- Sumber EMI di SMP
- Berbagai Jenis Mekanisme Kopling EMI
- Teknik Desain untuk Mengurangi EMI di SMP
- 1. Lakukan Linear
- 2. Gunakan Modul Daya
- 3. Pelindung
- 4. Optimasi Tata Letak
- Kesimpulan
Dalam artikel saya sebelumnya tentang EMI, kami memeriksa bagaimana sifat sumber EMI yang disengaja / tidak disengaja dan bagaimana pengaruhnya terhadap kinerja perangkat Listrik / Elektronik lain (korban) di sekitarnya. Artikel tersebut diikuti oleh artikel lain tentang Kompatibilitas Elektro Magnetik (EMC) yang memberikan wawasan tentang bahaya EMI dan menawarkan beberapa konteks tentang bagaimana pertimbangan EMI yang buruk dapat berdampak negatif terhadap kinerja pasar suatu produk, baik karena larangan regulasi atau kegagalan fungsionalitas.
Kedua artikel berisi tip umum untuk meminimalkan EMI (Outgoing atau Incoming) dalam desain, tetapi pada beberapa artikel berikutnya, kita akan menyelami lebih dalam dan memeriksa bagaimana meminimalkan EMI di unit fungsional tertentu dari produk elektronik Anda. Kami akan memulai dengan meminimalkan EMI dalam unit catu daya dengan fokus khusus pada Catu Daya Mode Sakelar.
Switch Mode Power supply adalah istilah umum untuk sumber daya AC-DC atau DC-DC yang menggunakan rangkaian dengan tindakan switching cepat untuk transformasi / Konversi tegangan (buck atau boost). Mereka dicirikan oleh efisiensi tinggi, faktor bentuk kecil, dan konsumsi daya rendah, yang menjadikannya catu daya pilihan untuk peralatan / produk elektronik baru, meskipun secara signifikan lebih kompleks dan sulit untuk dirancang dibandingkan dengan yang digunakan menjadi-populer Linear Power Supplies. Namun, di luar kompleksitas desain mereka, SMPS menghadirkan ancaman generasi EMI yang signifikan karena frekuensi peralihan cepat yang mereka gunakan, untuk mencapai efisiensi tinggi yang mereka ketahui.
Dengan lebih banyak perangkat (calon korban / sumber EMI) yang dikembangkan setiap hari, mengatasi EMI menjadi tantangan besar bagi para insinyur dan mencapai kompatibilitas elektromagnetik (EMC) menjadi sama pentingnya dengan membuat perangkat berfungsi dengan benar.
Untuk artikel hari ini, kita akan melihat sifat dan sumber EMI di SMP, dan memeriksa beberapa teknik / pendekatan desain yang dapat digunakan untuk menguranginya.
Sumber EMI di SMP
Memecahkan masalah EMI umumnya memerlukan pemahaman tentang sumber gangguan, jalur kopling ke sirkuit lain (korban), dan sifat korban yang kinerjanya terpengaruh secara negatif. Selama pengembangan produk, biasanya hampir tidak mungkin untuk menentukan dampak EMI pada calon korban, karena itu, upaya pengendalian EMI biasanya difokuskan pada meminimalkan sumber emisi (atau mengurangi kerentanan), dan menghilangkan / mengurangi jalur kopling.
Sumber utama EMI dalam catu daya SMP dapat ditelusuri ke sifat desain yang melekat dan karakteristik switching. Baik selama proses konversi dari AC-DC atau DC-DC, komponen switching MOSFET di SMP, dihidupkan atau dimatikan pada frekuensi tinggi, menciptakan gelombang sinus palsu (gelombang persegi), yang dapat dijelaskan oleh seri Fourier sebagai penjumlahan banyak gelombang sinus dengan frekuensi yang berhubungan secara harmonis. Spektrum harmonik Fourier penuh ini, yang dihasilkan dari aksi switching menjadi EMI yang ditransmisikan, dari catu daya ke sirkuit lain di perangkat, dan ke perangkat elektronik terdekat yang rentan terhadap frekuensi ini.
