Düşük EMI güç kaynağı kalabalık bir devre kartıyla karşılaştığında ne yapmalısınız?
Kaynak: ADI
Sınırlı ve küçülen devre kartı alanı, dar tasarım döngüleri ve katı elektromanyetik girişim (EMI) spesifikasyonları (CISPR 32 ve CISPR 25 gibi) bu sınırlayıcı faktörler, yüksek verimli ve iyi termal performansa sahip güç kaynakları elde etmeyi zorlaştırmıştır. Tüm tasarım döngüsünde, güç kaynağı tasarımı genellikle tasarım sürecinin son aşamasındadır, tasarımcıların karmaşık güç kaynağını daha kompakt bir alana sıkıştırmak için çok çalışması gerekir, bu da sorunu daha karmaşık ve çok sinir bozucu hale getirir. Tasarımın zamanında tamamlanabilmesi için performans açısından sadece bazı tavizler verebilir, problemi işlenmek üzere test ve doğrulama bağlantısına bırakabiliriz. Basitlik, yüksek performans ve çözüm boyutuyla ilgili üç husus genellikle birbiriyle çelişir: yalnızca bir veya ikisine öncelik verilebilir ve üçüncüsü, özellikle son tasarım tarihi yaklaşırken atılmalıdır. Bazı performanstan ödün vermek sıradan hale geldi, ancak durum böyle olmamalı.
Bu makale ilk olarak karmaşık elektronik sistemlerdeki güç kaynaklarının neden olduğu ciddi sorunları özetlemektedir: EMI, genellikle gürültü olarak adlandırılır. Güç kaynağı çözülmesi gereken EMI üretir Peki sorunun kaynağı nedir? Olağan hafifletme önlemleri nelerdir? Bu makale, EMI'yi azaltmaya yönelik stratejileri tanıtır ve EMI'yi azaltabilen, verimliliği koruyabilen ve güç kaynağını sınırlı çözüm alanına yerleştirebilen bir çözüm önerir.
EMI nedir?
Elektromanyetik girişim, sistem performansını etkileyebilecek elektromanyetik bir sinyaldir. Bu parazit, devreyi elektromanyetik indüksiyon, elektrostatik kuplaj veya iletim yoluyla etkiler. Otomotiv, medikal ve test ve ölçüm ekipmanı üreticileri için önemli bir tasarım sorunudur. Yukarıda bahsedilen sınırlamaların çoğu ve sürekli artan güç kaynağı performans gereksinimleri (artan güç yoğunluğu, daha yüksek anahtarlama frekansı ve daha yüksek akım) yalnızca EMI'nin etkisini artıracaktır, bu nedenle EMI'yi azaltmak için acil olarak çözümlere ihtiyaç vardır. Pek çok endüstri EMI standartlarının karşılanmasını zorunlu kılar ve ilk tasarım aşamasında dikkate alınmazlarsa, ürünün pazara sunulma süresini ciddi şekilde etkileyecektir.
EMI bağlantı tipi
EMI, elektronik sistemdeki parazit kaynağı alıcıyla (yani elektronik sistemdeki bazı bileşenler) bağlandığında oluşan bir sorundur. EMI, bağlama ortamına göre iletilen veya yayılan olarak sınıflandırılabilir.
EMI (düşük frekans, 450 kHz - 30 MHz)
İletilen EMI, parazitik empedans ve güç ve toprak bağlantıları aracılığıyla bileşenlere iletken olarak bağlanır. Gürültü, iletim yoluyla başka bir cihaza veya devreye iletilir. İletilen EMI ayrıca ortak mod gürültüsü ve diferansiyel mod gürültüsü olarak bölünebilir.
Ortak mod gürültüsü, parazitik kapasitans ve yüksek dV / dt (C × dV / dt) ile iletilir. Şekil 1'de gösterildiği gibi, herhangi bir sinyalin (pozitif veya negatif) yolu boyunca parazitik kapasitans yoluyla GND'ye iletir.
