Jak projektować płytki drukowane PCB - część 6 - EMI w przetwornicach

Projekt płytki drukowanej często determinuje sukces lub porażkę projektu, szczególnie takiego jak zasilacz impulsowy. Determinuje on nie tylko zachowanie funkcjonalne układu, ale także jego parametry elektromagnetyczne (EMI) i termiczne. Jest to szczególnie istotne w przypadku zasilaczy impulsowych, jednakże często projektanci tych układów nie przywiązują do tego zagadnienia odpowiedniej wagi, mimo iż wcale nie jest to żadna czarna magia. Dopiero później, gdy układ trafia do testów, to okazuje się, że jest to jakiś problem. Naprawienie go jest na tym etapie bardzo problematyczne i kosztowne dla firmy.

Na szczęście, w takich sytuacjach, fizyka jest po naszej stronie. Wymagania funkcjonalne oraz EMI muszą być w naszym systemie spełnione, ale na szczęście większość wymagań funkcjonalnych idzie w parze z realizowaniem wymagań związanych z EMI – to, co dobrze wpływa np. na stabilność działania przetwornicy pozwala na minimalizowanie poziomu generowanych zakłóceń elektromagnetycznych przez zasilacz.

Dodatkowo, należy pamiętać, że dobry projekt ścieżek na PCB nie zwiększa kosztów urządzenia, a późniejsze zabiegi – dodawanie filtrów czy ekranów elektromagnetycznych wokół urządzenia – już koszty zwiększają. Podobnie jest z kosztami testów – jeśli urządzenie jest od razu dobrze zaprojektowane, to koszty jego testów precertyfikacyjnych i certyfikacyjnych są niewielkie w porównaniu do powtarzania testów w przypadku urządzenia, które nie zdało pierwszych testów i wymagało poprawek przed kolejnym podejściem do certyfikacji.

Poniższy artykuł skupia się głównie na zasadach projektowania nieizolowanych przetwornic impulsowych, jednakże opis ten dotykać będzie pewnych zagadnień związanych z układami z izolacją galwaniczną. Dzięki temu artykułowi będziecie w stanie nauczyć się dokonywać odpowiednich wyborów na etapie projektowania rysunku ścieżek na płytkach drukowanych (PCB) przetwornic impulsowych. Wiele przykładów stosowania przetwornic impulsowych pokazuje, że da się je zaimplementować w aplikacjach, których większość mówi, że są niemożliwe lub co najmniej niewskazane. Na tego rodzaju aplikacje wskazuje autor – na przykład na stosowanie przetwornic impulsowych w radiach samochodowych. Wspomina on aplikacje, w których przetwornica pracowała w środku pasma AM radia. Okazał się, że nie było potrzeby instalowania metalowego ekranu czy innych elementów, aby zasilacz mógł poprawnie pracować i nie przeszkadzać w działaniu radiu. Wszystko było kwestią ułożenia elementów na PCB i odpowiedniego poprowadzenia ścieżek.

Jednakże, aby zrozumieć to, w jaki sposób projektować przetwornice impulsowe, należy zapoznać się najpierw z fizycznymi podstawami omawianych w poniższym materiale zjawisk.

W nieizolowanych przetwornicach typu buck – jednych z najprostszych układów tego rodzaju – zakłócenia EMI generowane są przez pętle prądowe, w których wysoką wartość przyjmuje różniczka di/dt.

Przewody/ścieżki doprowadzające zasilanie do i z przetwornicy zazwyczaj są pomijalnym źródłem promieniowanych zakłóceń elektromagnetycznych, jako że udział składowej zmiennej (AC) w prądzie między nimi płynącym jest minimalny. Dlatego też powinniśmy skupić się na ścieżkach w układzie pomiędzy kondensatorem wejściowym CIN a kondensatorem wyjściowym COUT. Wszystkie prądy AC zaczynają się i kończą właśnie na, odpowiednio, pojemnościach CIN i COUT.

Jak pokazano na rysunku 1 po prawej stronie, w czasie części cyklu pracy przetwornicy, gdy klucz S1 jest zamknięty, a S2 otwarty, prąd zmienny płynie pętlą zaznaczoną na rysunku 1 na czerwono. W drugiej części cyklu, gdy otwarty jest klucz S1, a zwarty S2, prąd AC płynie pętlą oznaczoną kolorem niebieskim. Przebieg prądów w obu pętlach w obu fragmentach cyklu, ma kształt trapezowaty.

