تقنيات التصميم لتقليل emi في دوائر smps

في مقالتي السابقة عن EMI ، درسنا كيفية الطبيعة المتعمدة / غير المقصودة لمصادر EMI وكيف تؤثر على أداء الأجهزة الكهربائية / الإلكترونية الأخرى (الضحايا) من حولهم. تبع هذا المقال مقالًا آخر عن التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) والذي قدم نظرة ثاقبة لمخاطر EMI وقدم بعض السياق لكيفية تأثير ضعف EMI سلبًا على أداء السوق للمنتج ، إما بسبب القيود التنظيمية أو فشل الوظائف.

تحتوي كلتا المادتين على نصائح عامة لتقليل EMI (الصادرة والواردة) في التصميم ، ولكن خلال المقالات القليلة التالية ، سنلقي نظرة أعمق ونفحص كيفية تقليل EMI في وحدات وظيفية معينة لمنتجك الإلكتروني. سنبدأ بتقليل EMI في وحدات الإمداد بالطاقة مع التركيز بشكل خاص على Switch Mode Power Supply.

Switch Mode Power Supply هو مصطلح عام لمصادر طاقة AC-DC أو DC-DC التي تستخدم دوائر ذات إجراءات تحويل سريعة لتحويل / تحويل الجهد (باك أو دفعة). تتميز بالكفاءة العالية ، وعامل الشكل الصغير ، والاستهلاك المنخفض للطاقة ، مما جعلها مصدر الطاقة المفضل للمعدات / المنتجات الإلكترونية الجديدة ، على الرغم من أنها أكثر تعقيدًا وصعوبة في التصميم مقارنة بالمستخدمين أن تكون شعبية إمدادات الطاقة الخطية. ومع ذلك ، وبغض النظر عن تعقيد تصميماتها ، فإن SMPS تمثل تهديدًا كبيرًا لتوليد EMI بسبب ترددات التحويل السريع التي تستخدمها ، لتحقيق الكفاءة العالية التي تُعرف بها.

مع تطوير المزيد من الأجهزة (ضحايا / مصدر EMI المحتملين) كل يوم ، أصبح التغلب على EMI تحديًا كبيرًا للمهندسين وأصبح تحقيق التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) مهمًا مثل جعل الجهاز يعمل بشكل صحيح.

بالنسبة لمقال اليوم ، سننظر في طبيعة ومصادر EMI في SMPS ، وندرس بعض تقنيات / مناهج التصميم التي يمكن استخدامها في التخفيف منها.

مصادر EMI في SMPS

يتطلب حل أي مشكلة من مشكلات التداخل الكهرومغناطيسي عمومًا فهم مصدر التداخل ومسار الاقتران بالدوائر الأخرى (الضحايا) وطبيعة الضحية التي يتأثر أداؤها سلبًا. أثناء تطوير المنتج ، يكاد يكون من المستحيل تقريبًا تحديد تأثير التداخل الكهرومغناطيسي على الضحايا المحتملين ، على هذا النحو ، تركز جهود التحكم في التداخل الكهرومغناطيسي عادةً على تقليل مصادر الانبعاثات (أو تقليل القابلية للتأثر) ، وإلغاء / تقليل مسارات الاقتران.

يمكن إرجاع المصدر الرئيسي لـ EMI في مصادر الطاقة SMPS إلى طبيعة التصميم المتأصلة وخصائص التبديل. إما أثناء عملية التحويل من AC-DC أو DC-DC، وMOSFET تبديل المكونات في SMPS، وتحول أو خارجها عند الترددات العالية، وخلق موجة كاذبة شرط (موجة مربع)، والتي يمكن وصفها من قبل سلسلة فورييه باسم جمع العديد من الموجات الجيبية ذات الترددات المتناسقة. يتحول طيف فورييه الكامل من التوافقيات ، الناتج عن إجراء التبديل ، إلى EMI الذي يتم إرساله ، من مصدر الطاقة إلى الدوائر الأخرى في الجهاز ، وإلى الأجهزة الإلكترونية القريبة المعرضة لهذه الترددات.

إلى جانب الضوضاء الناتجة عن التبديل ، هناك مصدر آخر لـ EMI في SMPS هو انتقال التيار السريع (dI / dt) والجهد (dV / dt) (والذي يرتبط أيضًا بالتحويل). وفقًا لمعادلة ماكسويل ، ستنتج هذه التيارات والفولتية المتناوبة مجالًا كهرومغناطيسيًا متناوبًا ، وبينما يقل حجم المجال مع المسافة ، فإنه يتفاعل مع الأجزاء الموصلة (مثل آثار النحاس على PCB) التي تعمل مثل الهوائيات وتسبب ضوضاء إضافية على الخطوط ، مما يؤدي إلى EMI.

