyvyn määrittämisessä. Kompakteissa moduuleissa joka millimetri, joten priorisointi on tärkeää.

  • Minimize silmukka-alueet[ ... ....................................................................................................................................................................................................................................
  • Pidä suurtaajuussolmut lyhyinä[ . ... ................................................................................................................................................................................................................................
  • Sertifioi signaali ja virtapinnat [ .
  • Käytä ompelemalla[ ... ......................................................................................................................................................................................................................................

Katso tarkemmat ulkoasua koskevat ohjeet TI................................................................................................................................................................................................................................................

2. Suojaus- ja maadoitustekniikat

Kun pelkkä ulkoasu ei riitä estämään päästöjä riittävästi, fyysinen suojaus on tarpeen. Kompaktimoduuleissa yhteisiä lähestymistapoja ovat:

  • Metaalikotelot tai tölkit[ . ... .................................................................................................................................................................................................................................
  • Sisäiset maatasot[ ... Monikerroksisissa PCB-yhdisteissä kiinteä maataso (tai kaksi) on sijoitettu tehokerroksen ja signaalikerrosten väliin, ja se toimii luontaisena suojana.
  • Vartiojäljet [ ... .......................................................................................................................................................................................................................................

Maadoitus on käsiteltävä huolellisesti, jotta vältetään antenneina toimivien silmukoiden luominen. Yhteisenä suosituksena on käyttää yhtä matalan impedanssin maadoitusreferenssiä kaikkiin piiripiireihin, jotka toteutetaan usein jatkuvana maadoituspölkynä kahden kerroksen levyn pohjakerrokseen.

3. Syöttö- ja tuotossuodatus

Suodattimet ovat ensisijainen puolustusta johtunut EMI. Ne olisi sijoitettava moduulin . virta tulo- ja ulostulokohdat, jotta melua ei pääse sisään bussista tai päästä kuorma.

  • Input suodatin[ . . ... ....................................................................................................................................................................................................................................
  • Output suodatin[ ... .......................................................................................................................................................................................................................................
  • Bulk- ja ohituskondensaattorit [ ... ..................................................................................................................................................................................................................................

Kattavaa suodattimen suunnitteluohjetta varten ks. Analogiset laitteet.........................................................................................................................................................................................................................................

4. Napapiirit

Snubbers haihtuu energiaa varastoidaan lois-induktanssi ja kapasitanssi, vaimentaa soitto, joka muuten säteilee melua. Kaksi yhteistä tappeluja ovat:

  • RC snubber[ . ... .....................................................................................................................................................................................................................................
  • RCD snubber ... .......................................................................................................................................................................................................................................

Snubbers lisätä virranhukkaa, mutta ovat usein välttämättömiä kompakti moduulit, joissa asettelu lois on korkea ja marginaalit ovat ohuet.

5. Levitä taajuuksia

Monissa nykyaikaisissa virransyötön ohjaimissa on spread-spectrum-tekniikoita, jotka vaihtelevat kytkentätaajuutta hieman keskipisteen ympäri. Tämä jakaa energiaa laajemmalle taajuuskaistalle vähentäen huippupäästöjä millä tahansa taajuudella. Vähennyksen voi olla 6.15 dB perus- ja harmonisilla laitteilla, jotka voivat riittää ylittämään sääntelyrajat ilman lisäsuodatusta. Spread-spectrum on erityisen hyödyllinen kompaktissa suunnittelussa, jossa jokainen marginaalin desibeli lasketaan.

6. Osan valinta

Valitsemalla osia, joissa on luonnostaan pienempi EMI-tuotanto, voidaan säästää merkittäviä suunnitteluponnistuksia:

  • Nopea talteenotto tai Schottky diodit . .
  • Hyvin portin lataus MOSPETS[ .
  • Piilotetut induktorit[ . Minimoi eksynyt magneettikenttäkytkin. Toratiaaliset tai suojatut sauva-ytimen induktorit ovat suosittuja kompaktissa moduulissa.
  • Hyvin ESR keraamiset kondensaattorit .

Käytännön suunnitteluohjeiden tiivistelmä

Kompaktin virtalähteen moduulin osalta seuraava tarkistuslista voi auttaa varmistamaan, että ERI:n suorituskykyä käsitellään alusta alkaen:

  1. Määrittele kytkentätaajuus ja mahdolliset spread-spektrivaihtoehdot aikaisin.
  2. Käytä nelikerroksista PCB-yhdistettä, jossa on maa- ja voimalentokoneita, jos tila sallii.
  3. Aseta syötekondensaattori ja MOSPET-laitteet mahdollisimman lähelle lyhyillä, laajoilla jäljillä.
  4. Laitetaan pi-suodatin syöttöön ja LC-suodatin lähtöön.
  5. Lisätään RC-snubber kytkentäsolmun yli (arvo määritettynä mittauksella).
  6. Kattaa meluisa alue maadoitettu metalli purkki, jos päästöt pysyvät suuria.
  7. Suoritetaan ennakkotestaus lähialueen luotaimen ja taajuusanalysaattorin avulla, jotta ongelmat saadaan ajoissa kiinni.

Yksityiskohtaiset ohjeet ennen vaatimustenmukaisuutta tehtävistä mittauksista ovat asiakirjassa Rohde & Schwarz.s pre-compliance EMI testin yleiskatsaus .

Testaus ja iterointi

Mikään simulaatio ei voi täysin ennustaa reaalimaailma EMI. Fyysinen mittaus on välttämätöntä. Käytä taajuusanalysaattoria lähikentän luotaimen avulla tunnistaaksesi kuumat kohdat aluksella. Yhteiset melulähteet korreloivat usein ulkoasun. Fyysiset silmukkat ja kytkentäsolmun läheisyys muihin jälkiin. Kun hallitseva päästö on tunnistettu, kohdennettu korjaus. Esimerkiksi siirtämällä jäljitintä, lisäämällä pieni kondensaattori tai säätämällä snubber.

Säteilypäästöjen osalta vaaditaan virallisessa noudattamisessa avoimen alueen testipaikka (OATS) tai täysin anekoottinen kammio. Monien suunnitteluryhmien käytössä on kuitenkin puolikahvikammio tai GTEM-solu esiskannaukseen. Avain on iteroida prototyyppivaiheen aikana nopeasti sen sijaan, että odottaisi lopullisen taulun jättämistä sertifioitavaksi.

Tasapainotus suorituskyky, koko, ja kustannukset

Kompaktissa virtalähteessä jokainen EMI:n hillitsemisstrategia sisältää kompromisseja. Esimerkiksi suuren suodattimen syötin lisääminen lisää kokoa ja kustannuksia, metallikilpi lisää kokoonpanon vaiheita ja lämmönjakohaasteita, spread-spectrum modulaatio voi hieman heikentää tehokkuutta kevyillä kuormituksilla. Insinöörin on asetettava etusijalle strategiat, jotka tarjoavat suurimman hyödyn erityisille suunnittelurajoitteille. Usein puhtaan asettelun, hyvin sijoitetun tulosuodattimen ja pienen snubber-piirin yhdistelmä riittää täyttämään CISPR 25- tai FCC-vaatimukset ilman kohtuuttomia kustannuksia.

On myös syytä huomata, että EMIn suorituskyky ja lämpöteho ovat tiiviisti sidoksissa toisiinsa. Suoja, joka ansaa lämpöä voi pakottaa revitys tehomoduuli. Samoin, snubbber, joka dissipates teho lisää risteyslämpöä. Lämpösimulaation ja prototyyppien olisi edettävä rinnakkain EMIn suunnittelun kanssa.

Päätelmä

Sähkömagneettisten häiriöiden minimoiminen kompaktissa virtalähteessä vaatii kurinalaista lähestymistapaa, joka kattaa komponenttien valinnan, PCB-sijoittelun, suodatuksen, suojauksen ja testauksen. Ymmärtämällä EMIn lähteet ja soveltamalla hyväksi havaittuja lieventämistekniikoita suunnittelusyklin alussa, insinöörit voivat saavuttaa sekä sääntelyn noudattamisen että luotettavan järjestelmän toiminnan. Tärkeintä on kohdella EMIä ei jälkiaikeena vaan suunnittelurajoitteena, jota hallitaan kaaviovaiheesta lopulliseen lautapyöräytykseen. Huolellisella suoritustavalla voidaan tehdä jopa pienimmätkin voimamoduulit sähköhiljaisiksi, ja suojata sekä laitetta itse että suurempaa järjestelmää, jota se hallitsee.