Kỹ thuật thiết kế để giảm emi trong mạch smps

Trong bài viết trước của tôi về EMI, chúng tôi đã xem xét bản chất cố ý / không chủ ý của các nguồn EMI và cách chúng ảnh hưởng đến hiệu suất của các thiết bị Điện / Điện tử khác (nạn nhân) xung quanh chúng. Tiếp theo là một bài báo khác về Khả năng tương thích điện từ (EMC), cung cấp những hiểu biết sâu sắc về sự nguy hiểm của EMI và đưa ra một số bối cảnh về mức độ xem xét EMI kém có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất thị trường của một sản phẩm, do các quy định bị kìm hãm hoặc lỗi chức năng.

Cả hai bài viết đều chứa các mẹo chung để giảm thiểu EMI (Đi hoặc Đến) trong thiết kế, nhưng trong vài bài tiếp theo, chúng tôi sẽ đi sâu hơn và xem xét cách giảm thiểu EMI trong một số đơn vị chức năng nhất định của sản phẩm điện tử của bạn. Chúng tôi sẽ bắt đầu mọi thứ bằng cách giảm thiểu EMI trong các bộ cấp nguồn với trọng tâm cụ thể là Bộ nguồn ở Chế độ chuyển đổi.

Chế độ chuyển đổi Nguồn điện là một thuật ngữ chung cho các nguồn điện AC-DC hoặc DC-DC sử dụng các mạch có hành động chuyển mạch nhanh để biến đổi / Chuyển đổi điện áp (buck hoặc boost). Chúng được đặc trưng bởi hiệu suất cao, hệ số hình thức nhỏ và tiêu thụ điện năng thấp, đã làm cho chúng trở thành nguồn cung cấp năng lượng được lựa chọn cho các thiết bị / sản phẩm điện tử mới, mặc dù chúng phức tạp hơn và khó thiết kế hơn đáng kể so với Nguồn cấp điện tuyến tính phổ biến. Tuy nhiên, ngoài sự phức tạp của thiết kế, SMPS thể hiện một mối đe dọa tạo EMI đáng kể do tần số chuyển mạch nhanh mà chúng sử dụng, để đạt được hiệu quả cao mà chúng đã biết.

Với nhiều thiết bị (nguồn / nạn nhân EMI tiềm năng) được phát triển mỗi ngày, việc khắc phục EMI đang trở thành một thách thức lớn đối với các kỹ sư và việc đạt được khả năng tương thích điện từ (EMC) đang trở nên quan trọng như việc thiết bị hoạt động chính xác.

Đối với bài viết hôm nay, chúng ta sẽ xem xét bản chất và nguồn của EMI trong SMPS, đồng thời xem xét một số kỹ thuật / phương pháp thiết kế có thể được sử dụng để giảm thiểu chúng.

Nguồn EMI trong SMPS

Giải quyết bất kỳ vấn đề EMI nào thường đòi hỏi sự hiểu biết về nguồn gây nhiễu, đường dẫn ghép nối đến các mạch khác (nạn nhân) và bản chất của nạn nhân có hiệu suất bị ảnh hưởng tiêu cực. Trong quá trình phát triển sản phẩm, hầu như không thể xác định tác động của EMI đối với các nạn nhân tiềm năng, do đó, các nỗ lực kiểm soát EMI thường tập trung vào việc giảm thiểu các nguồn phát xạ (hoặc giảm độ nhạy cảm) và loại bỏ / giảm các đường dẫn ghép nối.

Nguồn chính của EMI trong các bộ nguồn SMPS có thể bắt nguồn từ bản chất thiết kế và đặc điểm chuyển mạch vốn có của chúng. Trong quá trình chuyển đổi từ AC-DC hoặc DC-DC, các thành phần chuyển mạch MOSFET trong SMPS, bật hoặc tắt ở tần số cao, tạo ra một sóng sin giả (sóng vuông), có thể được mô tả bởi một chuỗi Fourier là tổng của nhiều sóng hình sin có tần số liên quan đến sóng hài. Phổ Fourier đầy đủ của sóng hài này, tạo ra từ hành động chuyển mạch sẽ trở thành EMI được truyền, từ nguồn điện đến các mạch khác trong thiết bị và đến các thiết bị điện tử gần đó nhạy cảm với các tần số này.

Bên cạnh tiếng ồn từ Chuyển mạch, một nguồn khác của EMI trong SMPS là quá trình chuyển đổi dòng điện nhanh (dI / dt) và điện áp (dV / dt) (cũng liên quan đến chuyển đổi). Theo phương trình của maxwell, dòng điện và điện áp xoay chiều này sẽ tạo ra một trường điện từ xoay chiều và trong khi cường độ của trường giảm theo khoảng cách, nó tương tác với các bộ phận dẫn điện (như dấu vết đồng trên PCB) hoạt động giống như ăng-ten và gây thêm tiếng ồn trên đường dây, dẫn đến EMI.

Bây giờ, EMI tại nguồn không quá nguy hiểm (đôi khi) cho đến khi nó được ghép nối với các mạch hoặc thiết bị lân cận (nạn nhân), như vậy, bằng cách loại bỏ / giảm thiểu các đường dẫn ghép nối tiềm ẩn, EMI thường có thể được giảm bớt. Như đã thảo luận trong bài viết “Giới thiệu về EMI”, khớp nối EMI thường xảy ra thông qua; dẫn điện (thông qua các đường dẫn không mong muốn / thay đổi vị trí hoặc cái gọi là "mạch lén"), cảm ứng (ghép nối bởi các phần tử cảm ứng hoặc điện dung như máy biến áp) và bức xạ (qua không khí).

Bằng cách hiểu các đường dẫn ghép nối này và cách chúng ảnh hưởng đến EMI trong bộ nguồn chế độ chuyển mạch, các nhà thiết kế có thể tạo hệ thống của họ theo cách giảm thiểu ảnh hưởng của đường dẫn ghép nối và giảm sự lan truyền của nhiễu.

Các loại cơ chế khớp nối EMI khác nhau

Chúng ta sẽ xem xét từng cơ chế khớp nối liên quan đến SMPS và thiết lập các yếu tố của thiết kế SMPS làm phát sinh sự tồn tại của chúng.

EMI bức xạ trong SMPS:

Ghép nối bức xạ xảy ra khi nguồn và bộ nhận (nạn nhân) hoạt động như ăng-ten vô tuyến. Nguồn phát ra sóng điện từ lan truyền trong không gian thoáng giữa nguồn và nạn nhân. Trong SMPS, sự lan truyền EMI bức xạ thường được kết hợp với dòng điện chuyển mạch có di / dt cao, được thúc đẩy bởi sự tồn tại của các vòng lặp với thời gian tăng dòng điện nhanh do bố trí thiết kế kém và thực hành đi dây làm phát sinh điện cảm rò rỉ.

Hãy xem xét mạch dưới đây;

Sự thay đổi dòng điện nhanh trong mạch làm phát sinh điện áp nhiễu (Vnoise) ngoài đầu ra điện áp bình thường (Vmeas). Cơ chế ghép nối tương tự như hoạt động của máy biến áp như Vnoise được cho bởi phương trình;

V _{tiếng ồn} = R _M / (R _S + R _M) * M * di / dt

Trong đó M / K là hệ số kết hợp phụ thuộc vào khoảng cách, diện tích và hướng của các vòng từ tính và sự hấp thụ từ giữa các vòng được đề cập - giống như trong máy biến áp. Do đó, trong các bố trí thiết kế / PCB với việc xem xét định hướng vòng lặp kém và diện tích vòng lặp dòng điện lớn, có xu hướng có mức EMI bức xạ cao hơn.

EMI được tiến hành trong SMPS:

Khớp nối dẫn xảy ra khi phát xạ EMI được truyền dọc theo dây dẫn (dây điện, cáp, vỏ và các vết đồng trên PCB) kết nối nguồn của EMI và bộ thu với nhau. EMI được kết hợp theo cách này phổ biến trên các đường cấp điện và thường nặng về thành phần trường H.

Khớp nối dẫn trong SMPS là Dẫn truyền ở chế độ chung (nhiễu xuất hiện cùng pha trên đường + ve và GND) hoặc Chế độ vi sai (nhiễu xuất hiện lệch pha trên hai dây dẫn).

Sự phát xạ dẫn theo chế độ phổ biến thường do điện dung ký sinh như của bộ tản nhiệt và máy biến áp cùng với cách bố trí bo mạch và dạng sóng điện áp chuyển đổi qua công tắc.

