Metody niwelowania EMI w systemach zasilających

1. Wstęp Zakłócenia EMI są wszędzie. Sama matka natura dostarcza nam sporo źródeł tych zakłóceń. Najpowszechniejszym źródłem takich zakłóceń jest nasze słońce, a konkretniej jego promieniowanie. Jednakże sprzęt elektroniczny musi na co dzień borykać się ze źródłami od tego co stworzył człowiek. Mogą to być działania zamierzone (telefony, radio, systemy komunikacji bezprzewodowej), lub też będące efektem ubocznym innych zjawisk (np. wyładowania w systemach zapłonu w samochodach, czy też źródła zasilania). Opracowanie te porusza kwestie niektórych z tych źródeł zakłóceń i tego, jak sobie z nimi radzić, jak je eliminować. 2. Czemu źródła zasilania wprowadzają tyle zaburzeń? Każde źródło zasilania, zmieniające napięcie, prąd, jest podatne na tzw dzwonienie. Mowa tu o źródłach gdzie istnieje przełączanie. Wspomniany efekt będzie się pojawiał przy każdym cyklu przełączania. Każda ścieżka, połączenie, czy sam komponent jest potencjalnym źródłem tego zjawiska. Jednak najczęściej źródeł takich próżno szukać na liście użytych elementów. Co to tak naprawdę oznacza? W każdym projekcie pojawiają się pętle z wysokimi wartościami dv/dt i di/dt. Rysunek 1 pokazuje potencjalne miejsca powstawania takich niepożądanych wielkości di/dt w przykładowym konwerterze izolowanym. Rysunek 2 z kolei wskazuje miejsca powstawania wysokich dv/dt, w tym samym projekcie. Z takimi wysokimi di/dt lub dv/dt nie trzeba wcale wysokich pojemności międzyzwojowych, dla generowania zakłóceń prądowych, lub napięciowych, w postaci przepięć sięgających nawet kilku voltów. Może to skutkować wahaniami w masie i skutkować powstawaniem zakłóceń EMI. Rysunek 1. Miejsca wysokich di/dt Rysunek 2. Miejsca wysokich dv/dt Idąc dalej tym tropem, możemy spostrzec, że napięcie na tranzystorze FET (Vds) wynieść może 200 V w przeciągu 40 ns. A to dla dv/dt wynosić może nawet 5 GV/s. 3. Jak projektować, by zminimalizować emisję EMI. Projektowanie źródeł zasilania z dobrą wydajnością w kwestii EMI wcale nie jest czarną magią. Z odpowiednią wiedzą i pewnym doświadczeniem, tworzenie gotowych projektów z ograniczonym EMI może być zrealizowane wprost z etapu koncepcyjnego. Prace te obejmować będą przede wszystkim odpowiednie skupienie się na projekcie płytki, gdyż pełni to znaczącą rolę w emisji EMI (i redukcji). Pierwszą rzeczą, jaką projektant powinien zrobić i na której się skupić jest wyeliminowanie ze źródeł generatory tych zakłóceń. Należy bowiem pamiętać, że różnego rodzaju odbiorniki tych zakłóceń mają w zwyczaju przekazywać dalej tego rodzaju emisje. Należy więc też zminimalizować podatność odbiorników na powstające zakłócenia. Jeśli nadal nie jest możliwe osiągnięcie wybranej emisyjności, należy zwrócić swoją uwagę ku filtrom. Mogą one stanowić ważny element ostatecznego projektu. 3.1 Jaką rolę odgrywa projekt płytki PCB Projekt PCB jest często najmniej rozumianym, jeśli chodzi o EMI. Jednak nie musi być to wcale takie trudne, jeśli weźmie się pod uwagę następujące porady: a) zminimalizować powierzchnię i liczbę pętli, b) nie zostawiać wolnych („pływający”) elementów i ścieżek, oraz upewnić się, że pętle są podłączone do masy, c) utrzymać masę sygnałową i zasilającą rozdzieloną. To jednak może spowodować większą złożoność projektu płytki PCB. Należy więc zachować umiar i znaleźć odpowiedni kompromis. Przykładowo, na