Anahtarlamalı güç kaynağındaki EMI kaynağı ve güç modülünün EMI'yi nasıl azaltabileceği hakkında konuşmak
Üreticilerin ticari yeniden satış onayı alabilmesi için giderek daha fazla uygulamanın EMI standartlarını geçmesi gerekir. Güç kaynağının değiştirilmesi, EMI'nin radyasyon üretebileceği cihazın içinde elektronik anahtarlar olduğu anlamına gelir.
Bu makale, güç kaynaklarının değiştirilmesindeki EMI kaynaklarını ve EMI'yi azaltma yöntem veya tekniklerini tanıtacaktır. Bu makale ayrıca güç modülünün (kontrolör, yüksek taraf ve alçak taraf FET ve tek bir pakette indüktör paketi) EMI'yi azaltmaya nasıl yardımcı olabileceğini gösterecektir.
Anahtarlamalı güç kaynağında EMI kaynağı
Birincisi, fizik kanunlarına saygı duyulmalıdır. Maxwell denklemlerine göre, alternatif akım elektromanyetik alanlar oluşturabilir. Bu fenomen, bir salınım devresi oluşturabilen bir miktar kapasitans ve endüktansa sahip her elektrik iletkeninde meydana gelir. Osilatör devresi, elektromanyetik enerjiyi belirli bir frekansta uzaya yayar (f = 1 / (2 * * sqrt (LC))). Devre, elektromanyetik enerjinin bir vericisi gibi davranır, ancak aynı zamanda elektromanyetik enerji alabilir ve bir alıcı görevi görebilir. Anten tasarımı, iletilen veya alınan enerjiyi maksimize etmektir.
Ancak her uygulama bir anten gibi olmamalıdır ve bu tasarımın olumsuz etkileri olabilir. Örneğin, kademeli güç kaynakları anahtarlama, yüksek voltajları daha düşük voltajlara dönüştürmek için tasarlanmıştır, ancak bunlar aynı zamanda AM frekans bandı gibi diğer uygulamalara müdahale edebilen (zararlı) elektromanyetik dalga vericileri olarak işlev görür. Bu etkiye EMI denir.
Düzgün çalışmayı sağlamak için EMI kaynaklarını en aza indirmek çok önemlidir. Uluslararası Radyo Paraziti Özel Komitesi (CISPR), otomotiv elektrik uygulamaları için bir kriter olarak CISPR 25 ve bilgi teknolojisi ekipmanı için CISPR 22 gibi çeşitli standartları tanımlar.
Güç kaynağı tasarımının EMI radyasyonu nasıl azaltılır? Yöntemlerden biri, anahtarlama güç kaynağını metal ile tamamen korumaktır. Ancak çoğu uygulamada bu yöntem maliyet ve alan nedeniyle uygulanamaz. EMI kaynaklarını azaltmak ve optimize etmek daha iyi bir yöntemdir. Birçok belge bu konuyu ayrıntılı olarak tartışmıştır; bu makale iki yaklaşım önermektedir.
Güç kaynaklarının değiştirilmesindeki ana EMI kaynaklarını ve güç modüllerinin neden EMI'yi kolayca azaltmanıza yardımcı olabileceğini gözden geçirelim.
Düzendeki mevcut döngüyü azaltın
Adından da anlaşılacağı gibi, dönüşüm için anahtarlama güç kaynakları kullanılır. İşlevleri, giriş voltajını birkaç yüz kilohertz ila birkaç megahertz arası bir frekansta açmak ve kapatmaktır. Bu, hızlı akım dönüşümüne (dI / dt) ve hızlı voltaj dönüşümüne (dV / dt) yol açar. Maxwell denklemlerine göre, alternatif akım ve voltaj, alternatif elektromanyetik alanlar üretir. Bu elektromanyetik alanlar kökenlerinden radyal olarak yayılır ve yoğunlukları uzaklaştıkça azalır.
Şekil 1. Anahtarlamalı bir güç kaynağından gelen EMI, yükü ve ana güç kaynağını etkileyecektir.
Anahtarlamalı güç kaynağındaki EMI kaynak güç modülünün, uygulamanın iletken kısımlarına müdahale edecek EMI manyetik alanını ve elektrik alanını nasıl azaltabileceğinden (örneğin, bir anten gibi baskılı devre kartındaki [PCB] bakır iz) ve hatta ek gürültü oluşturduğundan bahsedersek, EMI'ye yol açacaktır (bkz. Şekil 1). Aslında, birkaç watt gücün dönüşümü EMI radyasyon aralığını genişletecektir.
