česky english Vítejte, dnes je středa 06. červenec 2022

Zřídka kladené otázky. Strategie ke zmírnění elektromagnetického rušení po přívodech v choulostivém pásmu FM

DPS 6/2021 | Součástky - články
Autor: Gengyao Li, Dongwon Kwon, Keith Szolusha, Analog Devices

Jak potlačit nepříjemné rušení ze spínaných zdrojů po přívodech v pásmu FM?

Ačkoli jsou elektromagnetická stínění a feritové filtry často vyhledávanými způsoby odrušení, bývají taková řešení nákladná, objemná a někdy neúčinná. Elektromagnetický šum v pásmu FM lze snížit tehdy, když porozumíme tomu, kde vzniká, a použitím obvodových technik a technik návrhu DPS k potlačení u jeho zdroje.

Vlastnosti napájecích sítí z hlediska rušení jsou kritické v systémech citlivých na šum, jako jsou automobilní obvody, zejména když jsou použity spínané zdroje.

Konstruktéři dokážou investovat značné množství času do snížení úrovní rušení po přívodech (CE) a rušení vyzařováním (RE). Zvláště při měření CE může být pásmo FM (76 MHz až 108 MHz) nejobtížnější oblastí pro získání shody a často si vyžádá mnoho času. Proč je zmírnění šumu CE v pásmu FM tak obtížné?

Na nízkých kmitočtech (pásmo AM) převládá rušení CE v diferenciálním módu. Na vysokých kmitočtech (pásmo FM) je převládajícím rušení CE v módu souhlasném [1]. Souhlasný šumový proud vytvářejí uzly na DPS s měnícími se napětími. Proud prosakuje přes parazitní kapacitu do vztažné země a zpět do vstupních přívodů plus a minus (viz obr. 1).

Obr. 1  (jpg)

V důsledku složité parazitní kapacity v okolí DPS není účelné parazitní kapacitu simulovat za účelem provedení odhadu rušení CE v pásmu FM. Nejlepší je otestovat desku ve zkušební komoře.

Existují osvědčené laboratorní metody vedoucí k účinnému snížení rušení v pásmu FM, včetně změny spínacího kmitočtu, rychlosti přeběhu spínání, návrhu spínaného uzlu, návrhu horké smyčky, indukčností a také umístění přívodních vodičů a zátěže. Jejich účinnost je u různých desek různá.

Tento článek se zabývá řadou jednoduchých a cenově dostupných způsobů, jak snížit rušení po přívodech v pásmu FM na desce bez použití feritových filtrů nebo stínění. Výsledky jsou ověřeny měřením rušení CE proudovou sondou v certifikované zkušební komoře pro měření elektromagnetického rušení na desce budiče HUD LED automobilu osazené LT3922-1, která je vidět na obr. 2.

Obr. 2 (jpg)

Při tomto testu se měří vyzařování CE metodou proudovou sondou v uspořádání dle normy CISPR 25, které je vidět na obr. 3. Rušení CE se měří buď metodou napěťové sondy, nebo metodou proudové sondy, přičemž norma pro metodu proudové sondy je všeobecně považována za přísnější z těchto dvou uvedených. Namísto měření napěťového výstupu z LISNs (Line Impedance Stabilization Network) využívá proudová metoda pro měření rušení CE šumových signálů v souhlasném módu šířících se po napájecím přívodu nebo kabelové svazence proudovou sondu na vzdálenost 50 mm a 750 mm od měřeného zařízení. Údaje špičkové a střední hodnoty jsou shromažďovány při každém rozmítnutí a srovnány s danými mezními hodnotami normy.

U metody proudové sondy jsou průměrné meze v pásmu FM popsané v CISPR 25 Class 5 až jen –16 dBμA. Zde uvádíme několik účinných přístupů ke zlepšení výsledků v pásmu FM při měření proudovou sondou. Mnohé z těchto metod jsou použitelné také při měření napěťovou metodou.

Obr. 3 a tabulka (jpg)

Při všech měřeních této studie je použita kmitočtová modulace s rozprostřeným spektrem (SSFM), pokud není uvedeno jinak. U modulace SSFM je úroveň špiček a harmonických elektromagnetického rušení na spínacím kmitočtu snížena.

Tlumivka souhlasného módu potlačuje elektromagnetický šum v pásmu FM

Souhlasný šumový proud (CM), který vzniká při spínání, prosakuje do vztažné země skrze rozptylovou kapacitu a vrací se přes vstupní napájení a zpětné cesty stejným směrem. Zvýšením souhlasné impedance ve smyčce s tlumivkou CM lze nežádoucí souhlasný šum potlačit.

Obr. 4 ukazuje průměrné výsledky rušení CE proudovou sondou ve vzdálenostech 50 mm a 750 mm a srovnává původní obvod bez tlumivky a s tlumivkou zapojenou před obvodem budiče LED. Je zde rovněž vidět šumový práh okolí pro srovnání. Rušení CE v pásmu FM (76 MHz až 108 MHz) bylo sníženo o více než 8 dBμA.

Obr. 4 (jpg)

Na indukčnostech záleží

Rychle se měnící napětí a proudy jsou přivedeny ke hlavní indukčnosti a vytváří z ní anténu. Indukčnosti tedy mohou být zdrojem šumu v pásmu FM. Výsledky zkoušek na elektromagnetické rušení lze zlepšit mnoha způsoby právě ve vztahu k indukčnostem.