To, co wymaga teraz zrozumienia, to fakt, że największym ‘producentem’ zakłóceń EMI w tym układzie nie jest ani pętla zaznaczono na niebiesko, ani na czerwono. Największy prąd AC płynie w pętli oznaczonej na rysunku 1 na zielono, gdyż to tam prąd zmienia się od zera do prądu szczytowego i z powrotem do zera. Ta pętla jest fachowo nazywana ‘gorącą pętlą’, jako że charakteryzuje się ona największym prądem zmiennym i w konsekwencji jest największym emiterem zakłóceń elektromagnetycznych.

Aby zredukować poziom EMI generowanych przez układ, ale także poprawić jego funkcjonalność, konieczne jest zmniejszenie wypromieniowanej z zielonej pętli energii jak to tylko możliwe. Jeśli moglibyśmy zredukować pole powierzchni gorącej pętli do zera i zamontować na wejściu układu idealny kondensator z zerową impedancją, to zasadniczo problem byłby rozwiązany.

Niestety ogranicza nas realny, fizyczny świat i jego zasady, aczkolwiek widzimy już, co należy w układzie zoptymalizować. Zadaniem inżyniera, projektującego system zasilania, jest właśnie opracowanie odpowiedniego kompromisu pomiędzy tymi dwoma parametrami a kosztem, wielkością i skomplikowaniem układu.

Przyjrzyjmy się przetwornicy opartej o kontroler LT8611. Na rysunku 2 pokazano schemat tego układu, a na rysunku 3 rysunek ścieżek na płytce drukowanej z tą przetwornicą. Na tym rysunku zaznaczono kolorem zielonym gorącą pętlę prądu w tym układzie. Jako że LT8611 integruje w swojej strukturze klucze przetwornicy, to jedyne czym musimy się martwić to pojemność wejściowa, która jest częścią tej pętli.

Jak pokazano na rysunku 2 przeniesienie gorącej pętli z schematu na PCB nie jest trywialne. Zielona linia oznaczona na płytce drukowanej znajduje się na warstwie top miedzi. Tamtędy zamyka się pętla – poprzez układ, w którym znajdują się klucze oraz kondensator wejściowy. Pokazana na rysunku 3 płytka drukowana to DC1750A – płytka demonstracyjna dla układu LT8611. Na rysunku 4 pokazano przekrój przez ścieżki gorącej pętli w tym układzie wraz z ideowo oznaczonymi ładunkami oraz polem elektrycznym, jakie wytwarza się na PCB w takim układzie.



Na ile wielkość opisywanej pętli lub umiejscowienie pod nią wylewki masy ma wpływ na funkcjonalność czy parametry emisji elektromagnetycznej przez układ? W poniższej tabeli zawarto wnioski z eksperymentu przeprowadzonego na pętli o wymiarach 10 cm x 10 cm przy częstotliwości 27 MHz.

W tabelce zawarto informacje o tym, na ile wylewka masy pod gorącą pętlą poprawia sytuację na płytce. W pierwszej linijce zawarto informacje o zachowaniu się pętli na pojedynczej warstwie, bez żadnych wylewek masy.



Indukcyjność pętli w pojedynczej warstwie wynosi 187 nH. Spada ona do 13 nH, jeśli pod nią, w odległości 0,12 mm, znajdzie się wylewka masy. Jeśli korzystamy z płytki wielowarstwowej, to dodanie wylewki masy na warstwie bezpośrednio pod warstwą z gorącą pętlą pozwoli zredukować indukcyjność trzykrotnie w porównaniu ze zwykłą dwuwarstwową płytką o grubości 1,5 mm i niemalże 14-krotnie w porównaniu z płytką o minimalnej grubości, definiującej odległość pomiędzy pętlą a wylewką.

Wylewka masy umieszczona blisko gorącej pętli w układzie, jest jednym z najprostszych i jednocześnie najskuteczniejszych sposobów radzenia sobie z problemami związanymi z generowaniem zakłóceń elektromagnetycznych przez układ.