Şekil 4. Pim düzenlemesi döngü alanını azaltmaya yardımcı olur. Sol resim: optimize edilmiş pim düzeni; sağ resim: optimize edilmemiş düzen, iyi bir düzen oluşturmak neredeyse imkansızdır.
Yayılan elektromanyetik enerji, akım miktarı (I) ve içinden geçen döngü alanı (A) ile orantılıdır. AC akım ve voltaj döngülerinin alanını azaltmak EMI'yi azaltmaya yardımcı olur (bkz. Şekil 2 ve Şekil 3).
Pin düzenine odaklanmak (bkz. Şekil 4), yüksek dI / dt döngüsünün alanını azaltarak iyi bir düzen tasarlamanıza yardımcı olabilir. Örneğin, düğümleri değiştirmek, yüksek akım değişikliklerine (dI) ve yüksek voltaj geçişlerine (dV) neden olabilir. İyi bir pim düzenlemesi, sese duyarlı pimleri ve gürültü pimlerini ayırabilir. Anahtar düğümü ve başlatma pini, gürültüye duyarlı geri bildirim pimlerinden mümkün olduğunca uzakta olmalıdır. Ek olarak, giriş pimi ve toprak pimi bitişik olmalıdır. Bu, PCB üzerindeki kablolamayı ve giriş kapasitörünün yerleşimini basitleştirir.
Şekil 5, LMR23630 SIMPLE SWITCHER dönüştürücünün geliştirilmiş değerlendirme modülünü (EVM) göstermektedir. İki giriş kondansatörü, giriş pinlerinden yaklaşık 2,5 cm uzaklıktadır. Bu düzenlemenin nedeni, zayıf bir düzeni simüle etmektir, çünkü mevcut döngü alanı (Şekil 5'teki kırmızı dikdörtgen) veri sayfasının gerektirdiğinden ve önerdiğinden daha büyüktür. Şekil 5'teki eliptik kırmızı şekil, dönüştürücü ve indüktör arasındaki anahtarlama düğümünü temsil eder. IC ile indüktör arasındaki döngü alanı ne kadar küçükse o kadar iyidir.
Anahtarlamalı güç kaynağındaki EMI kaynağı hakkında konuşma Güç modülü EMI'yi nasıl azaltır Şekil 5. Giriş pini ile giriş kondansatörü arasında geniş bir döngü alanı (kırmızı dikdörtgen) olan yanlış bir yerleşim örneği. IC ve indüktör arasında ikinci bir döngü alanı (eliptik kırmızı şekil) oluşturulur.
Şekil 6'daki grafik, LMR23630 dönüştürücünün EMI radyasyonunu gösterir, burada sadece VIN, GND ve giriş kondansatörü arasında oluşan döngü alanı farklıdır. İyi bir düzende, kondansatör giriş pini ve toprak pimine mümkün olduğunca yakındır (döngü alanı mümkün olduğu kadar küçüktür). Kötü bir düzende, giriş kondansatörü giriş piminden 2,5 cm uzaklıktadır ve bu nedenle daha büyük bir döngü alanı oluşturur.
Şekil 6. LMR23630 dönüştürücünün giriş kapasitörünün düzeninin EMI radyasyonu üzerindeki etkisi.
Şekil 6'daki grafiğin kırmızı çizgisi, zayıf bir yerleşimin EMI radyasyonunu temsil etmektedir. Mavi çizgi, aynı EVM ile iyi bir düzenin EMI radyasyonunu temsil eder. Bir döngünün alanını değiştirmek çok büyük bir etkiye sahip olabilir. LMR23630 dönüştürücünün EMI radyasyon seviyesi 20 dBV / m'den fazla azaltılabilir.
Şekil 7. Farklı tipteki güç modüllerinin iç yapısı. Her iki durumda da, indüktör IC kalıbının üstünde bulunur.
