Técnicas de projeto para reduzir emi em circuitos smps

Em meu artigo anterior sobre EMI, examinamos como a natureza intencional / não intencional das fontes de EMI e como elas afetam o desempenho de outros dispositivos elétricos / eletrônicos (vítimas) ao seu redor. O artigo foi seguido por outro sobre Compatibilidade Eletromagnética (EMC), que forneceu insights sobre os perigos da EMI e ofereceu algum contexto de como a consideração de EMI pobre pode afetar negativamente o desempenho de mercado de um produto, seja devido a restrições de regulamentação ou falhas de funcionalidade.

Ambos os artigos contêm dicas gerais para minimizar a EMI (saída ou entrada) no design, mas nos próximos artigos faremos um mergulho mais profundo e examinaremos como minimizar a EMI em certas unidades funcionais de seu produto eletrônico. Começaremos com a minimização de EMI em unidades de fonte de alimentação com um foco específico em fontes de alimentação comutadas.

Fonte de alimentação comutada é um termo genérico para fontes de alimentação AC-DC ou DC-DC que usam circuitos com ações de comutação rápida para transformação / conversão de tensão (buck ou boost). Eles são caracterizados por alta eficiência, fator de forma pequeno e baixo consumo de energia, o que os tornou a fonte de alimentação de escolha para novos equipamentos / produtos eletrônicos, embora sejam significativamente mais complexos e difíceis de projetar em comparação com usados ​​para- ser populares fontes de alimentação linear. No entanto, além da complexidade de seus projetos, o SMPS apresenta uma ameaça significativa à geração de EMI devido às frequências de comutação rápida que emprega, para atingir a alta eficiência pela qual são conhecidos.

Com mais dispositivos (potenciais vítimas / fontes de EMI) sendo desenvolvidos todos os dias, superar a EMI está se tornando um grande desafio para engenheiros e alcançar a compatibilidade eletromagnética (EMC) está se tornando tão importante quanto fazer o dispositivo funcionar corretamente.

Para o artigo de hoje, veremos a natureza e as fontes de EMI no SMPS e examinaremos algumas técnicas / abordagens de design que podem ser usadas para atenuá-las.

Fontes de EMI em SMPS

Resolver qualquer problema de EMI geralmente requer uma compreensão da fonte de interferência, o caminho de acoplamento para outros circuitos (vítimas) e a natureza da vítima cujo desempenho é afetado negativamente. Durante o desenvolvimento do produto, geralmente é quase impossível determinar o impacto da EMI em vítimas potenciais, como tal, os esforços de controle de EMI geralmente se concentram em minimizar as fontes de emissão (ou reduzir a susceptibilidade) e eliminar / reduzir os caminhos de acoplamento.

A principal fonte de EMI em fontes de alimentação SMPS pode ser rastreada por sua natureza inerente de design e características de comutação. Tanto durante o processo de conversão de AC-DC ou DC-DC, os componentes de comutação MOSFET em SMPS, ligando ou desligando em altas frequências, criam uma onda senoidal falsa (onda quadrada), que pode ser descrita por uma série de Fourier como a somatório de muitas ondas senoidais com frequências harmonicamente relacionadas. Este espectro completo de harmônicos de Fourier, resultante da ação de comutação, torna-se o EMI que é transmitido, da fonte de alimentação para outros circuitos no dispositivo e para dispositivos eletrônicos próximos que são suscetíveis a essas frequências.

Além do ruído de comutação, outra fonte de EMI no SMPS são as transições de corrente rápida (dI / dt) e de tensão (dV / dt) (que também estão relacionadas à comutação). De acordo com a equação de maxwell, essas correntes e tensões alternadas produzirão um campo eletromagnético alternado e, embora a magnitude do campo diminua com a distância, ele interage com partes condutoras (como traços de cobre no PCB) que agem como antenas e causam ruído adicional nas linhas, levando a EMI.

Agora, a EMI na fonte não é tão perigosa (às vezes) até que seja acoplada a circuitos ou dispositivos vizinhos (vítimas), como tal, ao eliminar / minimizar os caminhos de acoplamento potenciais, a EMI geralmente pode ser reduzida. Conforme discutido no artigo “Introdução à EMI”, o acoplamento EMI geralmente ocorre através de; condução (via caminhos indesejados / reaproveitados ou os chamados "circuitos furtivos"), indução (acoplamento por elementos indutivos ou capacitivos como transformadores) e radiação (pelo ar).