Którędy płynie prąd w płytce drukowanej

Jak pokazano na rysunku 5 - zmienne pole magnetyczne gorącej pętli (oznaczonej na zielono) powoduje powstawanie prądów wirowych w wylewce masy (oznaczonych na czerwono). Prądy te generują przeciwne pole magnetyczne do pola gorącej pętli, przez co oba pola znoszą się. Działa to tym lepiej, im bliżej siebie znajdują się te pola – im mniejsza odległość dzieli wylewkę od pętli.

Najbardziej prawdopodobny układ prądów wirowych w wylewce ekranującej gorącą pętlę w przetwornicy jest dokładnie taki sam jak przebieg samej pętli. Dodatkowo, co do wartości, oba prądy są niemalże identyczne (z dokładnością do odwrotnego znaku – płyną w przeciwnych kierunkach). Zjawisko to ma jeszcze inną istotną implikację – aby przez wylewkę masy płynął odpowiedni prąd, to wystąpić musi tam odpowiednia różnica potencjałów, aby wymusić taki przepływ prądu. Zjawisko to znane jest płynięcie (odbicie) masy i objawia się „niestabilnością” masy, jako potencjału odniesienia dla innych układów.

Z perspektywy emisji zakłóceń elektromagnetycznych im mniejsze są pętle tym lepiej. Układ scalony z zintegrowanymi kluczami pozwala na optymalizację rozkładu ścieżek w przetwornicy tak, aby pętla masy była minimalna. Klucze te są dodatkowo ściśle kontrolowane wewnątrz przez układ scalony. Jest to rozwiązanie generujące o wiele mniej problemów, niż przetwornica z zewnętrznymi diodami Schottkiego poza układem scalonym. Oba te rozwiązania z kolei są i tak o wiele lepsze, jeśli chodzi o emitowane zakłócenia EMI niż układ z zewnętrznymi kluczami MOSFET, kontrolowanymi jedynie przez układ scalony.

Przetwornica typu boost, pracująca w trybie ciągłym, może być postrzegana jak układ buck pracujący wspak. Jak pokazano na rysunku 6 - w przypadku takiej przetwornicy, gorącą pętlę identyfikuje się jako różnicę pomiędzy pętlą, która powstaje po zamknięciu S2 (oznaczona na niebiesko na rysunku po prawej) a pętlą, która powstaje, gdy S2 jest otwartym a S2 zwarty (oznaczono ją na czerwono).

W przypadku pokazanego po lewej stronie na rysunku 7 układu – sterownika diody LED opartego na przetwornicy LT3956 jedna z warstw ma na sobie ścieżki układu, a druga jest litą wylewką masy. Głównym emiterem zakłóceń EMI w takim układzie jest magnetyczna antena tworzona przez gorącą pętlę (oznaczoną na zielono).

Indukcyjność tej pętli i jej pole są ze sobą ściśle związane. Jeśli jesteś w stanie, projektując płytkę drukowaną „myśleć indukcyjnością”, to warto skupić się na jej minimalizacji. Jeśli z kolei lepiej znane Ci są zasady konstrukcji anten magnetycznych na PCB, to należy zredukować pole powierzchni, jakie formuje antena – gorąca pętla układu. W dużym przybliżeniu indukcyjność tej anteny opisuje jej wydajność emisji, więc ma to ogromny sens z punktu widzenia redukcji poziomu generowanych zakłóceń elektromagnetycznych. Więcej na temat fizyki związanych bezpośrednio z emisją zjawisk przeczytać możemy w załącznikach A i B do http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/an139f.pdf?ADICID=EMAL_WW_P1079_MIX-NL-PN_416&7870" target="_blank" rel="nofollow noopener ugc" class="postlink inline" title="" >noty aplikacyjnej AN139, będącej źródłem dla tego materiału.

Przetwornica typu buck-boost, z pojedynczą indukcyjnością i czterema kluczami, jak pokazano na rysunku 8 składa się z układu typu buck, za którym dołączono przetwornicę typu boost.

Rysunek ścieżek dla przetwornicy o takiej architekturze nie jest prosty. Dodatkowo, często komplikuje go dodanie rezystora do pomiaru prądu, którego jedna strona znajduje się na potencjale masy. Opornik ten jest częścią gorącej pętli układu i jego lokalizacja i sposób podłączenia do przetwornicy ma kluczowe znaczenie dla parametrów EMI.