Velmi záleží například na montážní orientaci indukčnosti [2]. Stíněné indukčnosti obvykle produkují nižší vyzařování než nestíněné a některé materiály jader omezují vyzařování magnetického pole a elektrického pole více než jiné. Indukčnosti se želeným práškem a práškem z kovových slitin mají např. horší stínění elektrického pole na kmitočtech nad 1 MHz. MnZn a NiZn mají lepší vlastnosti na vyšších spínacích kmitočtech [2, 3]. Indukčnosti s odkrytou základnou jsou horší než typy se základnou krytou. Připojení dlouhého přívodu vnitřního vinutí cívky k uzlu s vysokým dV/dt (spínaný uzel) vede ke značnému zvýšení vyzařování elektrického pole. Změřeny byly tři stíněné indukčnosti 22 μH uvedené v tabulce 1. Elektromagnetické rušení bylo vyhodnoceno v témže obvodu bez tlumivky CM a každá indukčnost byla sestavena s ohledem na svoji nejlepší provozní orientaci. Výsledky jsou srovnány na obr. 5. V této studii indukčnost Coilcraft XEL dosahuje nejlepších vlastností v pásmu FM, přičemž dokáže snížit rušení v pásmu FM o 5,1 dB ve srovnání s indukčností 3L.

Obr. 5 a 6 (jpg)

Nižší spínací kmitočet (fsw) přináší tišší pásmo FM

Snížení spínacího kmitočtu snižuje vyzařovanou energii na daném vysokém kmitočtu. Na obr. 6 je vidět vyzařování CE měřené proudovou sondou bez tlumivky CM a srovnané na spínacích kmitočtech 200 kHz, 300 kHz a 400 kHz. Všechny ostatní součástky vyjma zkoušených byly ponechány beze změny. Měření na 200 kHz vykazuje nejnižší elektromagnetické rušení v pásmu FM s hodnotou o 3,2 dB nižší než na kmitočtu 400 kHz.

Zmenšete šumovou anténu snížením plochy spínaného uzlu

Spínaný uzel s vysokým dV/dt je zdrojem šumu, který vytváří kapacitní vazbu a zvyšuje elektromagnetický šum CE v souhlasném módu. Uzel rovněž funguje jako anténa, která vyzařuje elektromagnetický šum do okolí a ovlivňuje také vyzařované rušení. Z tohoto důvodu minimalizace plochy spínaného uzlu na DPS snižuje úroveň rušení.

Za účelem změření tohoto efektu na DPS byla plocha spínaného uzlu zmenšena odříznutím části mědi a indukčnost přemístěna blíže k IO, jak je patrné na obr. 7. Rušení bylo změřeno před a po odstranění mědi a výsledek je vidět na obr. 8.

Obr. 7 (jpg)

Měření rušení CE proudovou sondou na vzdálenost 50 mm ukazuje pokles rušení o 1 dB na 105 MHz, ale měření na vzdálenost 750 mm opravdu ukazuje značné zlepšení. Tento výsledek naznačuje, že plocha mědi není v této aplikaci hlavním přispívajícím faktorem pro rušení v pásmu FM.

Obr. 8 (jpg)

Přesto se vyplatí zkusit zmenšit plochu spínaného uzlu na nejmenší míru pro dosažení prostorového uspořádání DPS s nízkým rušením nebo až v průběhu zmírňování rušení.

Závěr

Vlastnosti napájecího zdroje z hlediska elektromagnetického rušení závisí především na vlastnostech IO a kvalitní IO dokáže produkovat nízké rušení při správné volbě součástek a efektivně navržené DPS. V tomto článku jsme zkoumali několik metod zmírnění vyzařování po přívodech (CE) v pásmu FM s využitím desky vytvořené okolo automobilního budiče HUD LED LT3922-1.

Zapojení tlumivky v souhlasném módu do kladného a záporného vstupního přívodu zvyšuje impedanci ve smyčce souhlasného proudového šumu. Různé indukčnosti s různými materiály jader, konstrukcí jader a konstrukcí vinutí přináší různé výsledky z hlediska elektromagnetického rušení. Odhadnout, která indukčnost je nejlepší výlučně na základě parametrů, je obtížné, ale srovnání je možné provést ve zkušební laboratoři.

Montážní orientace indukčností na DPS je také důležitá. Jak snížení spínacího kmitočtu, tak zmenšení plochy mědi spínaného uzlu mohou pomoci snížit rušení po přívodech v pásmu FM. Pokud je měřeným zařízením obvod spínaného regulátoru využívajícího část kontroléru (vnější MOSFETy), může být rušení v pásmu FM dále sníženo snížením rychlosti přeběhu a zmenšením plochy horkých smyček na nejmenší míru.

Článek byl přeložen a poskytnut firmou Amtek s. r. o. www.amtek.cz

Odkazy:

[1] Ling Jiang, Frank Wang, Keith Szolusha a Kurk Mathews. „A practical Method for Separating Common-Mode and Differential-Mode Emissions in Conducted Emissions Testing.“ Analog Dialogue, Vol. 55, No. 1, January 2021.

[2] Keith Szolusha and Gengyao Li. „Does the assembly Orientation of an SMPS inductor Affect Emissions?“ emiTime, August 2020

[3] Ranjith Bramanpalli. “ANP047: The Behavior of Electro- Magnetic Radiation of Power Inductors in Power Management.“ Würth Elektronik, March 2018

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik