Rzadko zadawane pytania: Jak ustrzec się przewodzonych zakłóceń EMI

Pytanie: Jak wyeliminować trudne do usunięcia emisje elektromagnetyczne w paśmie FM pochodzące z przełączania kluczy zasilaczy impulsowych?

Odpowiedź: Chociaż metalowe osłony przeciwko EMI i koraliki ferrytowe są często poszukiwanym rozwiązaniem dla problemu nadmiernej emisji EMI, to mogą one być drogie, nieporęczne, a czasami, także niewystarczające do stłumienia poziomu emisji elektromagnetycznej do akceptowalnego poziomu. Szum EMI w pasmie FM można zredukować poprzez zrozumienie, skąd pochodzi i zastosowanie technik projektowania obwodów i płytek drukowanych pozwalających stłumić je u źródła.

Parametry EMI systemów zasilających mają krytyczne znaczenie w systemach wrażliwych na zakłócenia, takich jak obwody samochodowe, zwłaszcza w przypadku stosowania zasilaczy impulsowych (SMPS). Inżynierowie mogą poświęcić dużo czasu na redukcję emisji przewodzonych (CE) i emisji promieniowania (RE). W szczególności, podczas pomiaru CE pasmo FM (76 MHz do około 108 MHz) może być regionem, w którym najtrudniej jest uzyskać poprawny wynik. Projektanci mogą potrzebować na to dużo czasu. Dlaczego, jednakże szum CE w paśmie FM jest tak trudny do eliminacji?

Zakłócenia CE o niskiej częstotliwości (pasmo AM) są zdominowane przez szum różnicowy (DM), a wysokoczęstotliwościowe zakłócenia przewodzone (pasmo FM) przez szum w trybie wspólnym (CM ). Prąd szumu w trybie wspólnym jest generowany przez węzły układu o zmieniających się napięciach na płytce drukowanej. Prąd przepływa przez pojemność rozproszoną do masy odniesienia i z powrotem do kabli wejściowych (dodatnich i ujemnych linii zasilania – patrz rysunek 1). Ze względu na złożoność pojemności rozproszonej wokół PCB niepraktyczne jest symulowanie tej pojemności i szacowanie EMI przewodzonego w paśmie FM. Najlepiej po prostu przetestować płytkę w komorze EMI.



W laboratorium istnieją sprawdzone metody, które pozwalają na skuteczne redukowanie zakłóceń elektromagnetycznych w pasmie FM, w tym umożliwiają zmianę częstotliwości i szybkości narastania przełączania, układu węzłów kluczy i pętli indukcyjnej, cewki indukcyjnej, a nawet lokalizacji kabli wejściowych i obciążenia w systemie. Skuteczność każdej metodyki może się różnić w zależności od sterownika przetwornicy.

W poniższym artykule omówiono kilka prostych i niedrogich sposobów redukcji zakłóceń elektromagnetycznych przewodzonych w paśmie FM na płytce drukowanej — bez konieczności stosowania koralików ferrytowych, czy ekranów elektromagnetycznych. Wyniki są weryfikowane poprzez wykonanie testów CE za pomocą sondy prądowej w certyfikowanej komorze EMI na płytce zawierającej układ LT3922-1 dedykowany do pracy w samochodowym sterowniku LED HUD, jak to pokazano na rysunku 2.



W tym teście CE są mierzone metodą sondy prądowej w konfiguracji zgodnej z normą pomiaru EMI CISPR 25, jak ukazuje to rysunek 3. CE można testować metodą sondy napięciowej lub sondy prądowej, ale standard wykorzystujący tę drugą regułę jest ogólnie uważany za bardziej rygorystyczny. Zamiast mierzyć napięcie wyjściowe z sieci LISN, obecna metoda CE użytkuje sondę prądową o dużej szerokości pasma do pomiaru sygnałów szumu CM rozchodzących się przez przewód zasilający lub wiązkę przewodów w odległości 50 mm i 750 mm od testowanego urządzenia. Dane szczytowe i średnie dotyczące CE są zbierane przy każdym cyklu pracy urządzenia i porównywane z opublikowanymi limitami wynikającymi z norm.



