Técnicas de diseño para reducir emi en circuitos smps

En mi artículo anterior sobre EMI, examinamos cómo la naturaleza intencional / no intencional de las fuentes de EMI y cómo afectan el desempeño de otros dispositivos eléctricos / electrónicos (víctimas) a su alrededor. El artículo fue seguido por otro sobre compatibilidad electromagnética (EMC) que proporcionó información sobre los peligros de la EMI y ofreció un contexto sobre cómo una mala consideración de la EMI podría afectar negativamente el desempeño de un producto en el mercado, ya sea debido a restricciones regulatorias o fallas de funcionalidad.

Ambos artículos contienen consejos generales para minimizar la EMI (saliente o entrante) en el diseño, pero en los próximos artículos profundizaremos y examinaremos cómo minimizar la EMI en ciertas unidades funcionales de su producto electrónico. Comenzaremos minimizando la EMI en las unidades de fuente de alimentación con un enfoque específico en las fuentes de alimentación conmutadas.

Fuente de alimentación de modo de conmutación es un término genérico para las fuentes de alimentación de CA-CC o CC-CC que utilizan circuitos con acciones de conmutación rápida para la transformación / conversión de voltaje (reducción o refuerzo). Se caracterizan por una alta eficiencia, un factor de forma pequeño y un bajo consumo de energía, lo que los ha convertido en la fuente de alimentación preferida para nuevos equipos / productos electrónicos, aunque son significativamente más complejos y difíciles de diseñar en comparación con los usados ​​para fuentes de alimentación lineales populares. Sin embargo, más allá de la complejidad de sus diseños, SMPS presenta una importante amenaza de generación de EMI debido a las rápidas frecuencias de conmutación que emplean, para lograr la alta eficiencia por la que son conocidos.

Con más dispositivos (posibles víctimas / fuentes de EMI) que se desarrollan cada día, superar las EMI se está convirtiendo en un gran desafío para los ingenieros y lograr la compatibilidad electromagnética (EMC) se está volviendo tan importante como hacer que el dispositivo funcione correctamente.

En el artículo de hoy, analizaremos la naturaleza y las fuentes de EMI en SMPS y examinaremos algunas técnicas / enfoques de diseño que se pueden utilizar para mitigarlas.

Fuentes de EMI en SMPS

La solución de cualquier problema de EMI generalmente requiere una comprensión de la fuente de interferencia, la ruta de acoplamiento a otros circuitos (víctimas) y la naturaleza de la víctima cuyo desempeño se ve afectado negativamente. Durante el desarrollo del producto, por lo general es casi imposible determinar el impacto de EMI en las víctimas potenciales, como tal, los esfuerzos de control de EMI generalmente se enfocan en minimizar las fuentes de emisión (o reducir la susceptibilidad) y eliminar / reducir las rutas de acoplamiento.

La principal fuente de EMI en las fuentes de alimentación SMPS puede rastrearse hasta su naturaleza de diseño inherente y sus características de conmutación. Ya sea durante el proceso de conversión de CA-CC o CC-CC, los componentes de conmutación del MOSFET en SMPS, que se encienden o apagan a altas frecuencias, crean una onda sinusoidal falsa (onda cuadrada), que puede ser descrita por una serie de Fourier como la suma de muchas ondas sinusoidales con frecuencias armónicamente relacionadas. Este espectro completo de armónicos de Fourier, resultante de la acción de conmutación, se convierte en la EMI que se transmite desde la fuente de alimentación a otros circuitos del dispositivo y a los dispositivos electrónicos cercanos que son susceptibles a estas frecuencias.

Aparte del ruido de la conmutación, otra fuente de EMI en SMPS son las transiciones rápidas de corriente (dI / dt) y voltaje (dV / dt) (que también están relacionadas con la conmutación). De acuerdo con la ecuación de maxwell, estas corrientes y voltajes alternos producirán un campo electromagnético alterno, y aunque la magnitud del campo se reduce con la distancia, interactúa con partes conductoras (como trazas de cobre en la PCB) que actúan como antenas y causan ruido adicional en las líneas., lo que lleva a EMI.

Ahora, la EMI en la fuente no es tan peligrosa (a veces) hasta que se acopla a los circuitos o dispositivos vecinos (víctimas), como tal, al eliminar / minimizar las posibles rutas de acoplamiento, la EMI generalmente se puede reducir. Como se discutió en el artículo “Introducción a EMI”, el acoplamiento EMI generalmente ocurre mediante; conducción (a través de caminos no deseados / reutilizados o los llamados "circuitos furtivos"), inducción (acoplamiento por elementos inductivos o capacitivos como transformadores) y radiación (por aire).