Na płytce demonstracyjnej DC1046A dla przetwornicy opartej o układ scalony LTC3780, której fragment pokazano na rysunku 9 prezentuje jedno z eleganckich i prostych rozwiązań opisanego powyżej problemu. W układzie tym, jak widać na rysunku, opornik do pomiaru prądu podzielony został na dwa równolegle połączone ze sobą oporniki.

Przetwornicę typu buck-boost możemy też przerysować trochę inaczej, uzyskując układ tzw. SEPIC. Schemat tego rodzaju przetwornicy pokazano na rysunku 10 wraz z zaznaczoną gorącą pętlą (zielony obrys sygnałów).

W przetwornicy SEPIC często, zamiast górnego tranzystora MOSFET, stosuje się diodę. Przykładem tego może być implementacja układu LT3757, zrealizowana na płytce demonstracyjnej DC1341A. Rysunek ścieżek tej płytki pokazano na rysunku 11.

Na rysunku PCB omawianej płytki demonstracyjnej kolorem zielonym oznaczono gorącą pętlę. Jej obszar został zminimalizowany, dzięki odpowiedniemu rozmieszczeniu elementów na płytce. Dodatkowo, po drugiej stronie PCB znajduje się wylewka masy, obejmująca całą przetwornicę. Pomaga to w uzyskaniu niskiego poziomu emisji zakłóceń elektromagnetycznych.



Przetwornica w topologii odwracającej, jak pokazano na rysunku 12 po lewej stronie ma konstrukcję bardzo podobną do układu SEPIC, z tą tylko różnicą, że obciążenie przemieszcza się pomiędzy górny klucz a górną indukcyjność.

Na rysunku 12 oznaczono na zielono gorącą pętlę w układzie. Jest ona bardzo podobna do tej, jaką odnaleźć możemy w przetwornicy SEPIC, pokazanej na schemacie na rysunku 10.

Rysunek ścieżek dla przetwornicy odwracającej jest bardzo podobny do układu SEPIC, więc w podobny sposób można zoptymalizować – zminimalizować – powierzchnię anteny magnetycznej emitującej zakłócenia elektromagnetyczne.

Przetwornice w topologii flyback, jakiej przykład pokazano na rysunku 13, po prawej stronie. W takim układzie w systemie znajduje się transformator z dwoma izolowanymi uzwojeniami. Pomiędzy pierwotnym a wtórnym uzwojeniem występuje jedynie sprzężenie magnetyczne.

Prąd w uzwojeniu pierwotnym zmienia się z dosyć wysokim di/dt. Energia zmagazynowana w indukcyjności upływu oraz w pojemności pomiędzy uzwojeniami, spowalnia zmiany prądu. Z punktu widzenia analizy tego układu obwód uzwojenia pierwotnego i wszystkich może być postrzegany jako poszukiwany obwód z wysokim di/dt, czyli nasza gorąca pętla, w przypadku pokazanego po prawej układu dwie gorące pętle. Podobnie jak w przypadku układu buck-boost pokazanego na rysunku 8 gorące pętle w układzie są dwie.

W tego rodzaju układach stosuje się najczęściej filtrowanie napięcia VIN w trybie różnicowym, często też pojawiają się cewki typu common-mode, jako że współbieżne zakłócenia przewodzone są dominującym EMI w tego rodzaju przetwornicy.

Inne pętle AC w układach przetwornic

Gorąca pętla, w której skupia się większość energii RF w systemie, jest podstawowym źródłem promieniowania elektromagnetycznego w układzie przetwornicy, jednakże jeszcze kilka innych pętli w układzie przenosi energią AC i jest wymaganych do działania tego układu.

Każda przetwornica do działania potrzebuje na przykład zasilania dla układów sterujących głównymi kluczami układu. W przypadku przetwornicy typu buck zasilanie to jest często dostarczane z tego samego kondensatora dla napięcia wejściowego co dla gorącej pętli. Niektóre scalone przetwornice jednakże wyposażone są w osobne wejście dla tego zasilania, często opisywanego jako INTVcc. Na rysunku 14 pokazano tego rodzaju układ wraz z zaznaczeniem pętli, jaka się tam formuje.

Pętla uformowana z wejścia INTVcc, jego kondensatora filtrującego i masy PGND/GND powinna być również możliwie mała i ekranowana wylewką masy. Jakkolwiek energia EMI w tej pętli jest ok. 20 dB niższa niż w głównej gorącej pętli układu, to zwiększanie indukcyjności doprowadzenia zasilania do INTVcc będzie miało nie tylko negatywny wpływ na poziom emisji zakłóceń EMI, ale także jakość pracy całego układu.