Ao compreender esses caminhos de acoplamento e como eles afetam a EMI em fontes de alimentação comutadas, os projetistas podem criar seus sistemas de forma que a influência do caminho de acoplamento seja minimizada e a propagação da interferência seja reduzida.

Diferentes tipos de mecanismos de acoplamento EMI

Examinaremos cada um dos mecanismos de acoplamento relacionados ao SMPS e estabeleceremos os elementos dos designs do SMPS que dão origem à sua existência.

EMI irradiado em SMPS:

O acoplamento radiado ocorre quando a fonte e o receptor (vítima) atuam como antenas de rádio. A fonte irradia uma onda eletromagnética que se propaga pelo espaço aberto entre a fonte e a vítima. No SMPS, a propagação de EMI irradiada está geralmente associada a correntes comutadas com alto di / dt, potencializado pela existência de loops com tempos de subida de corrente rápidos devido ao layout de projeto pobre e práticas de fiação que dão origem à indutância de vazamento.

Considere o circuito abaixo;

A rápida mudança de corrente no circuito dá origem a uma voltagem ruidosa (Vnoise) além da saída de voltagem normal (Vmeas). O mecanismo de acoplamento é semelhante ao funcionamento dos transformadores, de forma que o Vnoise é dado pela equação;

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

Onde M / K é o fator de acoplamento que depende da distância, área e orientação dos loops magnéticos e da absorção magnética entre os loops em questão - assim como em um transformador. Assim, em layouts de projeto / PCB com consideração de orientação de loop pobre e grande área de loop de corrente, tende a haver um nível mais alto de EMI irradiado.

EMI conduzido em SMPS:

O Acoplamento de Condução ocorre quando as emissões EMI são passadas ao longo de condutores (fios, cabos, invólucros e traços de cobre em PCBs) conectando a fonte de EMI e o receptor juntos. EMI acoplado desta maneira é comum nas linhas de fonte de alimentação e geralmente pesado no componente de campo H.

O Acoplamento de Condução no SMPS é a condução do Modo Comum (a interferência aparece em fase na linha + ve e GND) ou no Modo Diferencial (a interferência aparece fora de fase em dois condutores).

Emissões conduzidas de modo comum geralmente são causadas por capacitâncias parasitas, como aquelas do dissipador de calor e do transformador, juntamente com o layout da placa, e comutação da forma de onda da tensão no switch.

Já as emissões conduzidas no modo diferencial são o resultado da ação de chaveamento que causa pulsos de corrente na entrada e cria picos de chaveamento que levam à existência de ruído diferencial.

EMI indutivo em SMPS:

O acoplamento indutivo ocorre quando há uma indução EMI elétrica (devido a um acoplado capacitivamente) ou magnética (devido a um acoplado indutivamente) entre a fonte e a vítima. O acoplamento elétrico ou acoplamento capacitivo ocorre quando um campo elétrico variável existe entre dois condutores adjacentes, induzindo uma mudança na voltagem através da lacuna entre eles, enquanto um acoplamento magnético ou acoplamento indutivo ocorre quando um campo magnético variável existe entre dois condutores paralelos, induzindo uma mudança em tensão ao longo do condutor receptor.

Em resumo, enquanto a principal fonte de EMI no SMPS é a ação de comutação de alta frequência junto com os transientes di / dt ou dv / dt rápidos resultantes, os habilitadores que facilitam a propagação / disseminação do EMI gerado para vítimas potenciais na mesma placa (ou sistemas externos) são fatores que resultam de seleção inadequada de componentes, layout de projeto ruim e existência de indutância / capacitância parasita nos caminhos de corrente.

Técnicas de projeto para reduzir EMI em SMPS

Antes de passar por esta seção, pode ser gratificante dar uma olhada nos padrões e regulamentações em torno de EMI / EMC para obter um lembrete de quais são os objetivos do projeto. Embora os padrões variem entre países / regiões, os dois mais amplamente aceitos, que graças à harmonização, são aceitáveis ​​para certificação na maioria das regiões incluem; os regulamentos de controle de EMI da FCC e o CISPR 22 (Terceira edição do Comitê Especial Internacional sobre Interferência de Rádio (CISPR), Pub. 22). Os detalhes intrincados desses dois padrões foram resumidos no artigo padrão da EMI que discutimos anteriormente.

Passar nos processos de certificação da EMC ou apenas garantir que seus dispositivos funcionem bem quando estiver próximo a outros dispositivos exige que você mantenha seus níveis de emissão abaixo dos valores descritos nos padrões.

Existe um grande número de abordagens de design para mitigar EMI em SMPS e vamos tentar cobri-los um após o outro.

1. Vá Linear

Falando honestamente, se sua aplicação puder pagar (o volume e a natureza ineficiente), você pode economizar muito estresse EMI relacionado à fonte de alimentação usando uma fonte de alimentação linear. Eles não geram EMI significativo e não custarão tanto tempo e dinheiro para serem desenvolvidos. Por sua eficiência, mesmo que não esteja no mesmo nível do SMPS, você ainda pode obter níveis de eficiência razoáveis ​​usando reguladores lineares LDO.

2. Use módulos de energia

Seguir as práticas recomendadas para obter um bom desempenho de EMI pode não ser bom o suficiente às vezes. Nas situações em que você não consegue encontrar tempo ou outros recursos para ajustar e obter os melhores resultados de EMI, uma abordagem que geralmente funciona é mudar para módulos de energia.

Módulos de energia não são perfeitos, mas uma coisa que eles fazem bem garante que você não caia nas armadilhas dos culpados de EMI usuais, como layout de projeto ruim e indutância / capacitância parasita. Alguns dos melhores módulos de potência do mercado já respondem pela necessidade de superar a EMI e são projetados para possibilitar o desenvolvimento de fontes de alimentação fáceis e rápidas, com bom desempenho de EMI. Fabricantes como Murata, Recom, Mornsun, etc. têm uma ampla gama de Módulos SMPS que já cuidam dos problemas de EMI e EMC para nós.

Por exemplo, eles geralmente têm a maioria dos componentes como indutores, conectados internamente dentro do pacote, como tal, existe uma área de loop muito pequena dentro do módulo e a EMI irradiada é reduzida. Alguns módulos chegam a proteger os indutores e o nó de comutação para evitar EMI irradiado da bobina.

3. Blindagem

Um mecanismo de força bruta para reduzir EMI está protegendo o SMPS com metal. Isto é conseguido através da colocação de fontes geradoras de ruído na fonte de alimentação, dentro de uma caixa condutiva (metal) aterrada, com a única interface para circuitos externos sendo via filtros em linha.

No entanto, a blindagem adiciona custo adicional em materiais e tamanho de PCB ao projeto, como tal, pode ser uma má ideia para projetos com objetivos de baixo custo.

4. Otimização de layout

O layout do projeto é considerado um dos principais problemas que facilitam a propagação de EMI pelo circuito. É por isso que uma das técnicas gerais e amplas para reduzir EMI em SMPS é a Otimização de Layout. Às vezes, é um termo bastante ambíguo, pois pode significar coisas diferentes, desde a erradicação de componentes parasitas à separação de nós ruidosos de nós sensíveis a ruído e a redução de áreas de loop de corrente, etc.

Algumas dicas de otimização de layout para designs SMPS incluem;

Proteja nós sensíveis a ruído de nós ruidosos

Isso pode ser feito posicionando-os o mais longe possível um do outro para evitar o acoplamento eletromagnético entre eles. Alguns exemplos de nós sensíveis ao ruído e ruidosos são fornecidos na tabela abaixo;

Nodos barulhentos	Nós Sensíveis a Ruído
Indutores	Caminhos de detecção
Nós de troca	Redes de compensação
Capacitores dI / dt altos	PIN de feedback
FETs	Circuitos de Controle

Mantenha rastros para nós sensíveis ao ruído curtos

Traços de cobre no PCB agem como antenas para EMI irradiada, como tal, uma das melhores maneiras de evitar que os traços diretamente conectados a nós sensíveis ao ruído adquiram EMI irradiado é mantê-los o mais curtos possível, movendo os componentes aos quais estão para ser conectado, o mais próximo possível. Por exemplo, um longo traço de uma rede divisora ​​de resistor que alimenta um pino de feedback (FB) pode atuar como uma antena e captar EMI irradiado em torno dele. O ruído que está sendo alimentado para o pino de feedback introduzirá ruído adicional na saída do sistema, tornando o desempenho do dispositivo instável.

Reduz a área crítica (antena) de loop

Traços / fios que carregam a forma de onda de comutação devem estar o mais próximos possível um do outro.

A EMI irradiada é diretamente proporcional à magnitude da corrente (I) e à área do loop (A) através da qual ela flui, como tal, ao reduzir a área da corrente / tensão, podemos reduzir o nível de EMI irradiada. Uma boa maneira de fazer isso para linhas de força é posicionar a linha de força e o caminho de retorno um sobre o outro nas camadas adjacentes do PCB.

Minimize a indutância de dispersão

A impedância de um loop de fio (que contribui para a EMI irradiada como é proporcional à área) pode ser reduzida aumentando o tamanho das trilhas (linha de força) no PCB e encaminhando-o paralelo ao seu caminho de retorno para reduzir a indutância das trilhas.

Aterramento

Um plano de aterramento ininterrupto localizado nas superfícies externas do PCB fornece o caminho de retorno mais curto para EMI, especialmente quando está localizado diretamente abaixo da Fonte EMI, onde suprime significativamente a EMI irradiada. Os planos terrestres podem, no entanto, ser um problema se você permitir um corte através deles por outros traços. O corte pode aumentar a área efetiva do loop e levar a níveis significativos de EMI, pois a corrente de retorno precisa encontrar um caminho mais longo para contornar o corte, para retornar à fonte de corrente.

Filtros

Filtros EMI são essenciais para fontes de alimentação, especialmente para atenuar EMI conduzida. Eles geralmente estão localizados na entrada e / ou saída da fonte de alimentação. Na entrada, eles ajudam a filtrar o ruído da rede elétrica e, na saída, evita que o ruído da fonte afete o resto do circuito.

No projeto de filtros EMI para mitigar EMI conduzida, geralmente é importante tratar a emissão conduzida de modo comum separadamente da emissão de modo diferencial, pois os parâmetros do filtro para tratá-los serão diferentes.

Para a filtragem EMI conduzida no modo diferencial, os filtros de entrada são geralmente compostos de capacitores eletrolíticos e cerâmicos, combinados, para atenuar com eficiência a corrente do modo diferencial na frequência de chaveamento fundamental mais baixa e também nas frequências harmônicas mais altas. Em situações onde mais supressão é necessária, um indutor é adicionado em série com a entrada para formar um filtro passa-baixo LC de estágio único.

Para o modo comum de filtragem EMI conduzida, a filtragem pode ser efetivamente alcançada conectando capacitores de desvio entre as linhas de energia (tanto de entrada quanto de saída) e o aterramento. Em situações em que mais atenuação é necessária, indutores de choke acoplados podem ser adicionados em série com as linhas de energia.

Geralmente, os projetos de filtro devem considerar os piores cenários ao selecionar os componentes. Por exemplo, EMI de modo comum será máximo com alta tensão de entrada, enquanto EMI de modo diferencial será máximo com baixa tensão e alta corrente de carga.

Conclusão

Levar todos os pontos mencionados acima em consideração ao projetar fontes de alimentação chaveadas é geralmente um desafio, é efetivamente uma das razões pelas quais a mitigação de EMI é referida como uma "arte negra", mas à medida que você se acostuma com isso, eles se tornam uma segunda natureza.

Graças à IoT e aos diferentes avanços na tecnologia, a compatibilidade eletromagnética e a capacidade geral de cada dispositivo de funcionar adequadamente em condições normais de operação, sem afetar negativamente a operação de outros dispositivos próximos, é ainda mais importante do que antes. Os dispositivos não devem ser suscetíveis a EMI de fontes intencionais ou não intencionais próximas e, ao mesmo tempo, não devem irradiar (intencionalmente ou não) interferência em níveis que possam levar ao mau funcionamento de outros dispositivos.

Por motivos de custo, é importante considerar a EMC no estágio inicial do projeto SMPS. Também é importante considerar como conectar a fonte de alimentação ao dispositivo principal afeta a dinâmica de EMI em ambos os dispositivos, pois na maioria dos casos, especialmente para SMPS embutidos, a fonte de alimentação será certificada junto com o dispositivo como uma unidade e quaisquer falhas em ambos podem levar ao fracasso.