Bu nedenle, bir düşürücü dönüştürücü veya bir düşürücü güç modülü ile tasarım yaparken, giriş kapasitörünün nasıl yerleştirileceği ilk düşüncelerden biri olmalıdır. Güç modülünün aşağıdaki avantajları da vardır: İndüktör ve IC arasındaki kritik döngü alanı optimize edilmiştir. İndüktör, paketin içindeki entegre devreye bağlanır (bkz. Şekil 7). Bu yerleşim, paketin içinde daha küçük bir döngü alanı oluşturacaktır. Bu nedenle, baskılı devre kartı üzerindeki gürültü anahtarı düğümünün kablolanması gerekli değildir.
Bobinden elektromanyetik radyasyonu önlemek için indüktörlerin çoğu güç modülünde korumalıdır. Yüksek akım-voltaj dönüşümü, indüktöre çok yakın bir yerde gerçekleşir ve anahtar düğümünün elektromanyetik alanının bir kısmı korumalıdır ve indüktör, kurşun çerçevenin üstünde bulunur (bkz.Şekil 7).
Hızlı voltaj ve akım geçişleri
Hızlı geçişler anahtarlama düğümünde çalmaya neden olabilir ve bu da EMI'ye neden olabilir. Bazı durumlarda, dönüştürücü başlatma pimine bağlanabilir. Başlangıç kapasitörüyle seri olarak bir direnç yerleştirmek yükselme süresini (dt) artırır, bu da EMI'yi azaltırken verimliliği düşürür.
Şekil 8. LMR23630 dönüştürücünün anahtar düğümüne bir başlatma direnci eklemenin etkisi. EMI radyasyonu düşüktür, ancak yüksek anahtarlama kayıpları nedeniyle verimlilik azalır.
Şekil 8, LMR23630 EVM'nin EMI emisyon taramasını göstermektedir. Düzeni değiştirdikten sonra, kötü bir yerleşimi simüle etmek ve başlangıç kapasitörünün yerleştirilmesinin EMI özelliklerini nasıl etkileyeceğini göstermek için giriş kapasitörünü pimden yaklaşık 2,5 cm uzağa yerleştirin. Düzeni tamamen değiştirmektense tasarıma fazladan bir başlangıç kondansatörü koymak daha kolay olabilir. Acil bir durumda, tasarlarken her zaman başlangıç kondansatörünü dikkate almanız önerilir. Değilse, PCB üzerindeki alanı azaltmak için 0 dirençler kullanabilirsiniz.
Başlangıç direncini başlangıç kondansatörü ile seri olarak koymak EMI spektrumunu azaltabilir. Belirli frekans aralıklarındaki emisyonlar 6dB'ye kadar azaltılabilir. Şekil 8 aynı zamanda verimlilik dengesini de göstermektedir. Yükselme süresini dt kısaltmak için 30.1 direnç kullanın, böylece verimliliği% 1'den fazla azaltın.
Bu noktayı daha fazla açıklamak için güç kaybına bakın. Tam yükte (3A) güç kaybı 1,9 W'tan 2,1 W'a yükseltildi. Güç kaybı% 10'u aştığında, ısı dağılımı sorunlarına neden olabilir.
Anahtar düğümü pimi ile toprak pimi arasına küçük bir Schottky diyot yerleştirmek, ters geri kazanım akımını azaltabilir, böylece eşzamanlı dönüştürücüdeki anahtar düğümü akım çınlaması dl'yi azaltabilir, ancak bu malzeme listesi (BOM) maliyetini artıracaktır. Alternatif olarak, anahtar düğümü ile toprak arasında ekstra büyük paket kapasitansı ve direnci içeren bir snubber ağı ekleyebilirsiniz. Tampon, anahtar düğümü zilinin enerjisini tüketebilir, ancak ek bileşenlerin zil frekansını bilmesi ve doğru şekilde hesaplaması gerekir. Bu yöntem aynı zamanda anahtarlamalı güç kaynağının verimliliğini de azaltacaktır.