Napięcie INTVcc jest istotne, ponieważ zasila nie tylko sterowniki kluczy, ale także układy wewnętrzne, takie jak komparator do stabilizacji prądu, stabilizator napięcia odniesienia i wzmacniacz błędu. Dlatego też istotne jest, aby napięcie to było dobrze odfiltrowane i wysokiej jakości.

Na rysunku 15 pokazano widmo FFT prądu na kondensatorze filtrującym napięcie INTVcc (C2 na rysunku 17).

Na rysunku 16 pokazano widmo FFT prądu na kondensatorze wejściowym (C6 na rysunku 17). Jak widać energia RF jest o 20 dB wyższa niż w przypadku przebiegu na rysunku 15, czyli w pętli napięcia INTVcc.

Na rysunku 17 pokazano układ z LT8610. Do odsprzęgania zerowej impedancji wejścia wykorzystany jest dławik L2 z wysoką rezystancją równoległą – Rpar = 1Ω. Wejście pochodzi z źródło napięcia V1, czyli efektywnie z kondensatora C6. Układ taki wykorzystać można do symulacji działania przetwornicy w np. LTspice.

Uwaga Modele SPICE często tworzone są z naciskiem na symulowanie funkcjonalności danego układu scalonego. Trzeba ostrożnie podchodzić do wyników tych symulacji pod kątem analizy zachowania układów w kategorii zakłóceń elektromagnetycznych i RF. Modele te rzadko kiedy są optymalizowane pod tym kątem, nie mówiąc już o tym, że nie uwzględniają one efektów powodowanych przez płytki drukowane. Oczywiście nadal narzędzia SPICE to doskonała pomoc w szacowania parametrów urządzenia czy przybliżaniu trudnego do zmierzenia zachowania układu.



Zewnętrzne sterowniki kluczy przetwornicy

Oprócz głównej gorącej pętli i pętli z kondensatorem filtrującym napięcie zasilania INTVcc, kolejne źródło problemów związanych z zakłóceniem EMI to często zewnętrzne klucze i ich sygnały sterujące. Nawet nowoczesne MOSFETy mają pojemność wejściową na poziomie kilku lub nawet do kilkudziesięciu nanofaradów. Drivery ich bramek często operować muszą prądem na poziomie pojedynczych amper, a czasy narastania i opadania zboczy tych sygnałów zbliżają się do pojedynczych nanosekund.

Rysunek 18 przedstawia widmo FFT prądu na bramce tranzystora oznaczonego Q2 na rysunku 19. Zielona pętla pokazana na tym schemacie opisuje ścieżkę, jaką płynie prąd bramki dolnego tranzystora. Jest on dostarczany z kondensatora C1. Projektując układ, należy zapewnić, aby pętla ta była mała. Szczególnie połączenie źródło tranzystora Q2 kondensatorem C1 powinno być zrealizowane wylewką masy na przeciwnej warstwie laminatu.

Zielona i czerwona pętla na rysunku 20, poniżej pokazuje przebieg prądów sterujących bramką górnego tranzystora. Prąd ten dostarczany jest z kondensatora C2, którego zadaniem jest zwiększanie napięcia, jakie trafia na bramkę górnego klucza. Prąd ten powraca poprzez pin SW kontrolera przetwornicy.

Czerwona pętla na rysunku 20 (po lewej stronie) powinna mieć możliwie mały obszar na płytce drukowanej. Jej ścieżki powinny biec możliwie blisko i równolegle do siebie. Jeśli umieścimy kondensator C2 blisko układu scalonego, to jednocześnie zmniejszymy pole powierzchni zielonej pętli.

Zielona pętla, pokazana na rysunku 21 (po lewej) pokazuje prąd, który płynie podczas ładowania kondensatora podbijającego napięcie (C2). Jeśli pętle opisane powyżej będą miały małą powierzchnię, a dioda D1 zostanie umieszczona dosyć blisko układu, to automatycznie i ta pętla będzie miała małą powierzchnię.