Mặt khác, phát xạ dẫn theo chế độ vi sai là kết quả của hoạt động chuyển mạch gây ra các xung dòng điện ở đầu vào và tạo ra các xung chuyển mạch dẫn đến sự tồn tại của nhiễu vi sai.

EMI quy nạp trong SMPS:

Khớp nối cảm ứng xảy ra khi có cảm ứng EMI điện (do ghép điện dung) hoặc từ tính (do ghép điện cảm) giữa nguồn và nạn nhân. Ghép điện hoặc Ghép điện dung xảy ra khi tồn tại một điện trường thay đổi giữa hai dây dẫn liền kề, gây ra sự thay đổi điện áp trên khoảng cách giữa chúng, trong khi ghép từ hoặc ghép cảm ứng xảy ra khi một từ trường thay đổi tồn tại giữa hai dây dẫn song song, gây ra sự thay đổi trong điện áp dọc theo dây dẫn nhận.

Tóm lại, trong khi nguồn chính của EMI trong SMPS là hành động chuyển đổi tần số cao cùng với chuyển tiếp di / dt hoặc dv / dt nhanh dẫn đến kết quả là các công cụ hỗ trợ tạo điều kiện cho việc truyền / lan truyền EMI được tạo ra tới các nạn nhân tiềm năng trên cùng một bảng. (hoặc hệ thống bên ngoài) là các yếu tố do lựa chọn linh kiện kém, bố trí thiết kế kém và sự tồn tại của điện cảm / điện dung lạc trong các đường dẫn dòng điện.

Kỹ thuật thiết kế để giảm EMI trong SMPS

Trước khi xem qua phần này, có thể hữu ích khi xem qua các tiêu chuẩn và quy định xung quanh EMI / EMC để nhận được lời nhắc về mục tiêu thiết kế là gì. Mặc dù các tiêu chuẩn khác nhau giữa các quốc gia / khu vực, hai tiêu chuẩn được chấp nhận rộng rãi nhất, nhờ sự hài hòa, được chấp nhận để chứng nhận ở hầu hết các khu vực bao gồm; các quy định về Kiểm soát EMI của FCC và CISPR 22 (Phiên bản thứ ba của Ủy ban đặc biệt quốc tế về nhiễu vô tuyến (CISPR), Pub. 22). Các chi tiết phức tạp của hai tiêu chuẩn này đã được tóm tắt trong bài viết tiêu chuẩn EMI mà chúng ta đã thảo luận trước đó.

Việc vượt qua các quy trình chứng nhận EMC hoặc chỉ đảm bảo thiết bị của bạn hoạt động tốt khi xung quanh các thiết bị khác yêu cầu bạn phải giữ mức phát thải của mình thấp hơn các giá trị được mô tả trong tiêu chuẩn.

Có khá nhiều cách tiếp cận thiết kế để giảm thiểu EMI trong SMPS và chúng tôi sẽ cố gắng đề cập đến chúng lần lượt.

1. Đi tuyến tính

Thành thật mà nói, nếu ứng dụng của bạn có đủ khả năng (tính chất cồng kềnh và không hiệu quả), bạn có thể tiết kiệm cho mình rất nhiều áp lực EMI liên quan đến Nguồn điện bằng cách sử dụng Nguồn điện tuyến tính. Chúng không tạo ra EMI đáng kể và sẽ không tốn nhiều thời gian và tiền bạc để phát triển. Đối với hiệu quả của chúng, ngay cả khi nó có thể không ngang bằng với SMPS, bạn vẫn có thể nhận được mức hiệu quả hợp lý bằng cách sử dụng bộ điều chỉnh tuyến tính LDO.

2. Sử dụng mô-đun nguồn

Thực hiện theo các phương pháp hay nhất để đạt được hiệu suất EMI tốt đôi khi có thể không đủ tốt. Trong những tình huống mà bạn dường như không thể tìm thấy thời gian hoặc các nguồn lực khác để điều chỉnh và nhận được kết quả EMI tốt nhất, một cách tiếp cận thường hoạt động là chuyển sang mô-đun Nguồn.

Các mô-đun nguồn không hoàn hảo, nhưng có một điều chúng đảm bảo bạn không rơi vào bẫy của các thủ phạm EMI thông thường như bố cục thiết kế xấu và điện cảm / điện dung ký sinh. Một số mô-đun nguồn tốt nhất trên thị trường đã giải thích nhu cầu vượt qua EMI và được thiết kế để giúp phát triển các bộ nguồn nhanh chóng và dễ dàng, với hiệu suất EMI tốt. Các nhà sản xuất như Murata, Recom, Mornsun, v.v. có nhiều loại Mô-đun SMPS đã xử lý các vấn đề về EMI và EMC cho chúng tôi.