jednej warstwie prowadzimy masę dla sygnałów wejściowych i wyjściowych z punktami gwiadowymi scalaków na pinach wspólnych, a na innej, oddzielnej warstwie masę od zasilania. Warstwy wejściowe również warto odizolować od wyjściowych i nie mieszać komponentów pomiędzy warstwami, które mają być po określonej stronie. Warto też pamiętać o tym, że systemy uziemiające nie zostały zaprojektowane z myśląo EMI, lecz o bezpieczeństwie. Należy więc korzystać odpowiednio z powierzchni uziemiających i stosować możliwie krótkie połączenia. Powinno się też stosować tylko jedno połączenie, pomiędzy warstwą masy sygnałowej, a masą zasilającą. 3.2 Dobierz komponenty z odpowiednią częstotliwością Często zdarza się też (lecz już coraz rzadziej dla nowych komponentów – dop.), że parametry EMI dla komponentów nie są podawane przez producentów. Poznanie komponentów i tego jak będą się zachowywać w aplikacji, jest kluczowe dla zachowania niskiej emisyjności zakłóceń. To ważne zwłaszcza przy wysokich częstotliwościach. Mowa tu o takich elementach jak kondensatory, rezystory drutowe czy nawet same przewody i połączenia przewodowe, mogą zmieniać swoje zachowanie i parametry emisyjne przy zmianach częstotliwości. Różnie też w tym przypadku zachowują się kondensatory tantalowe i ceramiczne. Pasożytnicze składowe; ESR, ESL, Cs, itd., będą ogrywać swoją rolę w EMI, i zrozumienie działania tychże pozwoli na lepsze zrozumienie zjawisk towarzyszących powstawaniu zakłóceń EMI i metod ich minimalizowania. Większość komponentów i składowych EMC jest niewidoczna w schemacie. Są to często elementy zbłąkane lub pasożytnicze, lecz nie mogą być lekceważone, w myśl podstaw RF. 4. Wydajność Xgen Xgen to konfigurowalne źródła napięcia z zaimplementowaną architekturą Plug-And-Play. Pozwoli to projektantom na bezprecedensową wygodę w stosowaniu rozwiązań w dziedzinie źródeł zasilania. Główne cechy Xgen to: • sprawność na poziomie 90%, • mała wysokość urządzenia, • gęstość mocy 16 W/cal3, • system Plug-And-Play. Zastosowaniami mogą być aplikacje: • przemysłowe, • medyczne, • wysokotemperaturowe, • wymagające cichej pracy. Xgen zaprojektowano z myślą o spełnieniu wymagań emisyjności klasy B. Zasilacz ten stworzono z wykorzystaniem wszystkich reguł, które poruszono w niniejszym opracowaniu. Skupiono się także na innych aspektach EMI, sprawiając, że jest to solidne źródło zasilania mogące pracować w każdych warunkach. Warto wspomnieć o kilku dodatkowych cechach: • aktywny system korekcji współczynnika mocy, który nie spada poniżej 0.98. Spełnia się tym samym wymagania EN61000-3-2, • ograniczenie fluktuacji i migotania napięcia, spełniając wymagania przedstawione w EN61000-3-3, • spełnienie wymagań EN55022 Class B, bez konieczności stosowania dodatkowego, zewnętrznego filtrowania. Podsumowując, Xgen spełnia wymagania wielu norm w kwestii EMI, i nie tylko. W tym: • EN61000-4-2 – o wyładowaniach ESD i obudowach („Electrostatic Discharge Immunity. 8kV Air discharge applied to Enclosure. 6kV Contact with Enclosure”), • EN61000-4-3 – o odporności na promieniowanie elektromagnetyczne działające na obudowę („Radiated Electromagnetic Field 10Volts/metre 80MHz to 2.5GHz applied to Enclosure”), • EN61000-4-4 – („Fast Transients-Burst Immunity +/-2kV”), • EN61000-4-5 - („Input Surge Immunity +/- 2kV Common Mode 1.2/50 S (Voltage); 8/20uS (Current) +/- 1kV Differential Mode 1.2/50 S (Voltage) 8/20 S (Current)”), • EN61000-4-6 – („Conducted Immunity 10 V/m 150KHz to 80MHz EN61000-4- 11Voltage Dips”). 