Anteny pasywne, takie jak anteny magnetyczne czy pętle działają symetrycznie, to znaczy że ich charakterystyka nadawcza jest taka sama jak odbiorca. Na rysunku 22 pokazano pętlę wzmacniacza pomiarowego do pomiaru prądu. Układ ten mierzy napięcie pomiędzy SENSE+ i SENSE-, czyli niewielki spadek napięcia na oporniku R1, aby kontroler wiedział, w którym momencie wyłączyć górny klucz przetwornicy.

Nawet szum na poziomie poniżej 1 mV na tych liniach spowodować może zwiększenie szumu fazowego (jitteru) wypełnienia impulsów sterujących pracą kluczy. Dlatego też konieczne jest zminimalizowanie sprzęgania pomiędzy tą pętlą, którą potraktować można jako antena odbiorcza, a innymi pętlami – antenami nadawczymi – w systemie.

Po pierwsze - należy zminimalizować powierzchnię tej pętli, a następnie tak ułożyć ścieżki by linie SENSE+ i SENSE- biegły równolegle do siebie z minimalną odległością pomiędzy nimi. Dobrze jest umieścić linie pomiarowe na drugiej stronie PCB, a jeżeli mamy możliwość umieszczenia wylewki masy pomiędzy tymi warstwami, to zaekranowanie tych ścieżek w ten sposób.

Dobrym sposobem, jeśli mamy dostępne dostatecznie dużo warstw na PCB, jest puszczenie ścieżek pomiarowych wzmacniacza SENSE jedna nad drugą, szczególnie, jeśli nie ma zbytnich pól magnetycznych ułożonych równolegle do PCB.

Jeśli filtrujemy, w jakiś sposób linie SENSE+ i SENSE- to dobrze jest umieścić elementy filtra możliwie blisko układu scalonego kontrolera, jako że opornik R1 zawsze traktować można jako źródło o niskiej impedancji. Wejścia kontrolera natomiast wykazują impedancję istotnie wyższą.

Główna gorąca pętla pokazana na rysunku 23 składa się z zewnętrznych kluczy – MOSFETów Q1 oraz Q2 – oraz najbliższego kondensatora filtrującego, czyli C7. Jest to pętla, w której kumuluje się najwięcej energii RF. Jeśli interesują nas niuanse projektowania PCB dla tego rodzaju układów, detale znaleźć możemy w tej nocie aplikacyjnej (mogę ją także przetłumaczyć, jeśli są osoby zainteresowane – przyp.red.).

Jak działa ekranowanie

Stałe pole magnetyczne przenika zarówno przez powietrze, jak i dielektryk laminatu FR4 czy miedź niemalże bez żadnych problemów. Inaczej jest z polem zmiennym (AC). Przeciwstawiają się mu pola generowane przez indukowane w przewodnikach – miedzi, cynie, stali etc. – prądy. Dlatego też w przypadku, gdy w układzie nie znajdują się żadne ferromagnetyki, możemy skupić się na analizie pola AC – jego zmianie lub tłumieniu – analizując jedynie płynące w ścieżkach etc. prądy.

Z eksperymentów wiemy, że całkowite zamknięcie urządzenia w przewodzącej obudowie daje bardzo wysokie tłumienie pola magnetycznego, z łatwością przekraczające 100 dB. Ekran taki działa w szerokim zakresie częstotliwości, istotnie wykraczającej poza pasmo radiowe AM. Często wśród radioamatorów stosuje się np. blaszane pudełka po ciastkach do ekranowania urządzeń radiowych.

W przypadku systemów pracujących przy wysokiej częstotliwości widuje się wręcz blaszane ekrany wlutowane w PCB, które podłączone są do potencjału masy. W ten sposób chronią one czułe układy znajdujące się w środku przed wpływem zewnętrznych pól elektromagnetycznych. Tego rodzaju ekrany dostępne są w wielu wariantach, często z dodanymi portami (BNC, N, SMA etc.), pozwalającymi na podłączanie kabli koncentrycznych do ekranowanych systemów.