Diferansiyel mod gürültüsü, parazitik endüktans (manyetik bağlantı) ve yüksek di / dt (L × di / dt) ile iletilir.
Şekil 1. Diferansiyel mod ve ortak mod gürültüsü.
Yayılan EMI (yüksek frekans, 30 MHz ila 1 GHz)
Yayılan EMI, manyetik alan enerjisi aracılığıyla test edilen cihaza kablosuz olarak iletilen gürültüdür. Anahtarlamalı bir güç kaynağında bu gürültü, parazitik endüktanslı yüksek di / dt bağlantısının sonucudur. Yayılan gürültü, komşu cihazları etkileyebilir.
EMI kontrol teknolojisi
Güç kaynaklarında EMI ile ilgili sorunları çözmek için tipik yöntemler nelerdir? Her şeyden önce, EMI'yi belirlemek bir sorundur. Bu açık görünebilir, ancak belirli koşullarının belirlenmesi çok zaman alabilir, çünkü güç kaynağı tarafından üretilen elektromanyetik enerjiyi ölçmek ve elektromanyetik enerjinin sistemin EMI'sini karşılayıp karşılamadığını belirlemek için bir EMI test odasının (her yerde mevcut değildir) kullanılmasını gerektirir. standart gereksinim.
Testten sonra güç kaynağının EMI sorunları getireceğini varsayarsak, tasarımcı aşağıdakiler dahil çeşitli geleneksel düzeltme stratejileri aracılığıyla EMI'yi azaltma süreciyle karşı karşıya kalacaktır:
-
Düzen optimizasyonu: Dikkatli güç kaynağı düzeni, doğru güç bileşenlerini seçmek kadar önemlidir. Başarılı yerleşim, büyük ölçüde güç kaynağı tasarımcısının deneyim düzeyine bağlıdır. Düzen optimizasyonu esasen yinelemeli bir süreçtir ve deneyimli güç kaynağı tasarımcıları yineleme sayısını en aza indirmeye yardımcı olabilir, böylece zaman gecikmelerinden ve ek tasarım maliyetlerinden kaçınabilir. Sorun şudur: içeridekiler genellikle bu deneyime sahip değildir.
-
tampon: Bazı tasarımcılar ileriyi planlar ve basit bir tampon devresi için bir ayak izi sağlar (anahtar düğümünden GND'ye basit bir RC filtresi). Bu, anahtar düğümünün zil fenomenini (EMI üreten bir faktör) bastırabilir, ancak bu teknik, verimliliği olumsuz yönde etkileyen kaybı artıracaktır.
-
Kenar oranını azaltın: Anahtarlama düğümünün çınlamasının azaltılması, kapı açma dönüş oranının azaltılmasıyla da elde edilebilir. Ne yazık ki, tampona benzer şekilde, bu, genel sistemin verimliliği üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olabilir.
-
Yayılmış Spektrum (SSFM): Birçok ADI'nin Güç anahtarlama düzenleyicisi, ürün tasarımlarının sıkı EMI test standartlarını geçmesine yardımcı olan bu özelliği sağlar. SSFM teknolojisi kullanılarak, anahtarlama frekansını çalıştıran saat, bilinen bir aralık içinde modüle edilir (örneğin, programlama frekansı fSW'nin ±% 10 varyasyon aralığı). Bu, en yüksek gürültü enerjisinin daha geniş bir frekans aralığında dağıtılmasına yardımcı olur.
-
Filtreler ve kalkanlar: Filtreler ve kalkanlar her zaman çok fazla maliyet ve yer kaplar. Ayrıca üretimi zorlaştırıyorlar.