Akım yolunda parazitik endüktans ve kapasitans
Senkronize kovalı dönüştürücüler için, her bir IC mimarisi, EMI radyasyonu olarak tezahür eden farklı yoğunlukta gürültü üretecektir. Ancak bu öğeyi veri sayfasından bulmak zordur. PCB düzeni, ürün reçetesi bileşenleri ve diğer faktörler EMI özelliklerini etkileyebileceğinden, çoğu veri sayfası EMI diyagramları sağlamaz. Şanslıysanız, EVM kullanıcı kılavuzu bu özel tasarım için bir EMI karakteristik diyagramı sağlayacaktır. Ancak tasarımınız EVM'nin düzenine ve ürün reçetesine uymuyorsa, tasarladığınız uygulamanın EMI özellikleri çok farklı olabilir. Güç modülü düzeni basitleştirir ve hızlı ve kolay bir tasarım gerçekleştirir çünkü yalnızca bazı temel kuralları göz önünde bulundurmanız gerekir. Örneğin, zemin düzlemindeki izlerin veya kesiklerin sayısını en aza indirin; gerekirse bunları mevcut yöne paralel olacak şekilde tasarlayın (Şekil 9).
Şekil 9. PCB'deki kesikler ve izler akımı etkiler ve dolayısıyla yayılan EMI'yi de etkiler.
Gürültüye duyarlı düğümleri gürültü düğümlerinden koruyun
Gürültüye duyarlı düğümleri olabildiğince kısaltın ve gürültü düğümlerinden uzak tutun. Örneğin, direnç bölücü ağdan geri besleme (FB) pinine olan uzun iz, bir anten görevi görebilir ve elektromanyetik radyasyondan gelen gürültüyü yakalayabilir (Şekil 10). Bu gürültü FB pinine girecek ve çıkışta ek gürültüye neden olacak ve hatta cihazı kararsız hale getirecektir. Anahtarlamalı buck regülatörünün düzenini tasarlarken tüm bunları dikkate almak oldukça zordur.
Gürültüye duyarlı düğüm
Geri bildirim pimi anahtar düğümü
Frekans ayar indüktörü
Kompanzasyon ağı yüksek dI / dt kapasitör
Algılama yolu için FET, diyot vb.
Tablo 1. Buck dönüştürücüdeki gürültüye duyarlı düğümler ve gürültü düğümleri örnekleri.
Anahtarlamalı güç kaynağındaki EMI kaynağı hakkında konuşma Güç modülü EMI'yi nasıl azaltır Şekil 10. Direnç bölücüyü her zaman FB pinine mümkün olduğunca FB pinine yakın yerleştirin.
Modülün avantajı, gürültüye duyarlı düğümleri ve gürültü düğümlerini minimumda tutmak ve böylece yanlış yerleşim olasılığını en aza indirmektir. Unutulmaması gereken tek şey, FB pininin izini olabildiğince kısa tutmaktır.
sonuç olarak
Anahtarlamalı dönüştürücülerde EMI'yi ayarlamak için kullanılan birçok düğme vardır, ancak en iyi çözümü uygulamak uygun olmayabilir. En iyi yapılandırmayı bulmak, çok değerli tasarım zamanı gerektirir. Güç modülleri zaten FET'leri ve indüktörleri içerir, bu da iyi EMI özelliklerine sahip bir güç kaynağı tasarımı oluşturmayı ve tamamlamayı basit ve hızlı hale getirir. Bir düşürme modülüyle tasarım yaparken en kritik nokta, EMI özelliklerini önemli ölçüde iyileştirmeye yardımcı olan bazı harici bileşenlerin yerleştirilmesidir.
Dönüştürücüler ve güç modüllerinin EMI karşılaştırması
Önceki makale, güç kaynaklarının değiştirilmesinde EMI'nin kaynağını ve EMI'nin nasıl azaltılacağını açıkladı. Şimdi, bu makale, modülün aynı entegre devreyi (IC) kullanan bir dönüştürücü ile güç modülü arasındaki ölçüm sonuçlarını karşılaştırarak EMI emisyonlarının azaltılmasına nasıl yardımcı olabileceğini gösterecek. Her ikisi de TInin SIMPLE SWITCHER ürün serisindendir, dönüştürücü LMR23630, güç modülü LMZM33603 ve LMR23630 IC kullanılır. Aynı BOM numarasını elde etmek için iki cihazın EVM'sinde kısmi değişiklikler yapılır, bu nedenle sonuç yalnızca seçilen bileşenlere (dönüştürücü veya güç modülü) ve yerleşime bağlıdır. Her iki EVM'nin de optimize edilmiş iyi bir düzeni vardır. Bundan sonra, kapasitörün giriş piminden uzağa yerleştirilmesi kötü bir yerleşim planına neden olur.