الآن ، EMI في المصدر ليست خطيرة جدًا (في بعض الأحيان) حتى يتم اقترانها في الدوائر أو الأجهزة المجاورة (الضحايا) ، على هذا النحو ، من خلال القضاء على / تقليل مسارات الاقتران المحتملة ، يمكن تقليل EMI بشكل عام. كما نوقش في مقالة "مقدمة إلى EMI" ، يحدث اقتران EMI بشكل عام من خلال ؛ التوصيل (عبر المسارات غير المرغوب فيها / المعاد توجيهها أو ما يسمى بـ "دوائر التسلل") ، والحث (الاقتران بعناصر حثية أو سعوية مثل المحولات) ، والإشعاع (عبر الهواء).

من خلال فهم مسارات الاقتران هذه وكيفية تأثيرها على EMI في إمدادات الطاقة في وضع التبديل ، يمكن للمصممين إنشاء أنظمتهم بطريقة تقلل من تأثير مسار الاقتران وتقليل انتشار التداخل.

أنواع مختلفة من آليات اقتران EMI

سنستعرض كل آلية من آليات الاقتران فيما يتعلق بـ SMPS ونضع عناصر تصميمات SMPS التي تؤدي إلى وجودها.

يشع EMI في SMPS:

يحدث الاقتران المشع عندما يعمل المصدر والمستقبل (الضحية) كهوائيات لاسلكية. يشع المصدر موجة كهرومغناطيسية تنتشر عبر الفضاء المفتوح بين المصدر والضحية. في SMPS المشعة ، يرتبط انتشار EMI عادةً بتيارات مبدلة ذات دي / ديت مرتفع ، معززة بوجود حلقات ذات أوقات صعود سريعة للتيار بسبب سوء تخطيط التصميم وممارسات الأسلاك التي تؤدي إلى تحريض التسرب.

النظر في الدائرة أدناه ؛

يؤدي التغيير السريع للتيار في الدائرة إلى ظهور جهد صاخب (Vnoise) بالإضافة إلى خرج الجهد العادي (Vmeas). تشبه آلية الاقتران تشغيل المحولات بحيث يتم إعطاء Vnoise بواسطة المعادلة ؛

_ضجيج V = R _M / (R _S + R _M) * M * di / dt

حيث M / K هو عامل الاقتران الذي يعتمد على المسافة والمساحة واتجاه الحلقات المغناطيسية والامتصاص المغناطيسي بين الحلقات المعنية - تمامًا كما هو الحال في المحولات. وبالتالي ، في تخطيطات التصميم / ثنائي الفينيل متعدد الكلور مع مراعاة اتجاه الحلقة الضعيف ، ومنطقة حلقة التيار الكبيرة ، تميل إلى أن يكون هناك مستوى أعلى من EMI المشعة.

أجريت EMI في SMPS:

يحدث اقتران التوصيل عندما يتم تمرير انبعاثات EMI على طول الموصلات (الأسلاك والكابلات والمرفقات وآثار النحاس على PCBs) التي تربط مصدر EMI والمستقبل معًا. تعتبر EMI المقترنة بهذه الطريقة شائعة في خطوط إمداد الطاقة وعادة ما تكون ثقيلة على مكون الحقل H.

اقتران التوصيل في SMPS هو إما توصيل الوضع العام (يظهر التداخل في الطور على خط + ve و GND) أو الوضع التفاضلي (يظهر التداخل خارج الطور على موصلين).

عادةً ما تنتج انبعاثات الوضع المشترك عن طريق السعات الطفيلية مثل تلك الخاصة بالمبدد الحراري والمحول جنبًا إلى جنب مع تخطيط اللوحة ، وتبديل شكل موجة الجهد عبر المفتاح.

من ناحية أخرى ، فإن انبعاثات الوضع التفاضلي التي يتم إجراؤها هي نتيجة إجراء التبديل الذي يتسبب في نبضات تيار عند الإدخال ويخلق طفرات تبديل تؤدي إلى وجود ضوضاء تفاضلية.