Z praktycznego punktu widzenia projektowania takich ekranów – jak napisano w załączniku C (patrz źródło), aby ekran działał, grubość ścianek ekranu nie może być mniejsza niż tzw. grubość naskórkowa. Zależy ona od parametrów materiałowych metalu, z jakiego wykonany jest ekran i częstotliwości, na jaką ekran jest liczony. Są to zazwyczaj grubości od kilkuset mikronów do poniżej jednego mikrona; można je odczytać z poniższego wykresu:



Jeśli powiększymy przewodzący ekran wokół urządzenia tak, aby w danym miejscu jego ścianki wydawały się lokalnie płaskie, to prądy wirowe, jakie będą generowane w materiale ekranu, będą generować pole magnetyczne o dokładnie takim samym kierunku i natężeniu jak źródło, ale o przeciwnym zwrocie, jak pokazano na rysunku 24. Natężenie tego pola będzie wystarczało dokładnie jedynie na to, by z zewnątrz urządzenia, zza ekranu, nie było widoczne żadne pole magnetyczne - dokładnie tak jak pokazano na rysunku 25.

Na ile skuteczne jest ekranowanie?

Jeśli cała wylewka masy na płytce drukowanej nie byłaby przewodząca, to byłaby zupełnie przezroczysta dla pola magnetycznego, jak na przykład kartka papieru. Jedynie jeżeli w wylewce popłynie prąd, który będzie źródłem przeciwnego pola magnetycznego, ekranowanie będzie miało miejsce.

Prądy wirowe indukowane w ekranie będą miały jakąś konkretną energię – taką samą jak energia pola, które jest właśnie ekranowane, jak pokazano na rysunku 26. Oczywiście efekty te ograniczone będą odległością, grubością naskórkową i innymi czynnikami.

Podczas ekranowania pola magnetycznego z układu, na przykład z gorącej pętli w przetwornicy, w ekranowaniu bierze udział tylko pewna grubość ekranu, zależna od grubości naskórkowej. To w niej indukowany będzie prąd AC, który z kolei sprawi, że powstanie przeciwstawne pole magnetyczne w ekranie.

Położenie warstwy aktywnie ekranującej może być oszacowane z wykorzystaniem pewnych zgrubnych zasad, co może pozwolić nam na oszacowanie, ile pola magnetycznego pozostanie poza ekranem, tj. na ile skutecznie będzie on działał.

Im bliżej warstwa ta będzie do ścieżek, przez które płynie prąd generujący pole magnetyczne, tym skuteczniej działać będzie ekran. Jak pisaliśmy powyżej, indukcyjność jest kluczowym parametrem opisującym generację tego pola, analogicznie jak w przypadku anten radiowych.

Jak poprawić działanie ekranu

Jeśli przez ekranującą wylewkę masy biegnie również prąd elektryczny, jak pokazano na rysunku 27, to sytuacja robi się trochę bardziej skomplikowana. Teraz pole magnetyczne w wylewce-ekranie jest nie tylko pasywnie indukowane przez ekranowane pole, ale także indukowany aktywnie przez prąd płynący przez wylewkę.

Prąd płynący przez ścieżki ekranujące na dolnej warstwie płytki drukowanej musi być taki sam jak prąd w górnych ścieżkach. Korzyścią z takiego faktu jest to, że warstwa ekranująca jest teraz bliżej warstwy indukującej pole magnetyczne – w tym przypadku w połowie między górną a dolną warstwą laminatu. Ponieważ warstwa ekranowania jest teraz oddalona od indukującego pole prądu, bezpiecznie powiedzieć można teraz, że pole magnetyczne jest niższe z uwagi na co najmniej jeden czynnik w porównaniu do przypadku tylko z osłoną pasywną.

Jeśli jest to możliwe, należy zapewnić na PCB, aby prąd przepływał przez wylewkę masy w najbliższej warstwie. Dielektryk powinien być tak cienki, jak to tylko możliwe. O wiele lepiej jest, aby prąd przepływał możliwie blisko prądu, który jest indukowany przez pole magnetyczne. W ten sposób właśnie najlepiej zrealizować ekran EMI w płytce wielowarstwowej, gdzie grubość dielektryka pomiędzy warstwami na prepregach jest bardzo mała.

Przewodzone zakłócenia EMI

Na rysunku 28 pokazano widmo FFT dla układu LT8611 zasilanego poprzez koralik ferrytowy i kondensator filtrujący 4.7μ. Widoczne są zakłócenia w zakresie od 30 MHz do 400 MHz. Linia oznaczona -67 dBm na wykresie odpowiada 40 dBuV.