W przypadku metody wykorzystującej sondę prądową średnie limity CE pasma FM opisane w normie CISPR 25 (klasa 5) wynoszą zaledwie −16 dBµA. W tym artykule przedstawionych zostanie kilka skutecznych podejść do poprawy wyników w zakresie emisji EMI w paśmie FM w ramach bieżących testów pod kątem CE. Wiele z tych metodyk można zastosować, również do poprawy wyników testów CE realizowanych metodą napięciową.

Wszystkie symulacje w tym badaniu mają włączoną funkcję SSFM, chyba że określono inaczej. Dzięki SSFM skoki EMI przy częstotliwości przełączania i jego harmoniczne są zredukowane.

Dławik w trybie wspólnym tłumi szum EMI pasma FM

Prąd szumu CM, który jest generowany, podczas przełączania kluczy wycieka do masy odniesienia przez pojemność rozproszoną i powraca przez wejściowe i powrotne ścieżki w tym samym kierunku. A zwiększając impedancję trybu wspólnego w pętli za pomocą dławika CM, można stłumić niepożądany szum wspólny.

Rysunek 4 przedstawia wyniki pomiarów CE ze średniej dla 50 mm i 750 mm, porównując pierwotny obwód bez dławika oraz w jego obecności i instalacji przed obwodem sterownika LED. Poziom szumów otoczenia jest również pokazany jako poziom odniesienia. Zakłócenia w pasmie FM CE (od 76 MHz do około 108 MHz) zostały zredukowane o ponad 8 dBµA.



Cewki mają znaczenie

Szybko zmieniające się napięcia i prądy są przykładane do głównej cewki indukcyjnej, czyniąc ją anteną elektromagnetyczną, dlatego, właśnie cewki w takim układzie mogą być źródłem szumu CE w paśmie FM. Wyniki testów pomiaru emisji EMI można poprawić za pomocą wielu metod związanych z cewkami indukcyjnymi. Na przykład orientacja montażowa cewki indukcyjnej na PCB może mieć istotne znaczenie. Ekranowane cewki indukcyjne mają zwykle niższe poziomy emisji, niż nieekranowane, a niektóre materiały rdzenia ograniczają promieniowanie pola magnetycznego (H) i elektrycznego (E) bardziej, niż inne. Na przykład cewki indukcyjne ze sproszkowanego żelaza i stopów innych metali mają mniejszą skuteczność ekranowania pola elektrycznego przy częstotliwościach powyżej 1 MHz. MnZn i NiZn mają lepszą wydajność przy wyższych częstotliwościach przełączania. Cewki indukcyjne z odsłoniętymi padami działają gorzej, niż cewki, których pola lutownicze są ukryte. Podłączenie długiego przewodu wewnętrznego uzwojenia cewki do węzła o wysokim współczynniku dV⁄dt (np. klucz w układzie) może radykalnie zwiększyć promieniowanie pola elektrycznego na zewnątrz układu.



Przetestowano 3 ekranowane cewki o indukcyjności równej 22 µH, jak podano w Tabeli 1 powyżej. Emisję zakłóceń elektromagnetycznych oceniono w tym samym obwodzie bez dławika CM, a każdą cewkę montowano w najlepszej dla niej orientacji. Wyniki porównano na rysunku 5. W tym badaniu Coilcraft XEL zapewnia najlepsze parametry w paśmie FM, redukując zakłócenia elektromagnetyczne dla zakresu FM o 5,1 dB (w porównaniu z cewką 3L).

