Влияние коммутационных источников питания на производительность Emc в потребительских устройствах
Влияние коммутационных источников питания на производительность EMC в потребительских устройствах
Переключение источников питания, обычно называемых источниками питания в режиме коммутации (SMPS), стало повсеместно распространенным в потребительской электронике. Их способность обеспечивать высокую эффективность преобразования в широком диапазоне входного напряжения, занимая при этом минимальное пространство на плате, делает их предпочтительным выбором для всего, от зарядных устройств смартфонов и адаптеров ноутбуков до телевизионных плат питания и ступеней питания IoT. Тем не менее, сам принцип работы, который предоставляет SMPS свою эффективность & mdash; быстрое переключение токов и напряжений на высоких частотах & mdash; также делает его значительным источником электромагнитных помех (EMI). Для инженеров, которым поручено вывести продукт на рынок, понимание взаимодействия между дизайном SMPS и производительностью электромагнитной совместимости (EMC) является не только техническим нюансом; это является предпосылкой для одобрения регулирующих органов и надежной работы на уровне системы. Плохая производительность EMC может привести к неудачным испытаниям на выбросы, ухудшению производительности радиосвязи в беспроводных устройствах и даже функциональным сбоям в смежных схемах. В этой статье рассматриваются механизмы, с помощью которых переключающие источники питания генерируют EMI
Основы коммутации источников питания и их шумовые подписи
SMPS регулирует выходное напряжение или ток, переключая силовой транзистор между полностью включенными и полностью выключенными состояниями на частоте, обычно варьирующейся от десятков килогерц до нескольких мегагерц. Энергия хранится в индуктивных и емкостных элементах во время каждого цикла переключения и затем передается на нагрузку. Быстрый переход между высокоточными и высоковольтными состояниями создает острые края, которые содержат богатое гармоническое содержание, распространяющееся хорошо в радиочастотный спектр. Это гармоническое содержание является основной причиной проводимых и излучаемых выбросов.
Как коммутационное действие генерирует шум
Каждое событие переключения производит переходный ток и переходное напряжение. Первичным источником дифференциального режима шума является пульсирующий входной ток, набираемый преобразователем. При включении переключателя большой поток ди/дт через петлю, образованную входным конденсатором, переключающим устройством и первичным трансформатором (или индуктором). Этот цикл действует как антенна малого цикла, излучающая энергию на частоте переключения и его гармониках. Кроме того, паразитные емкости между коммутационным узлом и землей создают пути для токов шума общего режима, которые протекают через шасси или заземление и появляются на входных и выходных кабелях.
Проводимые против радиационных выбросов
Стандарты EMC, включая CISPR 32 и FCC Part 15, различают проводящие выбросы (обычно измеряемые от 150 кГц до 30 МГц) и излучаемые выбросы (измеренные от 30 МГц до 1 ГГц или выше). Проводимый шум проходит по силовым и сигнальным проводам и измеряется с помощью сети стабилизации импеданса линии (LISN). Излучаемый шум, с другой стороны, соединяется непосредственно через воздух и измеряется с помощью антенны в безэховой камере. Оба типа выбросов должны контролироваться для устройства, чтобы пройти тестирование на соответствие. Переключение источников питания способствует обеим категориям: фундаментальная частота переключения и гармоники более низкого порядка доминируют в проводимой полосе, в то время как гармоники более высокого порядка и звон, вызванные паразитическими резонансами, становятся основными факторами, способствующими излучаемым выбросам.
Регуляторный ландшафт и коммерческие последствия
В Северной Америке, часть 15 FCC регулирует непреднамеренные радиаторы; в Европе, Директива EMC требует соблюдения гармонизированных стандартов, таких как EN 55032. Несоблюдение этих ограничений может привести к дорогостоящим редизайнам, задержкам запуска продукта и ограничениям доступа к рынку. Поскольку решения по проектированию SMPS непосредственно влияют на выбросы, производительность EMC должна рассматриваться с самых ранних стадий определения архитектуры мощности, а не быть модернизированной после того, как прототип не проходит тестирование. Дополнительная информация о глобальных правилах EMC доступна на странице EMC FCC &rsquo s и из системы сертификации IECEE .