Ví dụ, chúng thường có hầu hết các thành phần như cuộn cảm, được kết nối nội bộ bên trong gói, do đó, một khu vực vòng lặp rất nhỏ tồn tại bên trong mô-đun và EMI bức xạ bị giảm. Một số mô-đun đi xa đến mức che chắn các cuộn cảm và nút chuyển đổi để ngăn EMI bức xạ từ cuộn dây.

3. Che chắn

Một cơ chế bạo lực để giảm EMI là che chắn SMPS bằng kim loại. Điều này đạt được thông qua việc bố trí các nguồn tạo tiếng ồn trong bộ nguồn, bên trong vỏ bọc dẫn điện (kim loại) được nối đất, với giao diện duy nhất với các mạch bên ngoài là thông qua bộ lọc trong dòng.

Tuy nhiên, việc che chắn làm tăng thêm chi phí vật liệu và kích thước PCB cho dự án, do đó, nó có thể là một ý tưởng tồi cho các dự án có mục tiêu chi phí thấp.

4. Tối ưu hóa bố cục

Bố cục thiết kế được coi là một trong những vấn đề chính tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền EMI trên toàn mạch. Đây là lý do tại sao, một trong những kỹ thuật chung, rộng rãi để giảm EMI trong SMPS là Tối ưu hóa bố cục. Đôi khi nó là một thuật ngữ khá mơ hồ vì nó có thể có nghĩa là những thứ khác nhau, từ việc loại bỏ các thành phần ký sinh đến việc tách các nút ồn ào khỏi các nút nhạy cảm với tiếng ồn và giảm diện tích vòng lặp hiện tại, v.v.

Một số mẹo tối ưu hóa bố cục cho các thiết kế SMPS bao gồm;

Bảo vệ các nút nhạy cảm với tiếng ồn khỏi các nút ồn ào

Điều này có thể được thực hiện bằng cách đặt chúng càng xa nhau càng tốt để ngăn chặn sự ghép nối điện từ giữa chúng. Một số ví dụ về các nút nhạy cảm với tiếng ồn và nhiễu được cung cấp trong bảng dưới đây;

Nút ồn ào	Các nút nhạy cảm với tiếng ồn
Cuộn cảm	Đường dẫn cảm biến
Chuyển đổi các nút	Mạng lưới bồi thường
Tụ điện dI / dt cao	Ghim phản hồi
FET	Mạch điều khiển

Giữ dấu vết cho các nút nhạy cảm với tiếng ồn ngắn

Các dấu vết đồng trên PCB hoạt động như ăng-ten cho EMI bức xạ, do đó, một trong những cách tốt nhất để ngăn các dấu vết kết nối trực tiếp với các nút Nhạy cảm với tiếng ồn thu được EMI bức xạ là giữ chúng càng ngắn càng tốt bằng cách di chuyển các thành phần mà chúng có để được kết nối, càng gần càng tốt. Ví dụ, một dấu vết dài từ mạng chia điện trở đi vào chân phản hồi (FB) có thể hoạt động như một ăng-ten và thu nhận EMI bức xạ xung quanh nó. Tiếng ồn được đưa đến chân Feedback sẽ tạo thêm tiếng ồn ở đầu ra của hệ thống, làm cho hiệu suất của thiết bị không ổn định.

Giảm khu vực vòng lặp tới hạn (ăng-ten)

Dấu vết / Dây mang dạng sóng chuyển mạch phải càng gần nhau càng tốt.

EMI bức xạ tỷ lệ thuận với độ lớn của dòng điện (I) và diện tích vòng lặp (A) mà nó chạy qua, như vậy, bằng cách giảm diện tích của dòng điện / điện áp, chúng ta có thể giảm mức độ của EMI bức xạ. Một cách tốt để làm điều này cho các đường dây điện là đặt đường dây điện và đường dẫn trở lại với nhau trên các lớp liền kề của PCB.

Giảm thiểu điện cảm lạc chỗ

Trở kháng của một vòng dây (góp phần tạo ra EMI bức xạ tỷ lệ với diện tích của nó) có thể được giảm bằng cách tăng kích thước của các rãnh (đường dây điện) trên PCB và định tuyến nó song song với đường trở lại của nó để giảm điện cảm của các rãnh..