Yukarıdaki tüm kontrol önlemleri gürültüyü azaltabilir, ancak aynı zamanda dezavantajları da vardır. Güç kaynağı tasarımında gürültüyü en aza indirmek genellikle sorunu tamamen çözer, ancak başarılması zordur. ADI'nin Silent Switcher® ve Silent Switcher 2 regülatörleri, regülatör tarafında düşük gürültü elde ederek ek filtreleme, koruma veya çok sayıda düzen yineleme ihtiyacını ortadan kaldırır. Pahalı karşı önlemlere gerek olmadığından, ürünlerin pazara sunulma süresi hızlandırılır ve büyük ölçüde maliyet tasarrufu sağlanır.
Mevcut döngüyü en aza indirin
EMI'yi azaltmak için, güç devresindeki termal döngüyü (yüksek di / dt döngüsü) belirlemek ve etkisini azaltmak gerekir. Termal devre Şekil 2'de gösterilmektedir. Standart bir konvertör döngüsünde, M1 kapalı ve M2 açıkken, AC akımı mavi döngü boyunca akar. M1 açıkken ve M2 kapalıyken kapalı dönemde, akım yeşil döngü boyunca akar. En yüksek EMI'yi üreten döngü tamamen sezgisel değildir, ne mavi bir döngü ne de yeşil bir döngüdür, ancak tamamen anahtarlanmış bir AC akımı ileten mor bir döngüdür (sıfırdan IPEAK'a ve sonra sıfıra geçerek). Bu döngüye termal döngü adı verilir çünkü en büyük AC ve EMI enerjisine sahiptir.
Elektromanyetik gürültüye ve anahtar çınlamasına neden olan şey, anahtarlama regülatörünün termal döngüsündeki yüksek di / dt ve parazitik endüktanstır. EMI'yi azaltmak ve işlevleri iyileştirmek için mor döngünün radyasyon etkisini en aza indirmek gerekir. Termal döngünün elektromanyetik radyasyon bozukluğu alanı ile birlikte artar, bu nedenle mümkünse termal döngünün PC alanını sıfıra indirmek ve sıfır empedans ideal bir kapasitör kullanmak bu sorunu çözebilir.
Şekil 2. Bir kova dönüştürücünün termal devresi
Düşük gürültü elde etmek için Silent Switcher'ı kullanın
Manyetik alan iptali
Termal döngü alanını tamamen ortadan kaldırmak imkansız olsa da, termal döngüyü zıt kutuplara sahip iki döngüye ayırabiliriz. Bu, IC'den herhangi bir konumda birbirini etkili bir şekilde iptal edebilen yerel bir manyetik alan oluşturabilir. Silent Switcher regülatörünün arkasındaki konsept budur.
Şekil 3. Bir Sessiz Değiştirici regülatöründe manyetik alan iptali.
Çevirme çipi, bağlama telinin yerini alır
EMI'yi iyileştirmenin bir başka yolu, termal döngüdeki telleri kısaltmaktır. Bu, çipi paket pimlerine bağlamak için geleneksel bağlama teli yöntemini terk ederek başarılabilir. Paketin içindeki silikon çipleri çevirin ve bakır sütunlar ekleyin. Dahili FET'den paket pimine ve giriş kapasitörüne olan mesafeyi kısaltarak, termal döngü aralığı daha da azaltılabilir.
Şekil 4. LT8610 bağlama telinin sökülmesinin şematik diyagramı.
Şekil 5. Çipi bakır sütunlarla çevirin.
Sessiz Değiştirici ve Sessiz Değiştirici 2
Şekil 6. Tipik Sessiz Anahtarlayıcı uygulama şeması ve PCB üzerindeki görünümü.
Şekil 6, iki giriş voltaj pini üzerindeki simetrik giriş kapasitansı ile tanımlanabilen Sessiz Anahtarlayıcı regülatörünü kullanan tipik bir uygulamayı göstermektedir. Bu şemada yerleşim çok önemlidir, çünkü Silent Switcher teknolojisi, alan iptalinden yararlanmak için bu giriş kapasitörlerinin mümkün olduğunca simetrik olarak düzenlenmesini gerektirir. Aksi takdirde SilentSwitcher teknolojisinin avantajları kaybolacaktır. Elbette soru, tasarımda ve tüm üretim sürecinde doğru yerleşimin nasıl sağlanacağıdır. Cevap, Silent Switcher 2 regülatörüdür.
