コンパクトな電源モジュールにおける電磁干渉を最小限に抑える方法

電源における電磁干渉の理解

電磁妨害(EMI)は、電磁エネルギーが敏感な回路に結合し、性能劣化や直立的な故障を引き起こした場合に発生します。コンパクトな電源モジュールでは、主流の犯罪者は、高速振動半導体(MOSFET、ダイオード)および高周波磁気コンポーネント(誘導器、変圧器)です。わずかなフットプリントフォースデザイナーの物理的な制約は、近接にノイズと敏感な要素を配置し、EMI管理をはるかに高める、より大きな方向に変化するモードと、主軸方向に大きく分けられます。 EMIは、主軸方向に大きく分けられます。

EMI は、電力線と信号の痕跡に沿って移動します。放射された EMI は、電気および磁場として空気を伝播します。どちらのモードも同じ切換ノードから発生し、それぞれは適切なフィルタリング、シールド、およびレイアウト技術に対処しなければなりません。 CISPR 22/32 (EN 55032) および FCC パート 15 は許容排出量の厳しい設定を制限し、コンプライアンスを達成することは商用製品にはオプションではありません。

コンパクトデザインにおけるEMIの主要ソース

次の要素は、最も頻繁に最小化した電力モジュールで問題のある干渉を発生させる責任があります。

[]トランスイスタ - スイッチングノードでハイdv/dtとディ/dtが広帯域ノイズを作成します。
整流器ダイオード - 逆回復電流は、回路に高周波スイックを注入します。
磁気コンポーネント] - 誘導器や変圧器からの漏れのフラックスは、近くの痕跡にカップルすることができます。
[パラシティックキャパシタンス - スイッチノードと地面またはヒートシンクの間のストレイキャパシタンスは、高周波電流のためのパスを提供します。
[]入力/出力ケーブル[ - それらは、モジュール内の起源のノイズを放射するアンテナとして機能します。

EMI削減のための基礎戦略

1. 最大限に活用されたPCBのレイアウト

プリント基板レイアウトは、EMI性能を判断する最も影響力のある要素が1つあります。コンパクトなモジュールでは、ミリ単位で、優先順位が重要になります。

ループ領域を最小化 - 高電流ループ(例えば、入力コンデンサ→スイッチ→インダクタ→出力コンデンサ)はできるだけ小さくする必要があります。電力段階の直下で専用の地上平面を使用して、インダクタンスを減らし、低インピーダンスリターンパスを提供します。
[]Keepハイ周波数ノードのショートカット - スイッチングノード(ハイサイドMOSFETのドレイン)は、インダクタとローサイドMOSFETだけに接続された小さな銅島でなければなりません。このノードから長いトレースを実行しないでください。
[]信号とパワーの接地 - 制御回路を汚染するのから騒々しいリターン電流を防ぐために星の地面または分岐平面アプローチを使用してください。次に、ICの直下にある2つの地面を単一の点で接続します。
[]ステッチ]を使用して - インピーダンスを減らし、高周波エネルギーを含有する地上平面のエッジの周りの複数のビアを配置します。

レイアウトのガイドラインを深く見てみるには、]を参照してください。段取りコンバーターのPCBレイアウトに関するTIのアプリケーションノート]を参照してください。

2. 保護および接地技術

レイアウトだけでも排出量を抑制できないときは、物理的なシールドが必要になります。コンパクトなモジュールでは、一般的なアプローチは次のとおりです。

[]金属エンクロージャまたは缶[] - 切替え領域をカバーする接地金属シールドは放射されたフィールドが含まれています。シールドは、複数の点で地面平面に低インピーダンスの接触を持っていることを確認してください。
[内面平面] - 多層基板では、電源層と信号層の間に配置された固体地上平面(または2)は、固有のシールドとして機能します。
ガードトレース - 敏感な信号ラインの各面に地上トレースを実行することで、容量性カップリングを削減できます。

接地は、アンテナとして機能するループを作成することを避けるために慎重に処理されなければなりません。一般的な推奨事項は、すべての回路の単一、低インピーダンスの接地参照を使用することです。多くの場合、連続した地面が2層ボードの底層に注がれているように実装されています。

3. 入力および出力ろ過

フィルタは、EMI の実行に対する主要な防衛です。モジュールの電源入力と出口ポイントに配置して、入力バスにエスケープしたり、負荷に達するのを防ぐ必要があります。

[入力フィルタ - 共通モード(CM)と差分モード(DM)の要素の組み合わせ。DMの場合、フェライトビーズでピフィルタ(コンデンサー)が頻繁に接種します。 CMチョークは、両方のラインに均等に表示されるノイズを抑制するために有効です。
出力フィルタ - 出力コンデンサが出力のrippleと高周波スピークを削減した後の2番目の注文LCフィルタ。誘導器は、飽和せずにDC電流を処理するために選択する必要があります。
[バルクおよびバイパスコンデンサー[ - ICピンにできるだけ近い場所低ESRの陶磁器のコンデンサー、より大きい電解物またはポリマーコンデンサーはより低い周波数の部品を処理するために更に遠くに。