Al comprender estas rutas de acoplamiento y cómo afectan a la EMI en las fuentes de alimentación conmutadas, los diseñadores pueden crear sus sistemas de tal manera que se minimice la influencia de la ruta de acoplamiento y se reduzca la propagación de la interferencia.

Diferentes tipos de mecanismos de acoplamiento EMI

Repasaremos cada uno de los mecanismos de acoplamiento relacionados con SMPS y estableceremos los elementos de los diseños de SMPS que dan lugar a su existencia.

EMI radiada en SMPS:

El acoplamiento irradiado ocurre cuando la fuente y el receptor (víctima) actúan como antenas de radio. La fuente irradia una onda electromagnética que se propaga a través del espacio abierto entre la fuente y la víctima. En SMPS, la propagación de EMI radiada generalmente se asocia con corrientes conmutadas con di / dt alta, impulsadas por la existencia de bucles con tiempos de aumento de corriente rápidos debido a un diseño deficiente y prácticas de cableado que dan lugar a inductancia de fuga.

Considere el circuito a continuación;

El rápido cambio de corriente en el circuito da lugar a un voltaje ruidoso (Vnoise) además de la salida de voltaje normal (Vmeas). El mecanismo de acoplamiento es similar al funcionamiento de los transformadores, de modo que el ruido V viene dado por la ecuación;

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

Donde M / K es el factor de acoplamiento que depende de la distancia, el área y la orientación de los bucles magnéticos y la absorción magnética entre los bucles en cuestión, al igual que en un transformador. Por lo tanto, en diseños / diseños de PCB con una mala consideración de la orientación del bucle y un área de bucle de corriente grande, tiende a haber un nivel más alto de EMI radiada.

EMI conducida en SMPS:

El acoplamiento de conducción ocurre cuando las emisiones EMI pasan a lo largo de conductores (alambres, cables, gabinetes y trazas de cobre en PCB) que conectan la fuente de EMI y el receptor juntos. La EMI acoplada de esta manera es común en las líneas de suministro de energía y generalmente es pesada en el componente de campo H.

El acoplamiento de conducción en SMPS es conducción en modo común (la interferencia aparece en fase en la línea + ve y GND) o en modo diferencial (la interferencia aparece fuera de fase en dos conductores).

Las emisiones conducidas en modo común generalmente son causadas por capacitancias parásitas como las del disipador de calor y el transformador junto con el diseño de la placa y la forma de onda de voltaje de conmutación a través del interruptor.

Las emisiones conducidas en modo diferencial, por otro lado, son el resultado de la acción de conmutación que provoca pulsos de corriente en la entrada y crea picos de conmutación que conducen a la existencia de ruido diferencial.

EMI inductivo en SMPS:

El acoplamiento inductivo ocurre cuando hay una inducción de EMI eléctrica (debido a un acoplamiento capacitivo) o magnético (debido a un acoplamiento inductivo) entre la fuente y la víctima. El acoplamiento eléctrico o acoplamiento capacitivo ocurre cuando existe un campo eléctrico variable entre dos conductores adyacentes, lo que induce un cambio de voltaje a través del espacio entre ellos, mientras que un acoplamiento magnético o acoplamiento inductivo ocurre cuando existe un campo magnético variable entre dos conductores paralelos, lo que induce un cambio. en voltaje a lo largo del conductor receptor.

En resumen, mientras que la principal fuente de EMI en SMPS es la acción de conmutación de alta frecuencia junto con los transitorios rápidos di / dt o dv / dt resultantes, los habilitadores que facilitan la propagación / propagación de la EMI generada a las víctimas potenciales en la misma placa (o sistemas externos) son factores que resultan de una mala selección de componentes, un diseño deficiente y la existencia de inductancia / capacitancia parásita en las rutas de corriente.

Técnicas de diseño para reducir la EMI en SMPS

Antes de pasar por esta sección, puede ser gratificante echar un vistazo a los estándares y regulaciones sobre EMI / EMC para recordar cuáles son los objetivos de diseño. Aunque los estándares varían entre países / regiones, los dos más aceptados, que gracias a la armonización, son aceptables para la certificación en la mayoría de las regiones incluyen; las regulaciones de control de EMI de la FCC y el CISPR 22 (tercera edición del Comité Internacional Especial sobre Interferencias de Radio (CISPR), Pub. 22). Los detalles intrincados de estos dos estándares se resumieron en el artículo estándar de EMI que discutimos anteriormente.