Sessiz Değiştirici 2
Silent Switcher 2 regülatörü, EMI'yi daha da azaltabilir. Kapasitör VIN kapasitör, INTVCC ve boost kapasitörünü) LQFN paketine entegre ederek, EMI performansının PCB düzeni üzerindeki etkisi ortadan kaldırılır. hassas Mümkün olduğunca pime yakın yerleştirilebilir. EMI'yi en aza indirmek ve çözümün toplam kart alanını küçültmek için tüm termal döngüler ve zemin düzlemleri dahilitir.
Şekil 7. Silent Switcher uygulaması ve Silent Switcher 2 uygulama blok şeması.
Şekil 8. Mühürsüz LT8640S Sessiz Anahtarlayıcı 2 regülatörü.
Silent Switcher 2 teknolojisi, termal performansı da artırabilir. LQFN flip-chip paketindeki çok sayıda büyük boyutlu zemine maruz kalmış ped, paketin PCB üzerinden ısıyı dağıtmasına yardımcı olur. Yüksek dirençli bağ tellerinin ortadan kaldırılması, dönüştürme verimliliğini de artırabilir. EMI performans testinde LT8640S, CISPR25 Class5 tepe sınır gereksinimlerini karşılayabilir ve büyük bir marjı vardır.
µModule Sessiz Anahtarlayıcı Regülatör
Silent Switcher ürün portföyünün geliştirilmesinden ve mevcut kapsamlı µModule® ürün portföyünün kullanımından kazanılan bilgi ve deneyimle, sağladığımız güç kaynağı ürünlerinin, termal performans ve güvenilirlik dahil olmak üzere güç kaynaklarının belirli önemli gereksinimlerini tasarlaması ve karşılaması kolaydır. , Hassasiyet, verimlilik ve iyi EMI performansı.
Şekil 9'da gösterilen LTM8053, manyetik alan iptali için iki giriş kapasitörünü ve güç kaynağının gerektirdiği diğer bazı pasif bileşenleri entegre eder. Bunların tümü 6,25 mm × 9 mm × 3,32 mm BGA paketiyle elde edilir ve müşterilerin devre kartının diğer parçalarının tasarımına odaklanmasına olanak tanır.
Şekil 9. LTM8053 Silent Switcher çıplak çip ve EMI sonuçları.
LDO regülatörü-güç kaynağı vaka çalışmasına gerek yok
Tipik bir yüksek hızlı ADC, ADC veri sayfasındaki en yüksek performansı elde etmek için bazıları çok düşük gürültülü olması gereken birçok voltaj rayına ihtiyaç duyar. Yüksek verimlilik, küçük pano alanı ve düşük gürültü arasında bir denge kurmak için genel olarak kabul edilen çözüm, anahtarlamalı bir güç kaynağını bir LDO son regülatör ile birleştirmektir. Birleştirmek Şekil 10'da gösterildiği gibi kullanın. Anahtarlama regülatörü, daha yüksek verimlilikle daha yüksek bir düşürme oranına ulaşabilir, ancak gürültü nispeten büyüktür. Düşük gürültülü LDO son regülatör nispeten düşük verimliliğe sahiptir, ancak anahtarlama regülatörü tarafından üretilen iletilen gürültünün çoğunu bastırabilir. LDO son düzenleyicinin aşağı inme oranının en aza indirilmesi verimliliği artırmaya yardımcı olur. Bu kombinasyon, ADC'nin maksimum performansta çalışmasına izin vererek temiz güç üretebilir. Ancak sorun, birden fazla regülatörün düzeni daha karmaşık hale getirmesi ve LDO son regülatörünün daha yüksek yükler altında ısı dağılımı sorunlarına neden olabilmesidir.