包括的なフィルタ設計ガイドについては、EMIフィルタ設計のアナログデバイスの記事を参照してください。

4. シュナブラー回路

発振器は、他の放射ノイズを抑えるリングを抑え、寄生虫誘導とキャパシタンスに貯蔵されたエネルギーを散らす。 2つの一般的なトポロジーは次のとおりです。

[RC snubber – スイッチングノードを地面に置いた抵抗コンデンサネットワーク。抵抗値が、パラシティック要素によって形成されたLCタンクを批判的に低下させるように選択されます。
[]RCD snubber - フライバックまたは転送コンバータに使用されます。このクランプは、変圧器の漏れのインダクタンスから電圧スイックを吸収します。

スヌーバーはパワーロスを追加しますが、レイアウトのパラシティックが高いとマージンが薄いコンパクトなモジュールでしばしば不可欠です。

5. スプレッドスペクトラムの変調

多くの近代的な電源コントローラーは、センターポイントの周りのスイッチング周波数をわずかに変化するスプレッドスペクトル技術を統合します。これにより、より広い周波数帯域にエネルギーを分配し、ピーク排出量を任意の単一周波数で削減します。削減は、基本的および調和で6〜15dBであることができます。これにより、規制限界を渡すのに十分である可能性があります。スプレッドスペスペクトラムは、マージンカウントのあらゆる決定が密集した設計で特に有用です。

6. 構成の選択

EMI 生成を初期に下げたコンポーネントを選択すると、重要な設計の努力を節約できます。

は、Fast-recovery または Schottky ダイオード - 逆回復電流と関連する高周波リングを削減します。
[]-ゲートゲート-チャージMOSFET[ - ゲートドライブの抵抗が増加したら、減速スイッチングトランジションを許可し、dv/dtとdi/dtを下げます。
シールドインダクタ - ストレイ磁場カップリングを最小化します。トロイダルまたはシールドロッドコアインダクタは、コンパクトなモジュールで推奨されます。
Low-ESRセラミックコンデンサ[ - アルミ電解質やタンタルタイプと比較して、優れた高周波デカップリングを提供します。

実用的なデザインガイド

コンパクトな電源モジュールでは、以下のチェックリストが、EMI の性能が開始から確実に対処できるようにします。

スイッチング周波数とスプレッドスペクトルオプションを初期に定義します。
スペースが許可すれば4層PCBを熱心な地面および力平面と使用して下さい。
入力コンデンサとMOSFETをできるだけ近い場所に置き、短時間で広いトレースをします。
入力時に pi-filter を入力し、出力時に LC フィルターを入力します。
切換えノード全体にRCスヌーバーを追加(測定値)。
排出量が高くなったら、地面に金属をかぶせて騒々しい領域を覆う。
フィールドプローブとスペクトルアナライザを使用して、事前コンプライアンステストを実行して、早期に問題をキャッチします。

事前コンプライアンス測定に関する詳細なガイダンスは[]ロード&サンプ;シュワルツの事前コンプライアンスEMIテスト概要[で見つけることができます。

試験・反復

シミュレーションは、実世界EMIを完全に予測できません。物理的測定は不可欠です。近接フィールドプローブでスペクトルアナライザを使用して、ボード上のホットスポットを特定します。一般的なノイズソースは、多くの場合、レイアウトの物理的ループと他のトレースに切り替えノードの近接に関連しています。投薬されたエミッションが特定されると、ターゲットの修正が行われます。痕跡の移動、小さなコンデンサーの追加、またはスヌーバーの調整など、標的の修正が適用され、検証できます。

放射状排出物については、オープンエリア試験場(OATS)または完全電波暗室(正式なコンプライアンス)が必要です。ただし、半電波暗室やGTEM細胞を事前にスキャンするために使用している設計チームは多くあります。この鍵は、最終基板が認証のために提出されるまで待つよりも、試作段階の段階ですぐに反復することです。

性能、サイズ、コストのバランスを整える

コンパクトな電源モジュールでは、すべてのEMIミディネーション戦略はトレードオフが付属しています。例えば、大きなフィルタインダクタの追加はサイズとコストを増加させます。金属シールドはアセンブリステップと熱放散の課題を追加します。スプレッドスペクトル変調は、わずかな負荷で効率を低下させる可能性があります。エンジニアは、特定の設計制約のための最も利益を提供する戦略を優先しなければなりません。多くの場合、きれいなレイアウト、よく配置された入力フィルタ、および小さなnubber回路は、FCCSまたはFCCSの過度に十分な要件を渡すことなく、CPRISの過度に十分な要件を満たしています。

EMI性能と熱性能が密接に結びつくことに注意する価値もあります。熱をトラップするシールドは、電力モジュールの劣化を促す可能性があります。同様に、電力を散らすスヌーバーは、接合温度を増加させます。熱シミュレーションと試作は、EMI設計と並行して進めるべきです。

コンテンツ

コンパクトな電源モジュールで電磁干渉を最小限に抑えることにより、コンポーネントの選択、PCBレイアウト、フィルタリング、シールド、テストに及ぶ分野に及ぶ、規準的なアプローチが求められます。EMIのソースを理解し、設計サイクルで早期に実証済みの緩和技術を適用することにより、エンジニアは規制遵守と信頼性の高いシステム操作の両方を達成することができます。キーは、EMIをアフターオーダーではなく、回路図段階から最終ボードスピンまで管理される設計制約として扱うことです。慎重に実行すると、最小限の電力モジュールであっても、それは、静電気システム自体を保護することができます。