Selain noise dari Switching, sumber lain dari EMI di SMP adalah transisi arus cepat (dI / dt) dan tegangan (dV / dt) (yang juga terkait dengan switching). Menurut persamaan maxwell, arus dan tegangan bolak-balik ini akan menghasilkan medan elektromagnetik bolak-balik, dan sementara besarnya medan berkurang dengan jarak, ia berinteraksi dengan bagian konduksi (seperti jejak tembaga pada PCB) yang bertindak seperti antena dan menyebabkan kebisingan tambahan pada saluran., mengarah ke EMI.
Sekarang, EMI pada sumbernya tidak begitu berbahaya (kadang-kadang) sampai digabungkan ke sirkuit atau perangkat tetangga (korban), dengan demikian, dengan menghilangkan / meminimalkan jalur kopling potensial, EMI umumnya dapat dikurangi. Sebagaimana dibahas dalam artikel "Pengantar EMI", kopling EMI umumnya terjadi melalui; konduksi (melalui jalur yang tidak diinginkan / digunakan ulang atau disebut “sirkuit diam-diam”), induksi (digabungkan dengan elemen induktif atau kapasitif seperti transformator), dan radiasi (over-the-air).
Dengan memahami jalur penggandengan ini dan bagaimana pengaruhnya terhadap EMI dalam catu daya mode sakelar, perancang dapat membuat sistem mereka sedemikian rupa sehingga pengaruh jalur penggandengan diminimalkan dan penyebaran gangguan berkurang.
Berbagai Jenis Mekanisme Kopling EMI
Kami akan membahas masing-masing mekanisme kopling yang terkait dengan SMP dan menetapkan elemen desain SMPS yang memunculkan keberadaannya.
EMI terpancar di SMP:
Kopling radiasi terjadi ketika sumber dan reseptor (korban) bertindak sebagai antena radio. Sumber memancarkan gelombang elektromagnetik yang merambat melintasi ruang terbuka antara sumber dan korban. Dalam SMPS Radiated EMI, propagasi biasanya dikaitkan dengan arus sakelar dengan di / dt tinggi, didorong oleh adanya loop dengan waktu naik arus cepat karena tata letak desain yang buruk, dan praktik perkabelan yang menimbulkan induktansi kebocoran.
Perhatikan rangkaian di bawah ini;
Perubahan arus yang cepat dalam rangkaian menimbulkan tegangan berisik (Vnoise) selain keluaran tegangan normal (Vmeas). Mekanisme kopling mirip dengan operasi transformator sehingga Vnoise diberikan oleh persamaan;
V kebisingan = R M / (R S + R M) * M * di / dt
Dimana M / K adalah faktor kopling yang bergantung pada jarak, luas, dan orientasi dari loop magnet, dan absorpsi magnet antara loop tersebut - seperti pada transformator. Jadi, dalam desain / layout PCB dengan pertimbangan orientasi loop yang buruk, dan area loop arus yang besar, cenderung ada tingkat EMI radiasi yang lebih tinggi.
Melakukan EMI di SMP:
Kopling Konduksi terjadi ketika emisi EMI dilewatkan di sepanjang konduktor (kabel, kabel, penutup, dan jejak tembaga pada PCB) yang menghubungkan sumber EMI dan penerima bersama-sama. EMI yang digabungkan dengan cara ini biasa terjadi pada jalur catu daya dan biasanya berat pada komponen medan-H.
Kopling Konduksi di SMP adalah mode Konduksi Umum (interferensi muncul dalam fase pada jalur + ve dan GND) atau Mode Diferensial (interferensi muncul di luar fase pada dua konduktor).
Emisi konduksi mode umum biasanya disebabkan oleh kapasitansi parasit seperti heatsink dan transformator bersama dengan tata letak papan, dan bentuk gelombang tegangan switching di seluruh sakelar.