EMI الاستقرائي في SMPS:

يحدث الاقتران الاستقرائي عندما يكون هناك تحريض كهربائي (بسبب اقتران بالسعة) أو مغناطيسي (بسبب اقتران حثي) بين المصدر والضحية. يحدث الاقتران الكهربائي أو الاقتران السعوي عندما يوجد مجال كهربائي متغير بين موصلين متجاورين ، مما يؤدي إلى تغيير في الجهد عبر الفجوة بينهما ، بينما يحدث الاقتران المغناطيسي أو الاقتران الحثي عندما يوجد مجال مغناطيسي متغير بين موصلين متوازيين ، مما يؤدي إلى حدوث تغيير في الجهد على طول موصل الاستقبال.

باختصار ، في حين أن المصدر الرئيسي للتداخل الكهرومغناطيسي في SMPS هو إجراء تبديل التردد العالي جنبًا إلى جنب مع النتائج العابرة بسرعة di / dt أو dv / dt ، فإن العوامل التمكينية التي تسهل انتشار / انتشار EMI المتولدة إلى الضحايا المحتملين على نفس اللوحة (أو الأنظمة الخارجية) هي عوامل ناتجة عن سوء اختيار المكونات وسوء تخطيط التصميم ووجود محاثة / سعة طائشة في المسارات الحالية.

تقنيات التصميم لتقليل EMI في SMPS

قبل استعراض هذا القسم ، قد يكون من المجدي إلقاء نظرة على المعايير واللوائح حول EMI / EMC للحصول على تذكير بأهداف التصميم. على الرغم من أن المعايير تختلف بين البلدان / المناطق ، فإن أكثر المعايير المقبولة على نطاق واسع ، والتي بفضل التنسيق ، مقبولة للحصول على الشهادات في معظم المناطق ؛ لوائح التحكم FCC EMI و CISPR 22 (الطبعة الثالثة للجنة الدولية الخاصة المعنية بالتداخل اللاسلكي (CISPR) ، حانة.22). تم تلخيص التفاصيل المعقدة لهذين المعيارين في مقالة معيار EMI التي ناقشناها سابقًا.

اجتياز عمليات اعتماد EMC أو التأكد فقط من أن أجهزتك تعمل بشكل جيد عندما تتطلب أجهزة أخرى أن تحافظ على مستويات الانبعاثات لديك دون القيم الموضحة في المعايير.

يوجد عدد كبير من مناهج التصميم للتخفيف من EMI في SMPS وسنحاول تغطيتها واحدة تلو الأخرى.

1. الذهاب الخطي

بصراحة ، إذا كان التطبيق الخاص بك قادرًا على تحمله (الطبيعة الضخمة وغير الفعالة) ، فيمكنك توفير الكثير من إجهاد EMI المتعلق بمصدر الطاقة باستخدام مصدر طاقة خطي. لا تولد EMI كبيرة ولن تكلف الكثير من الوقت والمال لتطويرها. من أجل كفاءتها ، حتى لو لم تكن على قدم المساواة مع SMPS ، فلا يزال بإمكانك الحصول على مستويات كفاءة معقولة باستخدام منظمات LDO الخطية.

2. استخدم وحدات الطاقة

قد لا يكون اتباع أفضل الممارسات للحصول على أداء EMI جيدًا جيدًا بما يكفي في بعض الأحيان. في تلك المواقف التي لا يمكنك فيها العثور على الوقت أو الموارد الأخرى لضبط والحصول على أفضل نتائج EMI ، فإن أحد الأساليب التي تعمل عادةً هو التبديل إلى وحدات الطاقة.

وحدات الطاقة ليست مثالية ، ولكن هناك شيء واحد تفعله جيدًا يضمن لك عدم الوقوع في مصائد الجناة المعتادين في EMI مثل تخطيط التصميم السيئ والحث / السعة الطفيلية. بعض من أفضل وحدات الطاقة في السوق تمثل بالفعل الحاجة إلى التغلب على التداخل الكهرومغناطيسي وهي مصممة لجعل تطوير مصادر طاقة سريعة وسهلة ، مع أداء جيد لتوصيل الكهرومغناطيسي. تمتلك المصنوعات مثل Murata و Recom و Mornsun وما إلى ذلك مجموعة واسعة من وحدات SMPS التي تهتم بالفعل بمشاكل EMI و EMC بالنسبة لنا.

