विद्युत आपूर्ति में विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप को समझना

विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप (EMI) तब उत्पन्न होता है जब अवांछित विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा संवेदनशील सर्किट में जोड़े, जिससे प्रदर्शन में गिरावट या बाहरी विफलता होती है। कॉम्पैक्ट बिजली आपूर्ति मॉड्यूल में, प्राथमिक अपराधी तेजी से स्विच करने वाले अर्धचालक (MOSFETs, डायोड) और उच्च आवृत्ति चुंबकीय घटक (इंडक्टर्स, ट्रांसफार्मर) हैं। एक छोटे पदचिह्न बल डिजाइनरों के शारीरिक बाधाएं करीब निकटता में शोर और संवेदनशील तत्वों को रखने के लिए, बड़े, अच्छी तरह से अलग डिजाइनों की तुलना में ईएमआई प्रबंधन को अधिक चुनौतीपूर्ण बनाती हैं। दो मुख्य युग्मन मोड को समझना-संचालित और विकिरणित - प्रभावी शमन की ओर पहला कदम है।

संचालित ईएमआई बिजली लाइनों और संकेत निशान के साथ यात्रा करता है, जबकि विकिरणित ईएमआई बिजली और चुंबकीय क्षेत्र के रूप में हवा के माध्यम से प्रचारित करता है। दोनों मोड एक ही स्विचिंग नोड से उत्पन्न हो सकते हैं, और प्रत्येक को उचित फ़िल्टरिंग, शील्डिंग और लेआउट तकनीकों से संबोधित किया जाना चाहिए। सीआईएसपीआर 22/32 (EN 55032) और एफसीसी भाग 15 स्वीकार्य उत्सर्जन पर सख्त सीमाएं निर्धारित की जाती हैं, इसलिए अनुपालन प्राप्त करने वाले वाणिज्यिक उत्पादों के लिए वैकल्पिक नहीं है।

कॉम्पैक्ट डिजाइन में EMI के प्रमुख स्रोत

निम्नलिखित तत्व अक्सर लघुकृत पावर मॉड्यूल में समस्याग्रस्त हस्तक्षेप उत्पन्न करने के लिए जिम्मेदार होते हैं:

  • ]Switching transistors - स्विचन नोड पर उच्च dv / dt और di / dt चौड़े बैंड शोर पैदा करते हैं।
  • Rectifier डायोड - रिवर्स रिकवरी करंट सर्किट में उच्च आवृत्ति वाले स्पाइक्स को इंजेक्ट करता है।
  • Magnetic घटक - लेक्सेज प्रवाह प्रारंभ करनेवाला और ट्रांसफार्मर से पास के निशान में जोड़ा जा सकता है।
  • ]Parasitic capacitance – स्विच नोड और जमीन या heatsinks के बीच स्ट्रे समाई उच्च आवृत्ति धाराओं के लिए एक रास्ता प्रदान करता है।
  • ]Input/output केबल[] – वे एंटेना के रूप में कार्य करते हैं, जो मॉड्यूल के अंदर उत्पन्न होने वाले शोर को विकिरण करते हैं।

EMI में कमी के लिए मौलिक रणनीतियाँ

1. अनुकूलित पीसीबी लेआउट

मुद्रित सर्किट बोर्ड लेआउट ईएमआई प्रदर्शन को निर्धारित करने में यकीनन एक सबसे प्रभावशाली कारक है। कॉम्पैक्ट मॉड्यूल में हर मिलीमीटर की गिनती होती है, इसलिए प्राथमिकता महत्वपूर्ण होती है।

  • ]]]पिच क्षेत्रों को कम करने के लिए सीधे बिजली चरण के तहत एक समर्पित ग्राउंड प्लेन का उपयोग करें ताकि प्रवेश को कम किया जा सके और कम प्रतिबाधा रिटर्न पथ प्रदान किया जा सके।
  • Keep उच्च आवृत्ति नोड्स short - स्विचिंग नोड (उच्च-साइड MOSFET का drain) केवल प्रारंभ करनेवाला और कम-साइड MOSFET से जुड़ा एक छोटा तांबा द्वीप होना चाहिए। इस नोड से लंबे समय तक चलने वाले निशान से बचें।
  • ]Separate संकेत और शक्ति ग्राउंड - नियंत्रण सर्किटरी को दूषित करने से शोर वापसी धाराओं को रोकने के लिए एक स्टार जमीन या विभाजित विमान दृष्टिकोण का उपयोग करें। फिर दोनों जमीनों को एक ही बिंदु पर जोड़ दें, अक्सर सीधे आईसी के तहत।
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लेआउट दिशानिर्देशों पर एक गहरी नज़र के लिए, TI's application Note on PCB लेआउट for step-down Converter] देखें।

2. परिरक्षण और ग्राउंडिंग तकनीक

जब अकेले लेआउट पर्याप्त उत्सर्जन को दबा नहीं सकता है, तो भौतिक परिरक्षण आवश्यक हो जाता है। कॉम्पैक्ट मॉड्यूल के लिए, आम दृष्टिकोण में शामिल हैं:

  • ]धातु बाड़ों या डिब्बे - स्विचन क्षेत्र को कवर करने वाले एक ग्राउंडेड मेटल शील्ड में विकिरणित क्षेत्र शामिल हैं। सुनिश्चित करें कि ढाल में कई बिंदुओं पर जमीन के विमान के लिए कम प्रतिबाधा संपर्क है।
  • ]]अंतरीय ग्राउंड प्लेन - बहुपरत PCBs में, एक ठोस ग्राउंड प्लेन (या दो) पावर लेयर और सिग्नल लेयर्स के बीच एक अंतर्निहित ढाल के रूप में कार्य करता है।
  • ]Guard trace – एक संवेदनशील संकेत लाइन के प्रत्येक तरफ एक ग्राउंडेड ट्रेस चल रहा है कैपेसिटिव युग्मन को कम कर सकता है।

ग्राउंडिंग को ध्यान से संभाला जाना चाहिए ताकि उन लूपों को बनाया जा सके जो एंटेना के रूप में कार्य करते हैं। एक आम सिफारिश सभी सर्किटरी के लिए एक एकल, कम प्रतिबाधा ग्राउंड संदर्भ का उपयोग करना है, अक्सर एक निरंतर जमीन के रूप में कार्यान्वित किया जाता है जो दो परत बोर्ड की नीचे परत पर डालती है।

3. इनपुट और आउटपुट फ़िल्टरिंग

फ़िल्टर किए गए ईएमआई के खिलाफ प्राथमिक रक्षा हैं। उन्हें इनपुट बस पर कब्जा करने या लोड तक पहुंचने से शोर को रोकने के लिए मॉड्यूल के पावर एंट्री और निकास बिंदुओं पर रखा जाना चाहिए।

  • Input फ़िल्टर - एक संयोजन के सामान्य मोड (CM) और अंतर मोड (DM) तत्वों. के लिए, एक pi-filter (capacitor-inductor-capacitor) एक फेराइट मनका के साथ एक पिंजरा अक्सर suffices. CM chokes दबाव है कि दोनों लाइनों पर समान रूप से दिखाई देता है के लिए प्रभावी हैं।
  • ]Output फ़िल्टर - आउटपुट संधारित्र के बाद एक दूसरा-ऑर्डर एलसी फ़िल्टर आउटपुट तरंग और उच्च आवृत्ति स्पाइक को कम करता है। प्रारंभकर्ता को बिना संतृप्त किए डीसी वर्तमान को संभालने के लिए चुना जाना चाहिए।
  • Bulk और बाईपास संधारित्र - आईसी पिन के करीब के रूप में कम ईएसआर सिरेमिक संधारित्र रखें, जिसमें बड़े इलेक्ट्रोलाइटिक या बहुलक संधारित्र कम आवृत्ति घटकों को संभालने के लिए आगे दूर होते हैं।

एक व्यापक फिल्टर डिजाइन गाइड के लिए, EMI फिल्टर डिजाइन पर Anog डिवाइसेस' लेख का उल्लेख करें .