Ключевые факторы, влияющие на производительность EMC в SMPS-дизайне
С точки зрения ЭМС не существует двух топологий или схем СМПС, которые бы вели себя одинаково. Несколько взаимосвязанных факторов определяют амплитуду и спектральное распределение выбросов, и каждый из них должен регулироваться путем тщательного согласования проектов.
Переключение частоты и выбор топологии
Более высокие частоты переключения уменьшают размер магнитных компонентов и выходных конденсаторов, что позволяет использовать компактные стадии мощности. Однако увеличение частоты переключения также повышает частоту ди/дт и dv/dt, что обычно увеличивает генерацию ЭМИ. Кроме того, гармоники более высокой фундаментальной частоты с большей вероятностью попадают в полосу измерения излучаемого излучения, что делает фильтрацию более сложной. Выбор топологии играет не менее важную роль. Отбор полумоста или полномостного преобразователя по своей сути производит более низкий шум в обычном режиме, чем обратный преобразователь, работающий в режиме прерывистой проводимости, потому что топология моста обеспечивает лучшее отключение токов через паразитные емкости. Инженеры должны взвесить преимущества эффективности и плотности высокочастотной работы против увеличенной фильтрации и экранирования, необходимых для соответствия пределам ЭМС.
Стратегия разработки и заземления ПХБ
Физическое расположение компонентов на печатной плате часто является единственным наиболее эффективным фактором в управлении EMI. Плохо расположенная SMPS может генерировать чрезмерный шум, даже если схема схемы безупречна. Критические правила компоновки включают минимизацию площади высокоточных коммутационных петель, размещение входного конденсатора как можно ближе к сливу и источнику коммутационного MOSFET и использование твердой плоскости на смежном слое для обеспечения возвратного пути с низким сопротивлением. Сшивание с помощью должно использоваться либерально для соединения наземных плоскостей через переходы слоев, особенно вблизи коммутационного узла и вокруг разъемов. Отделение шумной стадии питания от чувствительной аналоговой или цифровой схемы на печатной плате также необходимо. В многослойных платах выделение внутреннего слоя к тихому наземному эталону и разделение платы на функциональные зоны может значительно уменьшить перекрестное соединение.
Выбор компонентов и паразитарное управление
Каждый компонент в пути питания вносит свой вклад в профиль EMI. MOSFET с более быстрыми переходами переключения генерируют более высокий уровень шума dv/dt и di/dt, что увеличивает как общий режим, так и дифференциальный режим. Выбор устройств с соответствующей прочностью привода затвора и добавление резисторов затвора серии для замедления краев может уменьшить выбросы у источника. Snubber networks— типично резистор серии с конденсатором, размещенным через переключающее устройство или обмотки трансформатора— рассеивает энергию от паразитного звона и уменьшает высокочастотные гармоники. Ферритовые бусины, размещенные на входных и выходных линиях, обеспечивают затухание общего режима, в то время как X-конденсаторы и Y-конденсаторы также должны быть рассмотрены как основа проводимой фильтрации. Саморезонансная частота ] конденсаторов может показаться индуктивной на частоте 100 МГц, что делает его бесполезным для подавления высокочастотного звона. Тщательное понимание компонент
Ограждение и механическое щитовое
Радиационные выбросы, которые не могут быть устранены на уровне платы, должны содержаться в корпусе. Металлические корпуса создают клетку Фарадея, которая ослабляет электромагнитные поля, выходящие из источника питания. Для покрытия области SMPS могут использоваться пластиковые корпуса, проводящие покрытия или внутренние щитовые банки. Диафрагмы для соединителей, вентиляционных отверстий или дисплеев должны быть меньше длины волны самой высокой частоты, вызывающей озабоченность, для предотвращения утечки излучения. Гаскеты и проводящие пены используются на швах для поддержания электрической непрерывности. Эффективность экранирования измеряется в децибелах затухания; эффективность экранирования 30 дБ часто достаточна для потребительских применений, но для конструкций чувствительного медицинского или коммуникационного оборудования может потребоваться 60 дБ или более. Подробное руководство по конструкции корпуса для EMC можно найти в справочных работах, таких как Henry Ott & rsquo;s Электромагнитная совместимость Engineering и в примечаниях к применению от [[FLT
Стратегии проектирования для улучшения соответствия требованиям EMC
Разработка коммутационного источника питания, который проходит испытания ЭМС с первой попытки, требует систематического подхода, который учитывает выбросы на каждом этапе цикла проектирования. Доказано, что следующие стратегии обеспечивают измеримые улучшения как в проводимых, так и в излучаемых характеристиках.