على سبيل المثال ، عادةً ما تحتوي على معظم المكونات مثل المحاثات ، متصلة داخليًا داخل الحزمة ، على هذا النحو ، توجد منطقة حلقة صغيرة جدًا داخل الوحدة النمطية ويتم تقليل EMI المشعة. تذهب بعض الوحدات إلى حد حماية المحاثات وعقدة التبديل لمنع EMI المشعة من الملف.

3. التدريع

آلية القوة الغاشمة لتقليل EMI هي حماية SMPS بالمعدن. يتم تحقيق ذلك من خلال وضع مصادر توليد الضوضاء في مصدر الطاقة ، داخل غلاف موصل (معدني) مؤرض ، مع وجود الواجهة الوحيدة للدوائر الخارجية عبر المرشحات المضمنة.

ومع ذلك ، فإن الحماية تضيف تكلفة إضافية في المواد ، وحجم ثنائي الفينيل متعدد الكلور للمشروع ، على هذا النحو ، قد تكون فكرة سيئة للمشاريع ذات الأهداف منخفضة التكلفة.

4. التخطيط الأمثل

يعتبر تخطيط التصميم أحد القضايا الرئيسية التي تسهل انتشار EMI عبر الدائرة. هذا هو السبب ، أحد الأساليب العامة الواسعة لتقليل EMI في SMPS هو تحسين التخطيط. أحيانًا يكون مصطلحًا غامضًا إلى حد ما لأنه قد يعني أشياء مختلفة تتراوح من القضاء على المكونات الطفيلية إلى فصل العقد الصاخبة عن العقد الحساسة للضوضاء وتقليل مناطق الحلقة الحالية ، إلخ.

تتضمن بعض نصائح تحسين التخطيط لتصميمات SMPS ؛

حماية العقد الحساسة للضوضاء من العقد الصاخبة

يمكن القيام بذلك عن طريق وضعهم بعيدًا قدر الإمكان عن بعضهم البعض لمنع الاقتران الكهرومغناطيسي بينهم. يتم توفير بعض الأمثلة على العقد الحساسة للضوضاء والصاخبة في الجدول أدناه ؛

عقد صاخبة	العقد الحساسة للضوضاء
المحاثات	مسارات الاستشعار
تبديل العقد	شبكات التعويض
المكثفات عالية dI / dt	دبوس التعليقات
FETs	دوائر التحكم

احتفظ بتتبع العقد الحساسة للضوضاء قصيرة

تعمل آثار النحاس على ثنائي الفينيل متعدد الكلور كهوائيات لـ EMI المشعة ، على هذا النحو ، فإن إحدى أفضل الطرق لمنع الآثار المتصلة مباشرة بالعقد الحساسة للضوضاء من الحصول على EMI المشعة هي من خلال إبقائها قصيرة قدر الإمكان عن طريق نقل المكونات التي هي عليها لتكون على اتصال ، في أقرب وقت ممكن. على سبيل المثال ، يمكن أن يعمل التتبع الطويل من شبكة مقسم المقاوم الذي يغذي دبوس ردود الفعل (FB) كهوائي ويلتقط EMI المشعة حوله. ستؤدي الضوضاء التي يتم تغذيتها إلى دبوس التغذية المرتدة إلى حدوث ضوضاء إضافية عند إخراج النظام ، مما يجعل أداء الجهاز غير مستقر.

تقليل منطقة الحلقة الحرجة (الهوائي)

يجب أن تكون الآثار / الأسلاك التي تحمل شكل موجة التبديل قريبة قدر الإمكان من بعضها البعض.

تتناسب EMI المشعة بشكل مباشر مع حجم التيار (I) ومنطقة الحلقة (A) التي يتدفق خلالها ، على هذا النحو ، عن طريق تقليل مساحة التيار / الجهد ، يمكننا تقليل مستوى EMI المشعة. هناك طريقة جيدة للقيام بذلك لخطوط الطاقة وهي وضع خط الطاقة ومسار العودة فوق بعضهما البعض على الطبقات المجاورة لثنائي الفينيل متعدد الكلور.

تقليل الحث الشارد

يمكن تقليل مقاومة حلقة الأسلاك (التي تساهم في الإشعاع الكهرومغناطيسي بما يتناسب مع المنطقة) عن طريق زيادة حجم المسارات (خط الطاقة) على PCB وتوجيهها بالتوازي مع مسار العودة لتقليل تحريض المسارات.

