Techniques de conception pour réduire les emi dans les circuits smps

Dans mon précédent article sur les EMI, nous avons examiné comment la nature intentionnelle / non intentionnelle des sources EMI et comment elles affectent les performances des autres appareils électriques / électroniques (victimes) autour d'elles. L'article a été suivi d'un autre sur la compatibilité électromagnétique (CEM) qui a fourni des informations sur les dangers des EMI et a offert un contexte sur la façon dont une mauvaise prise en compte des EMI pouvait affecter négativement les performances d'un produit sur le marché, soit en raison de restrictions réglementaires ou de défaillances de fonctionnalités.

Les deux articles contiennent des conseils généraux pour minimiser les EMI (sortants ou entrants) dans la conception, mais au cours des prochains articles, nous allons approfondir et examiner comment minimiser les EMI dans certaines unités fonctionnelles de votre produit électronique. Nous commencerons par minimiser les EMI dans les blocs d'alimentation avec un accent particulier sur les alimentations à découpage.

L'alimentation en mode de commutation est un terme générique pour les sources d'alimentation CA-CC ou CC-CC qui utilisent des circuits avec des actions de commutation rapides pour la transformation / conversion de tension (abaisseur ou élévation). Ils se caractérisent par un rendement élevé, un petit facteur de forme et une faible consommation d'énergie, ce qui en a fait l'alimentation de choix pour les nouveaux équipements / produits électroniques, même s'ils sont nettement plus complexes et difficiles à concevoir par rapport aux Alimentations linéaires très populaires. Cependant, au-delà de la complexité de leurs conceptions, les SMPS présentent une menace importante de génération EMI en raison des fréquences de commutation rapides qu'ils utilisent, pour atteindre le rendement élevé pour lequel ils sont connus.

Avec de plus en plus d'appareils (victimes / sources potentielles d'EMI) développés chaque jour, surmonter les EMI devient un défi majeur pour les ingénieurs et atteindre la compatibilité électromagnétique (CEM) devient aussi important que de faire fonctionner l'appareil correctement.

Pour l'article d'aujourd'hui, nous examinerons la nature et les sources des EMI dans SMPS, et examinerons certaines techniques / approches de conception pouvant être utilisées pour les atténuer.

Sources d'EMI dans SMPS

La résolution de tout problème EMI nécessite généralement une compréhension de la source des interférences, du chemin de couplage vers d'autres circuits (victimes) et de la nature de la victime dont les performances sont négativement affectées. Pendant le développement du produit, il est généralement presque impossible de déterminer l'impact des EMI sur les victimes potentielles, en tant que tel, les efforts de contrôle EMI sont généralement axés sur la minimisation des sources d'émission (ou la réduction de la sensibilité) et l'élimination / la réduction des chemins de couplage.

La principale source d'EMI dans les alimentations SMPS peut être attribuée à leur nature de conception et à leurs caractéristiques de commutation inhérentes. Soit pendant le processus de conversion AC-DC ou DC-DC, les composants de commutation MOSFET dans SMPS, qui s'allument ou s'éteignent aux hautes fréquences, créent une fausse onde sinusoïdale (onde carrée), qui peut être décrite par une série de Fourier comme le sommation de nombreuses ondes sinusoïdales avec des fréquences harmoniquement liées. Ce spectre complet d'harmoniques de Fourier, résultant de l'action de commutation, devient l'EMI qui est transmis, de l'alimentation électrique aux autres circuits de l'appareil, et aux appareils électroniques à proximité qui sont sensibles à ces fréquences.

Outre le bruit de commutation, une autre source d'EMI dans SMPS est les transitions rapides de courant (dI / dt) et de tension (dV / dt) (qui sont également liées à la commutation). Selon l'équation de Maxwell, ces courants et tensions alternatifs produiront un champ électromagnétique alternatif, et bien que l'amplitude du champ diminue avec la distance, il interagit avec des pièces conductrices (comme les traces de cuivre sur le PCB) qui agissent comme des antennes et provoquent un bruit supplémentaire sur les lignes., conduisant à EMI.

Or, l'EMI à la source n'est pas si dangereux (parfois) jusqu'à ce qu'il soit couplé à des circuits ou des dispositifs voisins (victimes), en tant que tel, en éliminant / minimisant les chemins de couplage potentiels, l'EMI peut généralement être réduite. Comme indiqué dans l'article «Introduction à EMI», le couplage EMI se produit généralement par; la conduction (via des chemins indésirables / réutilisés ou ce que l'on appelle des «circuits furtifs»), l'induction (couplage par des éléments inductifs ou capacitifs comme les transformateurs) et le rayonnement (par voie hertzienne).