Şekil 10. AD9625 ADC için tipik güç kaynağı tasarımı.
Şekil 10'da gösterilen tasarım, belli ki bazı ödünleşimler gerektirir. Bu durumda, düşük gürültü bir önceliktir, bu nedenle verimlilik ve kart alanı tehlikeye atılmalıdır. Ama belki olması gerekmiyor. En yeni nesil Silent Switcher µModule cihazları, düşük gürültülü anahtarlama regülatörü tasarımını µModule paketiyle birleştirir Birleştirmek , Kolay tasarım, yüksek verimlilik, küçük boyut ve düşük gürültü hedeflerine aynı anda ulaşabilir. Bu regülatörler sadece devre kartının kapladığı alanı en aza indirmekle kalmaz, aynı zamanda ölçeklenebilirlik de sağlar Bir µModül regülatörü, birden fazla voltaj rayına güç sağlamak için kullanılabilir, bu da yerden ve zamandan daha fazla tasarruf sağlar. Şekil 11, ADC'ye güç sağlamak için LTM8065 Sessiz Anahtarlayıcı µModül regülatörünü kullanan alternatif bir güç ağacını göstermektedir.
Şekil 11. Yerden tasarruf sağlayan bir çözüm olan AD9625'e güç sağlamak için Silent Switcher µModül regülatörünü kullanma.
Bu tasarımlar test edilmiş ve birbirleriyle karşılaştırılmıştır. ADI tarafından yakın zamanda yayınlanan bir makale, Şekil 10 ve Şekil 11'de gösterilen güç kaynağı tasarımlarını kullanarak ADC performansını test etti ve karşılaştırdı. Test, aşağıdaki üç konfigürasyonu içerir:
-
ADC'ye güç sağlamak için bir anahtarlama regülatörü ve LDO regülatörü kullanan standart bir konfigürasyon.
-
Daha fazla filtreleme yapmadan ADC'ye doğrudan güç sağlamak için LTM8065'i kullanın.
-
Çıkışı daha da saflaştırmak için LTM8065 ve ek çıktı LC filtresini kullanın.
LTM8065
-
Tam kademeli anahtar modu güç kaynağı
-
Düşük gürültülü Silent Switcher® mimarisi
-
Geniş giriş voltaj aralığı: 3.4V - 40V
-
Geniş çıkış voltaj aralığı: 0.97V ila 18V
-
3.5A tepe değerine sahip 2.5A sürekli çıkış akımı
-
Seçilebilir anahtarlama frekansı: 200kHz ila 3MHz
-
Harici senkronizasyon
-
Programlanabilir yumuşak başlangıç
-
RoHS uyumlu ince, düşük profilli 6,25 mm x 6,25 mm x 2,32 mm BGA paketi
Ölçülen SFDR ve SNRFS sonuçları, LTM8065'in ADC'nin performansını etkilemeden doğrudan ADC'ye güç sağlamak için kullanılabileceğini göstermektedir. Bu uygulamanın temel avantajı Çok Bileşen sayısını azaltın, böylece verimliliği artırın, üretimi basitleştirin ve devre kartının kapladığı alanı azaltın.
özet
Kısacası, daha fazla sistem düzeyinde tasarımın daha katı spesifikasyonları karşılaması gerektiğinden, özellikle güç kaynağı tasarımındaki profesyonel deneyim sınırlı olduğunda, modüler güç kaynağı tasarımlarından mümkün olduğunca tam olarak yararlanmak kritik hale gelir. Pek çok pazar segmenti, sistem tasarımının en son EMI spesifikasyonlarına uymasını gerektirdiğinden, Silent Switcher teknolojisi küçük boyutlu tasarımlara uygulanır ve µModül regülatörlerinin kullanımı kolay özellikleriyle şunları yapabilirsiniz: Çok Pazarlama süresini kısaltın ve pano alanından tasarruf edin.