4. स्नोबर सर्किट

Snubbers पैरासिटिक प्रेरण और समाई में संग्रहीत ऊर्जा को अलग करते हैं, जो कि अन्यथा शोर को विकिरणित करेगा।

  • RC snubber – एक प्रतिरोधी संधारित्र नेटवर्क जो स्विचन नोड के पार जमीन पर रखा गया है। प्रतिरोधी मूल्य को पैरासिटिक तत्वों द्वारा गठित एलसी टैंक को गंभीर रूप से नम करने के लिए चुना जाता है।
  • RCD snubber[] – फ्लाईबैक या फॉरवर्ड कन्वर्टर्स के लिए इस्तेमाल किया गया, यह क्लैंप ट्रांसफॉर्मर रिसाव की शुरूआत से वोल्टेज स्पाइक को अवशोषित करता है।

Snubbers बिजली हानि जोड़ते हैं लेकिन अक्सर कॉम्पैक्ट मॉड्यूल में अपरिहार्य होते हैं जहां लेआउट परजीवी उच्च होते हैं और मार्जिन पतले होते हैं।

5. स्प्रेड स्पेक्ट्रम मॉडुलन

कई आधुनिक बिजली आपूर्ति नियंत्रक स्प्रेड स्पेक्ट्रम तकनीकों को एकीकृत करते हैं जो एक केंद्र बिंदु के आसपास थोड़ा-थोड़ा स्विचिंग आवृत्ति को बदल देते हैं। यह ऊर्जा को व्यापक आवृत्ति बैंड पर वितरित करता है, किसी भी आवृत्ति पर चरम उत्सर्जन को कम करता है। मूल और हार्मोनिक्स पर कमी 6-15 डीबी हो सकती है, जो अतिरिक्त फ़िल्टरिंग के बिना नियामक सीमाओं को पास करने के लिए पर्याप्त हो सकता है। स्प्रेड-स्पेक्ट्रम विशेष रूप से कॉम्पैक्ट डिज़ाइनों में उपयोगी है जहां मार्जिन गिनती के हर डिसिबल में उपयोगी होता है।

6. घटक चयन

अंतर्निहित रूप से कम ईएमआई पीढ़ी के साथ घटकों का चयन महत्वपूर्ण डिजाइन प्रयास को बचा सकता है:

  • ]Fast-recovery या Schottky डायोड - रिवर्स रिकवरी चालू और संबद्ध उच्च आवृत्ति रिंग को कम करें।
  • ] कम-gate-charge MOSFETs - यदि गेट ड्राइव प्रतिरोध बढ़ जाता है, तो धीमी स्विचन संक्रमण की अनुमति दें, dv/dt और di/dt को कम करें।
  • ]Shielded inductors - न्यूनतम स्टे चुंबकीय क्षेत्र युग्मन। Toroidal या परिरक्षित रॉड-कोर प्रारंभकर्ता कॉम्पैक्ट मॉड्यूल में पसंद किए जाते हैं।
  • ]Low-ESR सिरेमिक कैपेसिटर - एल्यूमीनियम इलेक्ट्रोलाइटिक या टैंटलम प्रकार की तुलना में बेहतर उच्च आवृत्ति decoupling प्रदान करें।

प्रैक्टिकल डिजाइन गाइडलाइन सारांश

एक कॉम्पैक्ट पावर सप्लाई मॉड्यूल के लिए, निम्नलिखित चेकलिस्ट यह सुनिश्चित करने में मदद कर सकता है कि ईएमआई प्रदर्शन शुरू से संबोधित किया गया है:

  1. स्विचिंग आवृत्ति और किसी भी स्प्रेड स्पेक्ट्रम विकल्प को जल्दी परिभाषित करें।
  2. यदि अंतरिक्ष परमिट के लिए समर्पित जमीन और बिजली विमानों के साथ चार परत पीसीबी का उपयोग करें।
  3. इनपुट संधारित्र और MOSFETs को जितना संभव हो उतना करीब रखें, शॉर्ट, चौड़े निशान के साथ।
  4. इनपुट पर एक पाई-फिल्टर डालें और आउटपुट पर एक LC फ़िल्टर डालें।
  5. स्विचिंग नोड (मूल्य माप द्वारा निर्धारित) में एक आरसी स्नबबर जोड़ें।
  6. यदि उत्सर्जन अधिक रहता है तो एक जमीनी धातु के साथ शोर क्षेत्र को कवर कर सकते हैं।
  7. पूर्व अनुपालन परीक्षण करना, निकट क्षेत्र जांच और स्पेक्ट्रम विश्लेषक का उपयोग करके मुद्दों को जल्दी पकड़ने के लिए।

पूर्व-अनुपालन माप पर विस्तृत मार्गदर्शन ]Rohde & Schwarz's pre-compliance EMI परीक्षण अवलोकन में पाया जा सकता है।