LMR23630 dönüştürücü performansı
Şekil 11. Farklı giriş kondansatörü düzenlerine sahip LMR23630 dönüştürücülerin EMI emisyonları.
Şekil 11, farklı tasarım düzenleri için dört farklı EMI spektrumunu göstermektedir. Tasarım düzeni en iyiden en kötüye doğru düzenlenmiştir (Şekil 5'e benzer, ancak adımları ayırır). İlk ölçümde (iyi düzen / mavi çizgi), EVM düzeninde hiçbir değişiklik yapılmadı (iyi bir düzendeki tüm giriş kapasitörleri giriş pinlerine çok yakındır). İkinci ölçümde (küçük kapasitör yakın / kırmızı çizgi), iki 4.7F kapasitör giriş pininden 2.5 cm uzağa yerleştirilir. Küçük bir 0.22F kapasitör, giriş pinine çok yakındır. Üçüncü (yeşil kablodan küçük kapasitör uzakta) ve dördüncü (küçük kapasitör / mor kablo yok) ölçümlerinde, küçük kapasitör giriş piminden 2,5 cm uzakta ve sonra tamamen çıkarılmış.
Şekil 11'de giriş kapasitörünün yerleştirilmesinin kritik olduğunu görebilirsiniz. Küçük giriş kapasitörünü giriş pininden uzağa yerleştirmek veya tamamen çıkarmak CISPR 22 A3M standardını ihlal eder. Küçük kapasitörlerin giriş pinlerine yakın yerleştirilmesi, yüksek frekans döngü alanını en aza indirebilir. Küçük bir kapasitör, yüksek frekanslı gürültüyü filtreleyebilirken, daha büyük bir kapasitör düşük frekanslı gürültüyü filtreleyebilir.
Güç modülü paketi genellikle küçük bir giriş kapasitörü içerir. Düzen zayıf olduğunda güç modülünün performansına bakalım.
LMZM33603 güç modülünün performansı
Şekil 12, en iyiden en kötüye doğru düzenlenen güç modüllerinin EVM düzenini gösterir. Mavi çizgi, değişmemiş EVM'nin EMI radyasyonunu temsil eder. Kırmızı ve yeşil çizgiler kötü yerleşimi gösterir Hatlardan birinde PCB'nin altında bulunan iki adet 4.7F giriş kapasitörüne sahiptir (kırmızı çizgi). Yeşil çizgi üzerindeki kapasitör, giriş piminden yaklaşık 3,5 cm uzaklıktadır (Şekil 13'te kırmızı bir oval ile vurgulanmıştır). Şekil 13'teki kalın kırmızı çizgi ayrıca değiştirilmiş EVM'yi ve VIN, giriş kondansatörü ve toprak arasında oluşan kritik döngü alanını gösterir. EMI özellikleri bozulur, ancak CISPR 22 A3M standardını ihlal etmez. Güç kaynaklarının değiştirilmesinde EMI kaynaklarından bahsedilir. Güç modülleri EMI'yi nasıl azaltabilir? Güç modülleri yerleşim tasarım hatalarını düzeltebilir
Şekil 14, LMR23630 dönüştürücü (kırmızı çizgi) ile LMZM33603 güç modülünü (mavi çizgi) tek bir çizelgede karşılaştırmaktadır. Her ikisinin de benzer kötü düzenleri vardır ve tüm harici giriş kapasitörleri giriş pinlerinden uzak tutulur.
Açıkçası, LMZM33603 güç modülünün EMI radyasyon özellikleri LMR23630 dönüştürücününkinden daha iyidir. İki düzen mükemmel olmasa da, güç modülü CISPR testini geçecek ve dönüştürücü testi geçemeyecektir.
Şekil 14. TI LMR23630 dönüştürücü ve LMZM33603 güç modülünün EMI özelliklerinin karşılaştırılması.
sonuç olarak
Daha önce belirtildiği gibi, güç kaynaklarını değiştirmek için iyi bir düzen tasarımı oluşturmak zordur. Deneyimli mühendisler bile, giriş kapasitörlerinin yanlış yerleştirilmesi gibi hataları kolaylıkla yapabilir.
Güç modülü, tasarım düzeni hatalarını azaltmak için daha elverişlidir. EMI özelliklerini karşılama açısından, güç kaynaklarını değiştirmek için idealdirler ve tasarım süresinin verimli kullanımı için gereklidirler.