Nối đất

Một mặt đất liền mạch nằm trên các bề mặt bên ngoài của PCB cung cấp đường trở lại ngắn nhất cho EMI, đặc biệt khi nó nằm ngay bên dưới Nguồn EMI, nơi nó triệt tiêu EMI bức xạ đáng kể. Tuy nhiên, máy bay mặt đất có thể là một vấn đề nếu bạn cho phép cắt qua chúng bởi các dấu vết khác. Việc cắt có thể làm tăng diện tích vòng lặp hiệu quả và dẫn đến các mức EMI đáng kể do dòng điện trở lại phải tìm một con đường dài hơn để đi xung quanh vết cắt, để quay trở lại nguồn hiện tại.

Bộ lọc

Bộ lọc EMI là phải có đối với nguồn điện, đặc biệt là để giảm thiểu EMI dẫn điện. Chúng thường nằm ở đầu vào và / hoặc đầu ra của nguồn điện. Ở đầu vào, chúng giúp lọc tiếng ồn từ nguồn điện và ở đầu ra, nó ngăn tiếng ồn từ nguồn cung cấp ảnh hưởng đến phần còn lại của mạch.

Trong thiết kế các bộ lọc EMI để giảm thiểu EMI dẫn truyền, điều quan trọng là phải xử lý phát xạ dẫn ở chế độ chung riêng biệt với phát xạ chế độ vi sai vì các thông số để bộ lọc xử lý chúng sẽ khác nhau.

Đối với lọc EMI chế độ vi sai, các bộ lọc đầu vào thường được tạo thành từ tụ điện và tụ gốm, kết hợp với nhau, để làm giảm hiệu quả dòng điện chế độ vi sai ở tần số chuyển mạch cơ bản thấp hơn và cả ở tần số hài cao hơn. Trong các tình huống cần triệt tiêu thêm, một cuộn cảm được thêm nối tiếp với đầu vào để tạo thành bộ lọc thông thấp LC một tầng.

Đối với chế độ Chung được tiến hành lọc EMI, quá trình lọc có thể đạt được hiệu quả bằng cách kết nối các tụ điện rẽ nhánh giữa đường dây điện (cả đầu vào và đầu ra) và đất. Trong các tình huống cần thêm sự suy giảm, cuộn cảm cuộn cảm ghép nối tiếp có thể được mắc nối tiếp với đường dây điện.

Nói chung, các thiết kế bộ lọc nên xem xét các tình huống xấu nhất khi lựa chọn các thành phần. Ví dụ: EMI chế độ chung sẽ tối đa với điện áp đầu vào cao, trong khi chế độ khác biệt EMI sẽ tối đa với điện áp thấp và dòng tải cao.

Phần kết luận

Xem xét tất cả các điểm được đề cập ở trên khi thiết kế bộ nguồn chuyển đổi thường là một thách thức, nó thực sự là một trong những lý do tại sao giảm thiểu EMI được coi là “nghệ thuật đen tối” nhưng khi bạn quen với nó hơn, chúng trở thành bản chất thứ hai.

Nhờ IoT và những tiến bộ khác nhau trong công nghệ, khả năng tương thích điện từ và khả năng chung của mỗi thiết bị hoạt động bình thường trong điều kiện hoạt động bình thường, mà không ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động của các thiết bị khác trong phạm vi gần của nó, thậm chí còn quan trọng hơn trước đây. Các thiết bị không được dễ bị ảnh hưởng bởi EMI từ các nguồn cố ý hoặc vô ý lân cận và chúng cũng phải đồng thời không gây nhiễu (cố ý hoặc vô ý) ở các mức có thể dẫn đến các thiết bị khác hoạt động sai.

Vì các lý do liên quan đến chi phí, điều quan trọng là phải xem xét EMC ở giai đoạn đầu của thiết kế SMPS. Điều quan trọng là phải xem xét cách kết nối nguồn điện với thiết bị chính ảnh hưởng đến động lực học EMI trong cả hai thiết bị như thế nào, vì trong hầu hết các trường hợp, đặc biệt là đối với SMPS nhúng, bộ nguồn sẽ được chứng nhận cùng với thiết bị như một khối và bất kỳ lỗi nào hoặc có thể dẫn đến thất bại.