Di sisi lain, emisi konduksi mode diferensial adalah hasil dari aksi switching yang menyebabkan pulsa arus pada input dan menciptakan lonjakan switching yang mengarah pada adanya noise diferensial.
EMI Induktif di SMP:
Kopling induktif terjadi ketika ada induksi EMI listrik (karena kopling kapasitif) atau magnet (karena kopling induktif) antara sumber dan korban. Kopling listrik atau kopling kapasitif terjadi ketika medan listrik yang bervariasi ada di antara dua konduktor yang berdekatan, menyebabkan perubahan tegangan melintasi celah di antara mereka, sementara kopling magnetik atau kopling induktif terjadi ketika medan magnet yang bervariasi ada di antara dua konduktor paralel, menyebabkan perubahan. tegangan di sepanjang konduktor penerima.
Singkatnya, sementara sumber utama EMI di SMP adalah aksi peralihan frekuensi tinggi bersama dengan transien di / dt atau dv / dt yang dihasilkan, enabler yang memfasilitasi penyebaran / penyebaran EMI yang dihasilkan ke calon korban di papan yang sama (atau sistem eksternal) adalah faktor-faktor yang dihasilkan dari pemilihan komponen yang buruk, tata letak desain yang buruk, dan adanya induktansi / kapasitansi yang menyimpang di jalur arus.
Teknik Desain untuk Mengurangi EMI di SMP
Sebelum melalui bagian ini, mungkin bermanfaat untuk melihat standar dan peraturan seputar EMI / EMC untuk mendapatkan pengingat tentang apa target desainnya. Meskipun standar bervariasi antar negara / kawasan, dua yang paling diterima secara luas, berkat harmonisasi, dapat diterima untuk sertifikasi di sebagian besar kawasan meliputi; peraturan Pengendalian FCC EMI dan CISPR 22 (Edisi Ketiga dari Komite Khusus Internasional untuk Interferensi Radio (CISPR), Pub. 22). Detail rumit dari kedua standar ini dirangkum dalam artikel standar EMI yang telah kita bahas sebelumnya.
Lulus proses sertifikasi EMC atau hanya memastikan perangkat Anda berfungsi dengan baik saat berada di sekitar perangkat lain mengharuskan Anda menjaga tingkat emisi di bawah nilai yang dijelaskan dalam standar.
Ada cukup banyak pendekatan desain untuk mengurangi EMI di SMP dan kami akan mencoba membahasnya satu per satu.
1. Lakukan Linear
Jujur saja, jika aplikasi Anda mampu membelinya (sifat bulkiness dan tidak efisien), Anda dapat menghemat banyak stres EMI terkait Power supply dengan menggunakan Power Supply linier. Mereka tidak menghasilkan EMI yang signifikan dan tidak akan menghabiskan banyak waktu dan uang untuk mengembangkannya. Untuk efisiensinya, meskipun mungkin tidak setara dengan SMPS, Anda masih bisa mendapatkan tingkat efisiensi yang wajar dengan menggunakan regulator linier LDO.
2. Gunakan Modul Daya
Mengikuti praktik terbaik untuk mendapatkan kinerja EMI yang baik terkadang tidak cukup baik. Dalam situasi di mana Anda tidak bisa menemukan waktu atau sumber daya lain untuk menyesuaikan dan mendapatkan hasil EMI terbaik, satu pendekatan yang biasanya berhasil adalah beralih ke modul Power.
Modul daya tidak sempurna, tetapi satu hal yang mereka lakukan dengan baik memastikan Anda tidak jatuh ke dalam perangkap penyebab EMI biasa seperti tata letak desain yang buruk dan induktansi / kapasitansi parasit. Beberapa modul daya terbaik di pasar sudah memperhitungkan kebutuhan untuk mengatasi EMI dan dirancang untuk memungkinkan pengembangan catu daya yang cepat dan mudah, dengan kinerja EMI yang baik. Pabrikan seperti Murata, Recom, Mornsun, dll. Memiliki berbagai Modul SMPS yang sudah menangani masalah EMI dan EMC untuk kami.