5. Czy poza zgodnością z wymaganiami klasy B, co jeszcze powinno się brać pod uwagę Zgodność źródła zasilania z normami nie jest gwarantem tego, że cała aplikacja będzie bezpieczna i spełni wymagania norm. Mogą być bowiem inne przyczyny powstawania zaburzeń w układzie. Należeć do nich będą takie kwestie jak: • niewłaściwe rozsprzęglenie na płytce PCB albo obciążeniu, • błędne okablowanie, niewłaściwe połączenia lub kiepskiej jakości złącza, • słaby system uziemiający. Jest jednak kilka technik, pozwalających wyeliminować, lub chociaż zidentyfikować miejsca powstawania problemów szumu wysokoczęstotliwościowego: • Jeśli ekranowanie pomaga i/lub źródło zakłóceń się przemieszcza, jest najprawdopodobniej zaburzeniem promieniującym, nie przewodnościowym, • skręć pary przewodów sygnałowych i zasilających oddzielnie, • uziemienie powinno zostać sprzęgnięte z obudową w najbliższym sobie sąsiedztwie. Tym samym, projektanci źródeł zasilania powinni możliwie jak najbardziej ograniczyć źródła promieniowania EMI. Projektanci pozostałych elementów aplikacji również powinni upewnić się, co do optymalnej efektywności ich części pod względem emisji. Okablowanie i właściwy projekt PCB są tu kluczowymi elementami. Ścieżki na płytce i same przewody powinny być tak zorganizowane, by zminimalizować pętle prądowe. Wszystkie ścieżki i przewody powinny być traktowane jako potencjalne źródło promieniowania EMI i/lub jako anteny nadawcze lub odbiorcze, dla zakłóceń. Należy podjąć kroki, które zmniejszą te zjawiska: • przewody i kable powinny być możliwie jak najkrótsze, • stosować odpowiednie skręcanie par przewodów sygnałowych i zasilających, • odpowiednie prowadzenie ścieżek zasilających, • zminimalizować szum prądowy indukujący się w liniach sygnałowych, poprzez stosowanie skrętek, zwłaszcza we wrażliwych miejscach czy torach, • nie mieszać przewodów sygnałowych i zasilających w tej samej wiązce przewodów • upewnić się, że jest odpowiedni system uziemień, wykonywany także w formie połączeń gwiazdowych. Zwłaszcza w przypadku uziemień od sygnałów wejściowych i wyjściowych. 6. Podsumowanie Zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) są przez wielu uważane za coś w rodzaju czarnej magii lub sztuki niepojętej. Prawda jednak jest taka, że przy odpowiedniej wiedzy, pilności i uwadze, możliwe jest stworzenie źródeł zasilania i aplikacji, będących odpowiednio zoptymalizowane pod kątem EMI. Może się to co prawda skończyć większym nakładem czasu, przy projektowaniu systemów zasilających, jak również zwiększeniem kosztów, chociażby poprzez zastosowanie odpowiednich filtrów. Jednak wysiłek się opłaci. Źródła zasilania są bowiem z natury elementami, powodującymi spore szumy i zakłócenia. Odpowiednie podejście do projektu może też skutkować lepszą wydajnością. Warto skupić się na odpowiednim doborze komponentów i dobrym projekcie płytki PCB. Znacznie zmniejszy to później kłopoty związane z emisją EMI. Należy pamiętać, że na EMI, składa się także wiele małych drobnych elementów i poradzenie sobie ze wszystkimi tymi elementami, zaowocuje poprawą w kwestii emisyjności zakłóceń elektromagnetycznych. © Vitec Power Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości Vitec Power