Silent Switcher µModül Regülatörünün Avantajları
-
PCB düzeni tasarım süresinden tasarruf edin (gürültü sorununu çözmek için devre kartını yeniden tasarlamaya gerek yoktur).
-
Ek EMI filtrelerine gerek yok (bileşenlerden ve kart alanı maliyetlerinden tasarruf).
-
Dahili güç kaynağı uzmanlarının güç kaynağı gürültüsünü gidermesi ihtiyacını azaltır.
-
Geniş bir çalışma frekansı aralığında yüksek verimlilik sağlar.
-
Gürültü için hassas Tip cihazlar için güç sağlarken LDO son regülatör kullanmaya gerek yoktur
-
Tasarım döngüsünü kısaltın.
-
Mümkün olan en küçük pano alanında yüksek verimlilik elde edin.
-
İyi termal performans.
Bilgi önerisi:
"ADI Referans Devre Koleksiyonu (Cilt 4)"
Tıklayın " Orijinali okuyun "Ücretsiz al, hayır teşekkürler!
"ADI Referans Devresi (Cilt 4)", enstrümantasyon ve ölçüm, sağlık hizmetleri, güvenlik ve izleme, bina teknolojisi, otomotiv uygulamaları, tüketici elektroniği, motor ve güç kontrolü, enerji, havacılık ve savunma, proses gibi devre uygulamasına göre sınıflandırılmıştır. Kontrol ve endüstriyel otomasyon, iletişim ... yaklaşık 80 devre dahil, kesinlikle devre tasarımınız için bir referans kitabıdır!
Bu kitap esas olarak ADI mühendisleri tarafından tasarlanan, hata ayıklanan ve doğrulanan referans devreyi tanıtmaktadır. Bu referans devreler ile kitaptaki ürünleri hızlı ve güvenli bir şekilde birleştirebilirsiniz. Bu devreler birçok yaygın uygulama için çözümler sağlar.Her devre ayrıntılı tasarım belgeleri, ortak devre değişiklikleri ve daha fazla bilgi içerir. Devre işlevleri ve performansı donanım tarafından doğrulanmıştır!
Bir
BOUT CFTL
ADI referans devresi hakkında
ADI referans devre tasarımı genellikle bağımsız bir çözüm olarak veya daha karmaşık devreler ve alt sistemler oluşturmak için kullanılır. ADI'nin uygulama uzmanları, aşağıdakileri sağlayarak işlevsel ve performans testleri oluşturur ve yürütür:
-
Kapsamlı belgeler
-
Eksiksiz tasarım ve entegrasyon dosyaları
-
Fabrikada test edilmiş değerlendirme donanımı
> > > >
ADI referans devresi neden benzersizdir?
Çeşitli analog, RF ve karışık sinyal tasarım zorluklarını çözmek için ADI'nin sayısız uygulama uzmanlığına güvenin. Devre tasarımı, performans ve işlevselliği sağlamak için uzmanlar tarafından oluşturulmuş ve test edilmiştir. Düşük maliyetli donanım, birden çok geliştirme platformunun değerlendirilmesini ve hızlı prototiplenmesini sağlar. Eksiksiz dokümantasyon ve tasarım dosyaları, uygulama bilgisini basitleştirir ve sistem entegrasyon sorunlarını en aza indirir.
> > > >
ADI referans devreleri size ne getirebilir?
-
Donanım gerçekleştirilebilir
-
Modüler sistem tasarımı
-
Anında uygulama yazılımı
-
FPGA ve MCU'nun hızlı prototiplenmesi
-
Tasarım ve entegrasyon dosyası desteği
-
Şematik, düzen, BOM indir
-
Sürücü geliştirme için Linux kodu
-
Uygulama entegrasyonunu basitleştirin
-
Belgeler mevcut
-
Profesyonel uygulama bilgisi
-
Devre işlevi bilgisi
-
Test edilmiş ve doğrulanmış performans verileri
Devre tasarım hazineniz, onu elinizden almıyor musunuz? !