Pasar los procesos de certificación de EMC o simplemente asegurarse de que sus dispositivos funcionen bien cuando hay otros dispositivos requiere que mantenga sus niveles de emisión por debajo de los valores descritos en los estándares.

Existen bastantes enfoques de diseño para mitigar la EMI en SMPS y trataremos de cubrirlos uno tras otro.

1. Ir lineal

Honestamente hablando, si su aplicación se lo puede permitir (el volumen y la naturaleza ineficiente), puede ahorrarse una gran cantidad de estrés EMI relacionado con la fuente de alimentación utilizando una fuente de alimentación lineal. No generan una interferencia electromagnética significativa y su desarrollo no costará tanto tiempo ni dinero. Por su eficiencia, incluso si no está a la par con SMPS, aún puede obtener niveles de eficiencia razonables utilizando reguladores lineales LDO.

2. Utilice módulos de alimentación

Seguir las mejores prácticas para obtener un buen rendimiento de EMI puede no ser lo suficientemente bueno en ocasiones. En aquellas situaciones en las que parece que no puede encontrar el tiempo u otros recursos para sintonizar y obtener los mejores resultados de EMI, un enfoque que generalmente funciona es cambiar a módulos de energía.

Los módulos de potencia no son perfectos, pero una cosa que hacen bien asegura que no caiga en las trampas de los culpables habituales de EMI, como un mal diseño de diseño e inductancia / capacitancia parásita. Algunos de los mejores módulos de potencia del mercado ya dan cuenta de la necesidad de superar las EMI y están diseñados para hacer posible el desarrollo de fuentes de alimentación rápidas y sencillas, con un buen rendimiento de EMI. Fabricantes como Murata, Recom, Mornsun, etc. tienen una amplia gama de módulos SMPS que ya se encargan de los problemas de EMI y EMC por nosotros.

Por ejemplo, generalmente tienen la mayoría de los componentes, como inductores, conectados internamente dentro del paquete, por lo que existe un área de bucle muy pequeña dentro del módulo y se reduce la EMI radiada. Algunos módulos llegan tan lejos como para blindar los inductores y el nodo del interruptor para evitar EMI radiada de la bobina.

3. Blindaje

Un mecanismo de fuerza bruta para reducir la EMI está protegiendo el SMPS con metal. Esto se logra mediante la colocación de fuentes generadoras de ruido en la fuente de alimentación, dentro de una carcasa conductora (metálica) con conexión a tierra, con la única interfaz a los circuitos externos mediante filtros en línea.

Sin embargo, el blindaje agrega costos adicionales en materiales y tamaño de PCB al proyecto, por lo que puede ser una mala idea para proyectos con objetivos de bajo costo.

4. Optimización del diseño

El diseño del diseño se considera uno de los principales problemas que facilitan la propagación de EMI a través del circuito. Por eso, una de las técnicas generales para reducir la EMI en SMPS es la optimización de diseño. A veces es un término bastante ambiguo, ya que podría significar diferentes cosas que van desde la erradicación de componentes parásitos hasta la separación de nodos ruidosos de nodos sensibles al ruido y la reducción de áreas de bucle de corriente, etc.

Algunos consejos de optimización de diseño para diseños SMPS incluyen;

Proteja los nodos sensibles al ruido de los nodos ruidosos

Esto se puede hacer colocándolos lo más lejos posible entre sí para evitar el acoplamiento electromagnético entre ellos. En la siguiente tabla se proporcionan algunos ejemplos de nodos ruidosos y sensibles al ruido;

Nodos ruidosos	Nodos sensibles al ruido
Inductores	Senderos de detección
Cambiar nodos	Redes de compensación
Condensadores de alta dI / dt	Pin de comentarios
FET	Circuitos de control

Mantenga los rastros de los nodos sensibles al ruido cortos

Las trazas de cobre en la PCB actúan como antenas para EMI radiadas, como tal, una de las mejores formas de evitar que las trazas conectadas directamente a los nodos sensibles al ruido adquieran EMI radiadas es manteniéndolas lo más cortas posible moviendo los componentes a los que están para estar conectado, lo más cerca posible. Por ejemplo, un rastro largo de una red divisoria de resistencias que se alimenta a un pin de retroalimentación (FB) puede actuar como una antena y captar EMI radiada a su alrededor. El ruido que se envía al pin Feedback introducirá ruido adicional en la salida del sistema, lo que hará que el rendimiento del dispositivo sea inestable.