Misalnya, mereka biasanya memiliki sebagian besar komponen seperti induktor, terhubung secara internal di dalam paket, dengan demikian, area loop yang sangat kecil ada di dalam modul dan EMI yang dipancarkan berkurang. Beberapa modul bertindak sejauh melindungi induktor dan node sakelar untuk mencegah Radiasi EMI dari Coil.
3. Pelindung
Mekanisme brute force untuk mengurangi EMI melindungi SMP dengan logam. Ini dicapai melalui penempatan sumber penghasil kebisingan di catu daya, di dalam rumah konduktif (logam) yang diarde, dengan satu-satunya antarmuka ke sirkuit eksternal melalui filter in-line.
Namun, perisai menambah biaya tambahan dalam bahan, dan ukuran PCB untuk proyek, oleh karena itu, mungkin ide yang buruk untuk proyek dengan tujuan berbiaya rendah.
4. Optimasi Tata Letak
Tata letak desain dianggap sebagai salah satu masalah utama yang memfasilitasi penyebaran EMI di seluruh sirkuit. Inilah sebabnya, salah satu teknik umum yang luas untuk mengurangi EMI di SMPS adalah Pengoptimalan Tata Letak. Kadang-kadang istilah yang agak ambigu karena dapat berarti hal-hal yang berbeda mulai dari pemberantasan komponen parasit hingga pemisahan node yang berisik dari node yang peka terhadap kebisingan, dan pengurangan area loop saat ini, dll.
Beberapa tip pengoptimalan tata letak untuk desain SMP meliputi;
Lindungi node yang sensitif terhadap noise dari node Noisy
Ini dapat dilakukan dengan memposisikannya sejauh mungkin satu sama lain untuk mencegah kopling elektromagnetik di antara keduanya. Beberapa contoh node yang sensitif terhadap noise dan berisik tersedia pada tabel di bawah;
|
Node Bising |
Node yang Sensitif terhadap Suara |
|
Induktor |
Jalur penginderaan |
|
Ganti node |
Jaringan kompensasi |
|
Kapasitor dI / dt tinggi |
Pin masukan |
|
FET |
Sirkuit Kontrol |
Jaga jejak untuk Noise-Sensitive Nodes Short
Jejak tembaga pada PCB bertindak sebagai antena untuk Radiated EMI, dengan demikian, salah satu cara terbaik untuk mencegah jejak yang terhubung langsung ke node Noise-Sensitive dari memperoleh EMI yang terpancar adalah dengan menjaganya sesingkat mungkin dengan memindahkan komponen ke mana mereka berada. untuk dihubungkan sedekat mungkin. Misalnya, jejak panjang dari jaringan pembagi resistor yang diumpankan ke pin umpan balik (FB) dapat bertindak sebagai antena dan mengambil EMI yang terpancar di sekitarnya. Derau yang diumpankan ke pin Umpan Balik akan menimbulkan derau tambahan pada keluaran sistem, membuat kinerja perangkat tidak stabil.
Kurangi Area Loop Kritis (antena)
Jejak / Kabel yang membawa bentuk gelombang switching harus sedekat mungkin satu sama lain.
Radiasi EMI berbanding lurus dengan besarnya arus (I) dan luas loop (A) yang dilaluinya mengalir, dengan demikian, dengan mengurangi luas arus / tegangan, kita dapat mengurangi tingkat EMI yang diradiasikan. Cara yang baik untuk melakukan ini untuk saluran listrik adalah dengan menempatkan saluran listrik dan jalur balik satu sama lain pada lapisan PCB yang berdekatan.
Minimalkan Induktansi Nyasar
Impedansi loop kawat (yang berkontribusi pada EMI yang dipancarkan karena proporsional dengan area) dapat dikurangi dengan meningkatkan ukuran trek (saluran listrik) pada PCB dan merutekannya sejajar dengan jalur kembali untuk mengurangi induktansi trek.