التأريض

يوفر المستوى الأرضي غير المنكسر الموجود على الأسطح الخارجية لثنائي الفينيل متعدد الكلور أقصر مسار عودة للتداخل الكهرومغناطيسي ، خاصةً عندما يكون موجودًا مباشرةً أسفل مصدر EMI حيث يمنع EMI المشعة بشكل كبير. ومع ذلك ، يمكن أن تكون الطائرات الأرضية مشكلة إذا سمحت بقطعها بآثار أخرى. يمكن أن يؤدي القطع إلى زيادة منطقة الحلقة الفعالة ويؤدي إلى مستويات EMI كبيرة حيث يجب أن يجد تيار العودة مسارًا أطول للالتفاف حول القطع ، للعودة إلى المصدر الحالي.

المرشحات

تعد مرشحات EMI ضرورية لمصادر الطاقة ، خاصةً للتخفيف من EMI التي يتم إجراؤها. عادة ما تكون موجودة عند مدخلات و / أو خرج مصدر الطاقة. عند الإدخال ، تساعد في تصفية الضوضاء من التيار الكهربائي وعند الإخراج ، تمنع الضوضاء الصادرة عن مصدر الطاقة من التأثير على بقية الدائرة.

في تصميم مرشحات EMI للتخفيف من التداخل الكهرومغناطيسي الذي تم إجراؤه ، من المهم عادةً معالجة الانبعاثات التي يتم إجراؤها بالوضع المشترك بشكل منفصل عن انبعاث الوضع التفاضلي حيث ستكون معلمات المرشح لمعالجتها مختلفة.

بالنسبة للوضع التفاضلي الذي تم إجراؤه لفلترة EMI ، عادة ما تتكون مرشحات الإدخال من المكثفات الإلكتروليتية والسيراميك ، مجتمعة ، لتخفيف تيار الوضع التفاضلي بكفاءة عند تردد التبديل الأساسي المنخفض وأيضًا عند الترددات التوافقية الأعلى. في الحالات التي تتطلب المزيد من الكبت ، يضاف محث في سلسلة مع المدخلات لتشكيل مرشح تمرير منخفض LC أحادي المرحلة.

بالنسبة للوضع المشترك الذي يتم إجراؤه ، يمكن إجراء ترشيح EMI بشكل فعال عن طريق توصيل المكثفات الالتفافية بين خطوط الطاقة (كل من الإدخال والإخراج) والأرض. في الحالات التي تتطلب المزيد من التوهين ، يمكن إضافة محاثات الخنق المقترنة في سلسلة مع خطوط الطاقة.

بشكل عام ، يجب أن تأخذ تصميمات المرشحات في الاعتبار أسوأ السيناريوهات عند اختيار المكونات. على سبيل المثال ، سيكون EMI للوضع العام بحد أقصى مع جهد دخل عالٍ ، بينما سيكون الوضع التفاضلي EMI بحد أقصى مع جهد منخفض وحمل مرتفع.

استنتاج

أخذ جميع النقاط المذكورة أعلاه في الاعتبار عند تصميم تبديل مصادر الطاقة يمثل عادةً تحديًا ، فهو بشكل فعال أحد أسباب الإشارة إلى التخفيف من EMI باسم "الفن المظلم" ولكن كلما اعتدت عليه أكثر ، أصبحت طبيعة ثانية.

بفضل إنترنت الأشياء والتطورات المختلفة في التكنولوجيا ، يعد التوافق الكهرومغناطيسي والقدرة العامة لكل جهاز على العمل بشكل صحيح في ظل ظروف التشغيل العادية ، دون التأثير سلبًا على تشغيل الأجهزة الأخرى بالقرب منه ، أكثر أهمية من ذي قبل. يجب ألا تكون الأجهزة عرضة للتداخل الكهرومغناطيسي من مصادر متعمدة أو غير مقصودة قريبة ، كما يجب ألا تشع في نفس الوقت تداخلًا (عن قصد أو عن غير قصد) على مستويات قد تؤدي إلى تعطل الأجهزة الأخرى.

لأسباب تتعلق بالتكلفة ، من المهم النظر في التوافق الكهرومغناطيسي في المرحلة المبكرة من تصميم SMPS. من المهم أيضًا النظر في كيفية تأثير توصيل مصدر الطاقة بالجهاز الرئيسي على ديناميكيات EMI في كلا الجهازين ، كما هو الحال في معظم الحالات ، خاصة بالنسبة لـ SMPS المضمنة ، سيتم اعتماد مصدر الطاقة مع الجهاز كوحدة واحدة وأي ثغرات في إما أن يؤدي إلى الفشل.