Niższa częstotliwość przełączania (fsw) skutkuje cichszym pasmem FM

Zmniejszenie częstotliwości przełączania obniża energię emisji przy danej częstotliwości. Na rysunku 6 sonda prądowa CE mierzy układ bez dławika CM. Wyniki są porównane przy częstotliwościach przełączania równych 200 kHz, 300 kHz i 400 kHz. Wszystkie komponenty poza RT były w układach takie same. Test przy 200 kHz wykazuje najniższą emisję EMI w paśmie FM z emisjami o 3,2 dB niższymi, niż w przypadku 400 kHz.

Zmniejsz: „antenę szumów”, limitując obszar węzła przełącznika na PCB

Punkt przełączania, czyli element w układzie o wysokim nachyleniu dV⁄dt jest zasadniczym źródłem szumów elektromagnetycznych, które generuje sprzężenie pojemnościowe i zwiększa szum wspólny. Działa on, również jako antena, która emituje szum elektromagnetyczny do przestrzeni, wpływając, także na wypromieniowane zakłócenia elektromagnetyczne. Dlatego zminimalizowanie obszaru tego węzła na PCB poprawia parametry i redukuje poziom emisji EMI.

Aby przetestować to na płytce drukowanej, obszar węzła przełączającego został zmniejszony przez odcięcie części miedzi i przesunięcie cewki bliżej układu scalonego, jak pokazano na rysunku 7. Zakłócenia elektromagnetyczne zostały zmierzone przed i po usunięciu miedzi na PCB, a wynik zobrazowano na rysunku 8.

Test CE z wykorzystaniem sondy prądowej 50 mm spada o 1 dB przy 105 MHz, podczas gdy symulacja z wykorzystaniem sondy 750 mm nie wykazuje takiej wyraźnej poprawy. Wynik ten wskazuje, że obszar miedzi nie jest głównym czynnikiem wpływającym na zakłócenia elektromagnetyczne w zakresie pasma FM w tym zastosowaniu. Mimo to warto spróbować maksymalnie zmniejszyć obszar przełączanych ścieżek, aby uzyskać układ PCB gwarantujący niską emisję zakłóceń elektromagnetycznych.



Podsumowanie

Parametry elektromagnetyczne zasilacza zależą przede wszystkim od właściwości samego układu scalonego odpowiedzialnego za jego kontrolę; jednakże nawet układ scalony o doskonałych własnościach nie może zapewnić samodzielnie niskiego poziomu emisji – wymagany jest również odpowiedni dobór komponentów i efektywne rozłożenie ich na PCB. W powyższym artykule zbadano kilka metod ograniczania emisji przewodzonych (CE) w paśmie FM za pomocą płytki zbudowanej wokół sterownika dla samochodowych LED LT3922-1.

Zastosowanie dławika w układzie wspólnym na dodatnich i ujemnych liniach wejściowych zasilacza zwiększa impedancję w pętli prądowej szumów współbieżnych. Różne cewki indukcyjne z licznymi materiałami i konstrukcjami rdzenia oraz konstrukcjami uzwojenia dają szereg odmiennych wyników w zakresie redukcji zakłóceń elektromagnetycznych. Trudno jest oszacować, która cewka jest najlepsza, patrząc wyłącznie na jej specyfikację — porównania najlepiej przeprowadzić w laboratorium, mierząc poziom emisji EMI.

Ważna jest również orientacja cewek na płytce drukowanej. Zmniejszenie częstotliwości przełączania i obszaru miedzi w węźle przełączającym może pomóc ograniczyć ilość zakłóceń w pasmie FM, ale nie ma to gigantycznego wpływu na EMI. Jeśli analizowany układ jest stabilizatorem impulsowym wykorzystującym scalony kontroler (z zewnętrznym tranzystorem MOSFET), to EMI w zakresie FM można dodatkowo zmniejszyć, limitując szybkości narastania sygnału przełączającego klucz i minimalizując obszary gorącej pętli w przetwornicy, o której więcej napisano tutaj.

Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-188.html