En comprenant ces chemins de couplage et comment ils affectent les EMI dans les alimentations à découpage, les concepteurs peuvent créer leurs systèmes de manière à minimiser l'influence du chemin de couplage et à réduire la propagation des interférences.

Différents types de mécanismes de couplage EMI

Nous passerons en revue chacun des mécanismes de couplage liés au SMPS et établirons les éléments des conceptions SMPS qui donnent lieu à leur existence.

EMI rayonnée dans SMPS:

Le couplage rayonné se produit lorsque la source et le récepteur (victime) agissent comme des antennes radio. La source émet une onde électromagnétique qui se propage à travers l'espace ouvert entre la source et la victime. Dans les SMPS, la propagation des EMI rayonnées est généralement associée à des courants commutés avec di / dt élevé, amplifiés par l'existence de boucles avec des temps de montée du courant rapides en raison d'une mauvaise disposition de la conception et des pratiques de câblage qui donnent lieu à une inductance de fuite.

Considérez le circuit ci-dessous;

Le changement rapide de courant dans le circuit donne lieu à une tension bruyante (Vnoise) en plus de la tension de sortie normale (Vmeas). Le mécanisme de couplage est similaire au fonctionnement des transformateurs tel que le Vnoise est donné par l'équation;

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

Où M / K est le facteur de couplage qui dépend de la distance, de la surface et de l'orientation des boucles magnétiques et de l'absorption magnétique entre les boucles en question - tout comme dans un transformateur. Ainsi, dans les configurations de conception / PCB avec une mauvaise prise en compte de l'orientation de la boucle et une grande surface de boucle de courant, il a tendance à être un niveau plus élevé d'EMI rayonnée.

EMI réalisée dans SMPS:

Le couplage de conduction se produit lorsque les émissions EMI sont transmises le long des conducteurs (fils, câbles, boîtiers et traces de cuivre sur les PCB) reliant ensemble la source de l'EMI et le récepteur. Les EMI couplés de cette manière sont courants sur les lignes d'alimentation et généralement lourds sur le composant de champ H.

Le couplage de conduction dans SMPS est soit une conduction en mode commun (l'interférence apparaît en phase sur la ligne + ve et GND) soit en mode différentiel (l'interférence apparaît déphasée sur deux conducteurs).

Les émissions conduites en mode commun sont généralement causées par des capacités parasites telles que celles du dissipateur thermique et du transformateur ainsi que de la disposition de la carte et de la forme d'onde de tension de commutation à travers le commutateur.

Les émissions conduites en mode différentiel, en revanche, sont le résultat de l'action de commutation qui provoque des impulsions de courant à l'entrée et crée des pics de commutation qui conduisent à l'existence d'un bruit différentiel.

EMI inductif dans SMPS:

Le couplage inductif se produit lorsqu'il y a une induction EMI électrique (due à un couplage capacitif) ou magnétique (due à une induction à couplage inductif) entre la source et la victime. Le couplage électrique ou le couplage capacitif se produit lorsqu'un champ électrique variable existe entre deux conducteurs adjacents, induisant un changement de tension dans l'espace entre eux, tandis qu'un couplage magnétique ou un couplage inductif se produit lorsqu'un champ magnétique variable existe entre deux conducteurs parallèles, induisant un changement en tension le long du conducteur de réception.

En résumé, alors que la principale source d'EMI dans SMPS est l'action de commutation haute fréquence ainsi que les transitoires rapides di / dt ou dv / dt qui en résultent, les catalyseurs qui facilitent la propagation / diffusion de l'EMI généré aux victimes potentielles sur la même carte (ou systèmes externes) sont des facteurs qui résultent d'une mauvaise sélection des composants, d'une mauvaise conception de la conception et de l'existence d'inductance / capacité parasite dans les chemins de courant.

Techniques de conception pour réduire les EMI dans SMPS

Avant de parcourir cette section, il peut être intéressant de jeter un œil aux normes et réglementations relatives à l'EMI / EMC pour obtenir un rappel des objectifs de conception. Bien que les normes varient selon les pays / régions, les deux plus largement acceptées, qui, grâce à l'harmonisation, sont acceptables pour la certification dans la plupart des régions comprennent: les réglementations FCC EMI Control et le CISPR 22 (troisième édition du Comité spécial international sur les interférences radio (CISPR), publication 22). Les détails complexes de ces deux normes ont été résumés dans l'article sur la norme EMI dont nous avons discuté précédemment.