Pembumian
Bidang tanah tak terputus yang terletak di permukaan luar PCB menyediakan jalur kembali terpendek untuk EMI, terutama bila terletak langsung di bawah Sumber EMI di mana ia menekan EMI yang terpancar secara signifikan. Namun, pesawat darat bisa menjadi masalah jika Anda membiarkannya ditembus oleh jejak lain. Pemotongan dapat meningkatkan area loop efektif dan mengarah ke tingkat EMI yang signifikan karena arus balik harus menemukan jalur yang lebih panjang untuk melewati pemotongan, untuk kembali ke sumber saat ini.
Filter
Filter EMI harus dimiliki untuk catu daya, terutama untuk mengurangi EMI yang dilakukan. Mereka biasanya terletak di input dan / atau output catu daya. Pada input, mereka membantu menyaring kebisingan dari listrik dan pada output, ini mencegah kebisingan dari pasokan mempengaruhi sisa rangkaian.
Dalam desain filter EMI untuk mengurangi EMI yang dilakukan, biasanya penting untuk memperlakukan emisi yang dilakukan mode-umum secara terpisah dari emisi mode diferensial karena parameter filter untuk mengatasinya akan berbeda.
Untuk mode diferensial yang dilakukan penyaringan EMI, filter masukan biasanya terdiri dari kapasitor elektrolitik dan keramik, digabungkan, untuk secara efisien melemahkan arus mode diferensial pada frekuensi switching fundamental yang lebih rendah dan juga pada frekuensi harmonik yang lebih tinggi. Dalam situasi di mana penekanan lebih lanjut diperlukan, induktor ditambahkan secara seri dengan input untuk membentuk filter lolos rendah LC satu tahap.
Untuk mode umum yang dilakukan, penyaringan EMI, penyaringan dapat secara efektif dicapai dengan menghubungkan kapasitor bypass antara saluran listrik (baik input dan output) dan ground. Dalam situasi di mana redaman lebih lanjut diperlukan, induktor choke yang digabungkan dapat ditambahkan secara seri dengan saluran listrik.
Umumnya, desain filter harus mempertimbangkan skenario terburuk saat memilih komponen. Misalnya, Common-mode EMI akan maksimal dengan tegangan input Tinggi, sedangkan EMI Mode Diferensial akan maksimal dengan tegangan rendah dan arus beban tinggi.
Kesimpulan
Mempertimbangkan semua poin yang disebutkan di atas saat merancang switching power supply biasanya merupakan tantangan, secara efektif merupakan salah satu alasan mengapa mitigasi EMI disebut sebagai "seni gelap" tetapi ketika Anda terbiasa, mereka menjadi sifat kedua..
Berkat IoT dan berbagai kemajuan teknologi, kompatibilitas elektromagnetik dan kemampuan umum setiap perangkat untuk berfungsi dengan baik dalam kondisi pengoperasian normal, tanpa berdampak negatif pada pengoperasian perangkat lain yang berada dalam jarak dekat, menjadi lebih penting daripada sebelumnya. Perangkat tidak boleh rentan terhadap EMI dari sumber yang disengaja atau tidak disengaja di dekatnya dan pada saat yang sama juga tidak boleh memancarkan (sengaja atau tidak sengaja) interferensi pada tingkat yang dapat menyebabkan perangkat lain tidak berfungsi.
Untuk alasan terkait biaya, penting untuk mempertimbangkan EMC pada tahap awal desain SMP. Penting juga untuk mempertimbangkan bagaimana menghubungkan catu daya ke perangkat utama memengaruhi dinamika EMI di kedua perangkat, karena dalam banyak kasus, terutama untuk SMPS yang disematkan, catu daya akan disertifikasi bersama dengan perangkat sebagai satu unit dan setiap penyimpangan dalam salah satunya bisa menyebabkan kegagalan.