Ввод и вывод фильтра дизайн
Правильно спроектированный EMI-фильтр, размещенный на входе источника питания, ослабляет проводимый шум до того, как он достигнет сети переменного тока или LISN. Типичный фильтр состоит из удушающего приглушения общего режима в сочетании с X-конденсаторами (размещенными между линией и нейтральным) и Y-конденсаторов (размещенными между линией или нейтральным и наземным). Фильтр должен быть спроектирован так, чтобы представлять высокое сопротивление токам общего режима при одновременном представлении низкого импеданса желаемому току частоты мощности. Частота отсечки фильтра должна быть значительно ниже самой низкой коммутационной гармоники, как правило, в диапазоне от 10 кГц до 100 кГц для потребительских SMPS. На стороне вывода вторичная стадия фильтра с использованием электролитического конденсатора с низким ESR и небольшого керамического конденсатора параллельно может подавлять рябь и предотвращать потерю высокочастотного шума от соединения с нагрузкой. Важно проверить потерю вставки фильтра во всей полосе измерения, поскольку паразитические резонансы в компонентах фильтра иногда могут создавать неожиданны
Снаббер-схемы и кольцевое подавление
Звон на стоке или узле источника коммутационного MOSFET является общим источником высокочастотных излучаемых выбросов. Это звонение вызвано резонансом между паразитной емкостью MOSFET и индуктивностью утечки трансформатора или индуктивности трансформатора. RC-скуббер, соединенный через коммутационное устройство или через обмотку трансформатора, влажет этот резонанс, уменьшая амплитуду звона и понижая гармоническое содержание. Выбор значения резистора является компромиссом: слишком низкое сопротивление вызывает чрезмерную потерю мощности; слишком высокое сопротивление обеспечивает недостаточное демпфирование. Стандартный подход заключается в измерении резонансной частоты и характеристического импеданса формы звонящей волны, затем выберите значение резистора снуббера близко к характеристическому импедансу и значение конденсатора, которое в 2–3 раза превышает паразитную емкость. Тепловое рассеивание в резисторе снуббера должно быть рассчитано и проверено во время нагрузочного тестирования.
Оптимизированные методы слайута для низкого EMI
Помимо основных правил минимизации площади петли и использования наземных плоскостей, передовые методы компоновки могут дополнительно уменьшать выбросы. Кельвинские соединения для схемы привода ворот обеспечивают, чтобы петля затвора не разделяла обратный путь с контуром тока питания, предотвращая соединение высокого ди/дт с контуром управления. Размещение коммутационного узла на внутреннем слое многослойной платы, а не на верхнем слое, позволяет внешним наземным плоскостям действовать как щиты, поглощающие излучаемую энергию. Сохранение всех следов, несущих высокочастотные сигналы, как можно короче и шире минимизирует индуктивность и излучение. Для многофазных преобразователей тщательное перемешивание фаз и симметричная компоновка силовых устройств может добиться отмены магнитных полей. Эти методы хорошо описаны в прикладных заметках от крупных производителей полупроводников, таких как Texas Instruments и Analog Devices.