Passer les processus de certification CEM ou simplement s'assurer que vos appareils fonctionnent bien à proximité d'autres appareils nécessite que vous mainteniez vos niveaux d'émission en dessous des valeurs décrites dans les normes.

Un certain nombre d'approches de conception existent pour atténuer les EMI dans SMPS et nous essaierons de les couvrir les unes après les autres.

1. Aller linéaire

Honnêtement, si votre application peut se le permettre (encombrement et nature inefficace), vous pouvez vous épargner beaucoup de stress EMI lié à l'alimentation en utilisant une alimentation linéaire. Ils ne génèrent pas d'importants EMI et ne coûteront pas autant de temps et d'argent à se développer. Pour leur efficacité, même si elle n'est peut-être pas comparable à SMPS, vous pouvez toujours obtenir des niveaux d'efficacité raisonnables en utilisant des régulateurs linéaires LDO.

2. Utilisez des modules d'alimentation

Suivre les meilleures pratiques pour obtenir de bonnes performances EMI peut parfois ne pas être suffisant. Dans les situations où vous ne semblez pas trouver le temps ou d'autres ressources pour régler et obtenir les meilleurs résultats EMI, une approche qui fonctionne généralement consiste à passer aux modules d'alimentation.

Les modules d'alimentation ne sont pas parfaits, mais une chose qu'ils font bien garantit que vous ne tombez pas dans les pièges des coupables EMI habituels comme une mauvaise conception et une inductance / capacité parasite. Certains des meilleurs modules d'alimentation du marché tiennent déjà compte de la nécessité de surmonter les EMI et sont conçus pour permettre le développement d'alimentations rapides et faciles, avec de bonnes performances EMI. Des fabricants comme Murata, Recom, Mornsun, etc. ont une large gamme de modules SMPS qui prennent déjà en charge les problèmes EMI et EMC pour nous.

Par exemple, ils ont généralement la plupart des composants tels que des inducteurs, connectés à l'intérieur du boîtier, en tant que tel, une très petite zone de boucle existe à l'intérieur du module et les EMI rayonnées sont réduites. Certains modules vont jusqu'à protéger les inducteurs et le nœud de commutation pour empêcher les rayonnements électromagnétiques provenant de la bobine.

3. Blindage

Un mécanisme de force brute pour réduire les EMI protège le SMPS avec du métal. Ceci est réalisé par le placement de sources génératrices de bruit dans l'alimentation électrique, dans un boîtier conducteur (métallique) mis à la terre, la seule interface avec les circuits externes étant via des filtres en ligne.

Cependant, le blindage ajoute un coût supplémentaire en matériaux et en taille de PCB au projet, en tant que tel, cela peut être une mauvaise idée pour les projets avec des objectifs à faible coût.

4. Optimisation de la mise en page

La disposition de conception est considérée comme l'un des principaux problèmes qui facilitent la propagation des EMI à travers le circuit. C'est pourquoi, l'une des techniques générales générales pour réduire les EMI dans SMPS est l'optimisation de la mise en page. C'est parfois un terme assez ambigu car il pourrait signifier différentes choses allant de l'éradication des composants parasites à la séparation des nœuds bruyants des nœuds sensibles au bruit, en passant par la réduction des zones de boucle de courant, etc.

Certains conseils d'optimisation de la mise en page pour les conceptions SMPS comprennent:

Protégez les nœuds sensibles au bruit des nœuds bruyants

Cela peut être fait en les positionnant aussi loin que possible les uns des autres pour éviter un couplage électromagnétique entre eux. Quelques exemples de nœuds sensibles au bruit et bruyants sont fournis dans le tableau ci-dessous;

Nœuds bruyants	Nœuds sensibles au bruit
Inductances	Sentiers de détection
Changer de nœud	Réseaux de compensation
Condensateurs haut dI / dt	Broche de rétroaction
FET	Circuits de contrôle

Gardez les traces pour les nœuds sensibles au bruit court

Les traces de cuivre sur les PCB agissent comme des antennes pour les EMI rayonnées, en tant que telles, l'un des meilleurs moyens d'empêcher les traces directement connectées aux nœuds sensibles au bruit d'acquérir des EMI rayonnées est de les maintenir aussi courtes que possible en déplaçant les composants vers lesquels elles se trouvent. être connecté, au plus près. Par exemple, une longue trace d'un réseau de diviseurs de résistances qui alimente une broche de rétroaction (FB) peut agir comme une antenne et capter les EMI rayonnées autour d'elle. Le bruit envoyé à la broche de rétroaction introduira un bruit supplémentaire à la sortie du système, rendant les performances de l'appareil instables.