परीक्षण और पुनरावृत्ति

कोई सिमुलेशन पूरी तरह से वास्तविक दुनिया ईएमआई की भविष्यवाणी नहीं कर सकता है। भौतिक माप आवश्यक है। बोर्ड पर गर्म स्पॉट की पहचान करने के लिए निकट क्षेत्र जांच के साथ एक स्पेक्ट्रम विश्लेषक का उपयोग करें। आम शोर सूत्र अक्सर लेआउट के भौतिक छोरों और अन्य निशानों के लिए स्विचिंग नोड की निकटता के साथ संबंध बनाते हैं। एक बार एक प्रमुख उत्सर्जन की पहचान की जाती है, एक लक्षित निर्धारण- जैसे कि एक निशान को स्थानांतरित करना, एक छोटा संधारित्र जोड़ना, या एक स्नोबर को समायोजित करना- लागू किया जा सकता है और सत्यापित किया जा सकता है।

विकिरण उत्सर्जन के लिए, एक खुला क्षेत्र परीक्षण स्थल (OATS) या औपचारिक अनुपालन के लिए पूरी तरह से एक्रोनिक कक्ष की आवश्यकता होती है। हालांकि, कई डिज़ाइन टीम पूर्व-अनुच्छेदन के लिए एक अर्ध-अनोषित कक्ष या GTEM सेल का उपयोग करती हैं। अंतिम बोर्ड प्रमाणीकरण के लिए प्रस्तुत होने तक प्रतीक्षा करने के बजाय प्रोटोटाइप चरण के दौरान जल्दी से इसकी कुंजी है।

संतुलन प्रदर्शन, आकार और लागत

कॉम्पैक्ट बिजली आपूर्ति मॉड्यूल में, हर EMI शमन रणनीति व्यापार-बंद के साथ आती है। उदाहरण के लिए, एक बड़े फिल्टर प्रारंभ करनेवाला को जोड़ने के आकार और लागत बढ़ जाती है; एक धातु ढाल विधानसभा चरणों और गर्मी अपव्यय चुनौतियों को जोड़ती है; स्प्रेड-स्पेक्ट्रम मॉडुलन हल्के भार पर थोड़ा गिरावट क्षमता को कम कर सकता है। इंजीनियर को उन रणनीतियों को प्राथमिकता देना चाहिए जो विशिष्ट डिजाइन बाधाओं के लिए सबसे अधिक लाभ प्रदान करते हैं। अक्सर, एक स्वच्छ लेआउट का संयोजन, एक अच्छी तरह से स्थापित इनपुट फिल्टर, और एक छोटा सा स्नब सर्किट अत्यधिक लागत के बिना CISPR 25 या FCC आवश्यकताओं को पारित करने के लिए पर्याप्त है।

यह भी ध्यान देने योग्य है कि ईएमआई प्रदर्शन और थर्मल प्रदर्शन को बारीकी से जोड़ा गया है। एक ढाल जो जाल गर्मी शक्ति मॉड्यूल के एक हटने को मजबूर कर सकती है। इसी तरह, एक snubber जो शक्ति को नष्ट करता है, जंक्शन तापमान को बढ़ाता है। थर्मल सिमुलेशन और प्रोटोटाइप को ईएमआई डिजाइन के समानांतर में आगे बढ़ना चाहिए।

निष्कर्ष

कॉम्पैक्ट बिजली आपूर्ति मॉड्यूल में विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप को कम करने से घटक चयन, पीसीबी लेआउट, फ़िल्टरिंग, परिरक्षण और परीक्षण की मांग होती है। ईएमआई के स्रोतों को समझने और डिजाइन चक्र में शुरू में साबित शमन तकनीकों को लागू करके, इंजीनियर नियामक अनुपालन और विश्वसनीय प्रणाली संचालन दोनों को प्राप्त कर सकते हैं। कुंजी ईएमआई को एक बाद में नहीं बल्कि एक डिज़ाइन बाधा के रूप में इलाज करना है जो अंतिम बोर्ड स्पिन के माध्यम से योजनाबद्ध चरण से प्रबंधित है। सावधानीपूर्वक निष्पादन के साथ, यहां तक कि सबसे छोटा पावर मॉड्यूल विद्युत रूप से शांत बनाया जा सकता है, डिवाइस को ही और बड़ी प्रणाली दोनों की रक्षा करता है।