Reducir el área de bucle crítico (antena)

Las pistas / cables que transportan una forma de onda de conmutación deben estar lo más cerca posible entre sí.

La EMI radiada es directamente proporcional a la magnitud de la corriente (I) y el área del bucle (A) a través del cual fluye, como tal, al reducir el área de la corriente / voltaje, podemos reducir el nivel de EMI radiada. Una buena forma de hacer esto para las líneas eléctricas es colocar la línea eléctrica y la ruta de retorno una sobre la otra en las capas adyacentes de la PCB.

Minimizar la inductancia parásita

La impedancia de un bucle de cable (que contribuye a la EMI radiada como su proporcional al área) se puede reducir aumentando el tamaño de las pistas (línea eléctrica) en el PCB y enrutarlo en paralelo a su ruta de retorno para reducir la inductancia de las pistas.

Toma de tierra

Un plano de tierra ininterrumpido ubicado en las superficies exteriores de la PCB proporciona la ruta de retorno más corta para EMI, especialmente cuando está ubicado directamente debajo de la fuente EMI donde suprime significativamente la EMI radiada. Sin embargo, los planos de tierra podrían ser un problema si permite un corte a través de ellos por otros rastros. El corte podría aumentar el área efectiva del bucle y generar niveles de EMI significativos, ya que la corriente de retorno tiene que encontrar una ruta más larga para rodear el corte y regresar a la fuente actual.

Filtros

Los filtros EMI son imprescindibles para las fuentes de alimentación, especialmente para mitigar las EMI conducidas. Suelen estar ubicados en la entrada y / o salida de la fuente de alimentación. En la entrada, ayudan a filtrar el ruido de la red y en la salida, evita que el ruido de la fuente afecte al resto del circuito.

En el diseño de filtros EMI para mitigar las EMI conducidas, generalmente es importante tratar la emisión conducida en modo común por separado de la emisión en modo diferencial, ya que los parámetros del filtro para abordarlos serán diferentes.

Para el filtrado EMI conducido en modo diferencial, los filtros de entrada generalmente se componen de condensadores electrolíticos y cerámicos, combinados, para atenuar eficientemente la corriente de modo diferencial en la frecuencia de conmutación fundamental más baja y también en frecuencias armónicas más altas. En situaciones donde se requiere mayor supresión, se agrega un inductor en serie con la entrada para formar un filtro de paso bajo LC de una etapa.

Para el filtrado EMI conducido en modo común, el filtrado se puede lograr de manera efectiva conectando condensadores de derivación entre las líneas eléctricas (tanto de entrada como de salida) y tierra. En situaciones donde se requiere mayor atenuación, se pueden agregar inductores de choque acoplados en serie con las líneas eléctricas.

Generalmente, los diseños de filtros deben considerar los peores escenarios al seleccionar los componentes. Por ejemplo, la EMI de modo común será máxima con voltaje de entrada alto, mientras que la EMI de modo diferencial será máxima con voltaje bajo y corriente de carga alta.

Conclusión

Tener en cuenta todos los puntos mencionados anteriormente al diseñar fuentes de alimentación conmutadas suele ser un desafío, es efectivamente una de las razones por las que la mitigación de EMI se conoce como un "arte oscuro", pero a medida que te acostumbras, se convierten en una segunda naturaleza..

Gracias a IoT y a los diferentes avances tecnológicos, la compatibilidad electromagnética y la capacidad general de cada dispositivo para funcionar correctamente en condiciones normales de funcionamiento, sin afectar negativamente el funcionamiento de otros dispositivos en su proximidad, es incluso más importante que antes. Los dispositivos no deben ser susceptibles a las interferencias electromagnéticas de fuentes cercanas intencionales o no intencionales y, al mismo tiempo, no deben irradiar (intencional o involuntariamente) interferencias a niveles que puedan provocar el mal funcionamiento de otros dispositivos.

Por razones relacionadas con los costos, es importante considerar la compatibilidad electromagnética en la etapa inicial del diseño de SMPS. También es importante considerar cómo la conexión de la fuente de alimentación al dispositivo principal afecta la dinámica de EMI en ambos dispositivos, ya que en la mayoría de los casos, especialmente para SMPS embebidos, la fuente de alimentación se certificará junto con el dispositivo como una unidad y cualquier falla en cualquiera podría conducir al fracaso.