Na rysunku 29 z kolei widzimy analogiczny pomiar dla zasilacza opartego o LT8610. Stabilizuje on napięcie 5 V z wejściowych 13 V. Prąd pobierany z układu wynosi 1 A. Na wykresie widać, że przewodzone zakłócenia EMI rozciągają się aż do 900 MHz. Prezentowany tutaj sygnał został uzyskany poprzez wzmocnienie sygnału HF w zakłóceniach przewodzonych wzmacniaczem szerokopasmowym 35 dB, więc realnie zakłócenia te mają -135 dBm (a nie -100 dBm jak na obrazku). Jest to teoretyczny limit poziomu szumu termalnego dla układu o impedancji 50 Ω i pasmie analizy 10 kHz w temperaturze pokojowej. Na tej podstawie wyliczyć można, że zakłócenia do 400 MHz generowane przez LT8610/.LT8611 wynoszą około 10 dBuV, co odpowiada amplitudzie napięcia na poziomie 3,16 μVRMS.

Proces optymalizacji układu pod kątem EMI

Wiedząc już, jak działa ekranowanie i skąd bierze się emisja zakłóceń elektromagnetycznych w przetwornicach impulsowych, możemy podsumować sobie spisując – krok po kroku (w jakiś sposób należy optymalizować projekty płytek drukowanych, by uzyskać możliwie ‘cichy’ w RF projekt).

Najpierw sprawdź ilość i wzajemne odległości warstw w laminacie. Użyj PCB z czterema warstwami lub więcej, jeśli to możliwe. Druga warstwa od góry jest zwykle tylko około 200μm odległości, co pozwala na dużo lepsze ekranowanie gorącej pętli niż jakikolwiek ekran znajdujący się ponad 1 mm od pętli.

W osłonie gorącą pętlą płynie ten sam prąd, co w samej pętli. Ekran powinien być solidny, bez przerw i nieciągłości. Przelotki należy umieścić z dala od gorącej pętli. W ekranie gorącej pętli indukowane będą prądy ekranujące, które z kolei generują napięcie na wylewce masy. Nie należy łączyć tego pola masy z obszarami, w których potrzebujemy niskiego poziomu szumu. Prąd ekranujący spada z odległością, ale często pozostaje problemem nawet daleko od gorącej pętli.

Wyzwanie związane z filtrowaniem napięcia wejściowego i – jeśli jest to wymagane – napięcia wyjściowego związane jest głównie ze znalezieniem obszaru na PCB, który jest wystarczająco cichy. Skutecznym sposobem jest wykonanie pełnego pierścienia ekranującego na potencjale masy wokół całego zasilacza.

Masa kondensatora filtrującego powinna łączyć się z GND w miejscu, w którym prąd VIN przechodzi przez pierścień wokół zasilacza. Dalej, w kierunku gorącej pętli, powinny znajdować się jeszcze indukcyjności filtrujące, może być koralik ferrytowy lub dławik. Należy jednakże uważać na sprzężenie magnetyczne między cewkami filtra i główną indukcyjnością przetwornicy. Dławiki filtra powinny znajdować się w większej odległości od głównej indukcyjności przetwornicy.

Używaj małych kondensatorów ceramicznych, np. w obudowie 0402 lub o odwróconej geometrii, ponieważ kondensatory filtrujące muszą być niewielkich rozmiarów, aby ich równoważna indukcyjność szeregowa (ESL), która głównie decyduje o ich impedancji, była niska.. Krótsze i grubsze kondensatory mają zazwyczaj niższy ESL. W załączniku C do źródłowego artykułu znajdziemy szerszy opis ESL w kondensatorach.

Impedancja charakterystyczna tworzonych linii paskowych – ścieżek VIN- jest w zakresie pojedynczych Omów. Wartość ESL kondensatorów blokowych powinna być tak niska jak to tylko możliwe. Oprócz kondensatorów z odwróconą geometrią można zastosować kilka kondensatorów w obudowie 0402 zamontowanych bardzo blisko filtra i szeregu większych, znajdujących się w pobliżu.

Każda długość ścieżki znacznie zwiększa indukcyjność – nawet o kilkaset pikohenrów. Należy upewnić się, że ścieżki prowadzą bezpośrednio od VIN i z powrotem, przez kondensatory filtra. Pozwala to uniknąć dodatkowych Indukcyjność ścieżek, które zwiększają poziom emitowanych zakłóceń EMI.

Źródło: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/an139f.pdf