Модуляция Spread-Spectrum
Модуляция частоты спред-спектра (SSFM) является все более популярным методом снижения пикового ЭМИ без добавления физических компонентов. Заведомо изменяя частоту переключения в малом диапазоне (обычно ± 5-10 % от номинальной частоты), энергия, которая в противном случае была бы сконцентрирована на одной фундаментальной частоте и ее гармоники распределены по более широкой полосе пропускания. Это уменьшает амплитуду пика, измеренную квазипиком или средним детектором, часто на 6-12 дБ. SSFM особенно эффективен для проводимых выбросов на фундаментальной частоте и гармониках низкого порядка. Однако он менее эффективен на очень высоких частотах, где отклонение FM мало относительно полосы пропускания измерения. Реализация может быть выполнена в контроллере IC или во внешней модулирующей схеме. Многие современные чипы контроллера SMPS включают встроенную возможность спред-спектра, что делает этот привлекательный вариант с нулевой стоимостью для сокращения выбросов.
Тестирование, измерение и общие подводные камни
Даже самые тщательно разработанные СМПС могут демонстрировать неожиданные пики выбросов при тестировании в реальном продукте.Понимание общих подводных камней измерения помогает инженерам быстро отлаживать сбои.
Предварительное соответствие против полного тестирования на соответствие
Полное тестирование на соответствие в аккредитованной лаборатории является дорогостоящим и трудоемким. Многие команды разработчиков инвестируют в установку перед соблюдением спектра с использованием анализатора спектра, LISN и зонда ближнего поля для выявления и устранения проблем с выбросами до окончательного сертификационного испытания. Предварительное тестирование не заменяет официальное испытание, но оно резко снижает риск отказа от испытаний. Во время предварительного соответствия устройство должно работать в наихудшем режиме (высокая нагрузка, низкая входная линия и наихудшая запись данных или радиоактивность) для обеспечения захвата всех возможных источников шума. Использование широкополосной антенны с низким уровнем шума или ячейки TEM позволяет производить излучаемые измерения в лабораторной среде с разумной точностью при условии, что уровень шума в окружающей среде достаточно низок.
Общие источники неожиданных выбросов
Несколько факторов могут привести к тому, что выбросы превысят прогнозы. Один из распространенных виновников - , связывание через трансформатор межвинтовых емкостей. Даже небольшая паразитическая емкость между первичными и вторичными обмотками может обеспечить путь для потока токов общего режима к нагрузке, а затем к земле, минуя входной фильтр. Защита трансформатора с помощью экрана Фарадея (слой медной фольги между обмотками, соединенными с тихим грунтом) может смягчить эту связь. Другой частой проблемой является резонанс самих компонентов фильтра; на частотах выше саморезонансной частоты конденсаторы становятся индуктивными и больше не шунтируют. Инженеры всегда должны проверять кривые импеданса конденсаторов, используемых в фильтре, и выбирать компоненты с высокими саморезонансными частотами. Наконец, маршрутизация кабеля внутри корпуса продукта может действовать как антенна. Кабель, несущий выходную мощность, должен быть отведен от стадии SMPS и,
Заключение и будущие направления
Переключение источников питания является краеугольным камнем современной потребительской электроники, но присущее им высокочастотное переключение делает их основной проблемой для производительности EMC. Ключ к успешному проектированию заключается в понимании механизмов генерации шума, применении дисциплины к компоновке печатных плат и выбору компонентов и использовании методов фильтрации и экранирования, которые соответствуют определенному спектру выбросов преобразователя. По мере того, как потребительские устройства продолжают уменьшаться в размерах, получая беспроводную связь и более высокую мощность, важность интегрированного EMC-знающего дизайна будет только расти. Новые тенденции, такие как нитрид галлия (GaN) FETs, которые переключаются на еще более высоких скоростях и частотах, чем кремниевые MOSFETs, потребуют еще более пристального внимания к паразитарному управлению и компоновке. В то же время, достижения в активном отмене EMI и цифровых методов управления обещают дать инженерам новые инструменты для подавления шума у источника. Овладев основами производительности SMPS EMC, дизайнеры могут сократить время разработки, избежать дорогостоящих сбоев сертификации и доставить продукты, которые надежно работают во все
Для инженеров, ищущих более глубокое практическое руководство, веб-сайт Electronic Design предлагает множество статей, ориентированных на приложения, по проектированию электроснабжения и смягчению последствий ЭМС. Кроме того, обновления стандартов и руководства по тестированию регулярно публикуются комитетом CISPR , что делает целесообразным для проектных команд оставаться в курсе меняющихся нормативных требований.