Réduire la zone de boucle critique (antenne)

Les traces / fils qui transportent la forme d'onde de commutation doivent être aussi proches que possible les uns des autres.

L'EMI rayonnée est directement proportionnelle à l'amplitude du courant (I) et à la zone de boucle (A) à travers laquelle elle circule, en tant que telle, en réduisant la zone du courant / tension, nous pouvons réduire le niveau d'EMI rayonné. Une bonne façon de faire cela pour les lignes électriques est de placer la ligne électrique et le chemin de retour l'un sur l'autre sur des couches adjacentes du PCB.

Minimiser l'inductance parasite

L'impédance d'une boucle de fil (qui contribue à l'EMI rayonnée étant proportionnelle à la surface) peut être réduite en augmentant la taille des pistes (Powerline) sur le PCB et en l'acheminant parallèlement à son chemin de retour pour réduire l'inductance des pistes.

Mise à la terre

Un plan de masse ininterrompu situé sur les surfaces externes du PCB fournit le chemin de retour le plus court pour les EMI, en particulier lorsqu'il est directement situé sous la source EMI où il supprime les EMI rayonnées de manière significative. Les plans au sol peuvent cependant poser problème si vous autorisez une coupe à travers eux par d'autres traces. La coupure pourrait augmenter la surface de boucle effective et conduire à des niveaux EMI significatifs car le courant de retour doit trouver un chemin plus long pour contourner la coupure, pour revenir à la source de courant.

Filtres

Les filtres EMI sont indispensables pour les alimentations électriques, en particulier pour atténuer les EMI conduites. Ils sont généralement situés à l'entrée et / ou à la sortie de l'alimentation. En entrée, ils aident à filtrer le bruit du secteur et en sortie, cela empêche le bruit de l'alimentation d'impacter le reste du circuit.

Dans la conception de filtres EMI pour atténuer les EMI conduites, il est généralement important de traiter l'émission conduite en mode commun séparément de l'émission en mode différentiel car les paramètres du filtre pour les traiter seront différents.

Pour le filtrage EMI conduit en mode différentiel, les filtres d'entrée sont généralement constitués de condensateurs électrolytiques et céramiques, combinés, pour atténuer efficacement le courant de mode différentiel à la fréquence de commutation fondamentale inférieure et également à des fréquences harmoniques plus élevées. Dans les situations où une suppression supplémentaire est nécessaire, une inductance est ajoutée en série avec l'entrée pour former un filtre passe-bas LC à un étage.

Pour le filtrage EMI conduit en mode commun, le filtrage peut être efficacement réalisé en connectant des condensateurs de dérivation entre les lignes d'alimentation (à la fois d'entrée et de sortie) et la masse. Dans les situations où une atténuation supplémentaire est requise, des inductances d'arrêt couplées peuvent être ajoutées en série avec les lignes électriques.

En règle générale, les conceptions de filtres doivent tenir compte des pires scénarios lors de la sélection des composants. Par exemple, l'EMI en mode commun sera maximale avec une tension d'entrée élevée, tandis que l'EMI en mode différentiel sera maximale avec une basse tension et un courant de charge élevé.

Conclusion

Prendre en compte tous les points mentionnés ci-dessus lors de la conception d'alimentations à découpage est généralement un défi, c'est en fait l'une des raisons pour lesquelles l'atténuation des EMI est appelée «art sombre», mais à mesure que vous vous y habituez, elles deviennent une seconde nature.

Grâce à l'IoT et aux différentes avancées technologiques, la compatibilité électromagnétique et la capacité générale de chaque appareil à fonctionner correctement dans des conditions de fonctionnement normales, sans nuire au fonctionnement des autres appareils à proximité, sont encore plus importantes qu'auparavant. Les appareils ne doivent pas être sensibles aux interférences électromagnétiques provenant de sources intentionnelles ou non à proximité et ils doivent également en même temps ne pas émettre d'interférences (intentionnellement ou non) à des niveaux qui pourraient entraîner un dysfonctionnement d'autres appareils.

Pour des raisons liées aux coûts, il est important de prendre en compte la compatibilité électromagnétique au stade précoce de la conception SMPS. Il est également important de considérer comment la connexion de l'alimentation à l'appareil principal affecte la dynamique EMI dans les deux appareils, car dans la plupart des cas, en particulier pour les SMPS intégrés, l'alimentation sera certifiée avec l'appareil comme une seule unité et toutes les défaillances dans l'un ou l'autre pourrait conduire à l'échec.