Reducerea EMI în sursele de alimentare cu comutare (SMPS)

3 MAI 2012

EMI (interferența electromagnetică) este perturbarea de funcționare a unui dispozitiv electronic, atunci când se află în vecinătatea unui câmp electromagnetic (EMF) sau spectru de frecvență radio (RF) generate de alt dispozitiv electronic.

Sursele de alimentare cu comutare (SMPS) sunt chiar prin natura lor medii care generează zgomot electric (la frecvența de comutare și armonicele asociate), dar prin proiectare atentă se obține încadrarea în standarde a performanțelor.
Standardele de bază sunt IEC 61000 (Electromagnetic compatibility – EMC) și IEC 60601 (Immunity Requirements). Cunoscând bine componentele, proiectând corect circuitul imprimat (PCB) și reducând impedanțele de mod comun se vor minimiza emisiile EMI ale sursei de alimentare, fără a fi necesare alte măsuri externe (filtre Pi, șocuri de mod comun, dispozitive supresoare, ecranare metalică). În funcție de aplicație: industrială, medicală, acustică cu zgomot mic, medii grele (temperatură, umiditate ridicate), densitate mare de putere, fiabilitate foarte mare… sursele au prețuri diferite, care reflectă efortul de

Figura 1: Bucle de curent cu mari variaţii di/dt în convertor forward

proiectare și calitatea componentelor.

De ce produc sursele de alimentare zgomot electric?
Orice sursă în comutație se bazează pe schimbări de tensiune sau curent în intervale scurte

Figura 2: Zone cu mari variaţii de potenţial dV/dt la comutare și redresare în convertor forward

de timp, în fiecare ciclu de comutare (ex. un FET comută de la 0 la 200V în 40ns). Orice traseu, punct de joncțiune și componentă este o sursă posibilă de perturbații. În cazul componentelor electronice, producătorii, în general, nu specifică performanţele EMI și cum ar putea deveni surse de zgomot. În figurile 1 și 2 se arată cum se pot genera zgomote prin variaţii mari în bucle de curent (di/dt), respectiv prin vârfuri de tensiune(dV/dt).

Rolul cablajului (PCB), reguli de proiectare
1. Se minimizează ariile buclelor de curent. Buclele de curent apar când curenții se întorc spre masă (ground) pe mai multe căi.
Buclele de curent sunt generatoare și dar și antene EMI. Prin traseele de cablaj circulă curenți AC (50KHz… 1MHz), deci vor apare fenomene de inducție și radiație electromagnetică.

Notă. Legea lui Faraday arată că tensiunea indusă într-un circuit este egală cu viteza de variaţie a fluxului magnetic prin suprafaţa acelui circuit: e = – Δ φ /Δt.

2. Se asigură că nu rămân părți flotante și că toate buclele sunt conectate la masă.
3. Semnalele se închid la masă prin conexiuni cât mai scurte și separate, dispuse ca o stea, la fiecare terminal GND de circuit integrat, iar liniile de putere vor avea tot conexiunea stea la masa lor. În final, va fi doar o conexiune între masa de semnal (referinţa pentru semnale mici, cu informaţia de control) și masa de putere (referinţa pentru curenţi mari de întoarcere, puterea controlată), într-un singur punct.
4. Pe cablaj, planul de masă al părții de putere trebuie separat de planul de masă al semnalelor, ținând cont și de separarea galvanică pe cablaj între primar și secundar.
5. Traseele de circuit imprimat și cablurile de legătură răsucite trebuie să fie cît mai scurte și dispuse pentru a minimiza buclele ce pot fi antene prin care se induc în sursă, curenți datorită EMI de la alte aparate.
6. Împământarea este prevăzută pentru motive de siguranță, nu pentru micșorarea EMI.

Rolul componentelor electronice
Circuitele integrate au, la pinii I/O, curenți din 2 surse: driver-ul digital (util, folosit de aplicație) și EMI (nedorit, perturbator). Generarea EMI la nivel redus și blocarea spre alte componente se asigură de fabricant. Silicon Labs www.silabs.com a proiectat MCU-urile sale cu pini suplimentari de alimentare și GND pentru a minimiza aria buclelor de curent la conectarea acestor componente pe cablaj. Circuitele care generează EMI trebuie separate de cele care pot recepta cîmp electromagnetic, prin poziționarea pe fețe diferite de cablaj (ex. MCU și un receptor GPS) și ecranarea Faraday – incintă metalică (realizată prin cutii, benzi sau vopsele metalice) care poate ține cîmpul electromagnetic în interior sau exterior. Trebuie înțeles comportamentul componentelor active la frecvență înaltă, dar și al capacitoarelor funcție de tipul lor, rezistoarelor bobinate și firelor de legătură. Multe componente electronice și electromagnetice au straturi, au componente parazite nespecificate de producător, care devin importante în domeniul frecvențelor radio. În funcție de materiale și de tehnologie, la frecvență ridicată se manifestă caracteristici parazite (capacitorul – funcție de tehnologie și rezistorul au și o inductanță mică, iar inductorul are o capacitate mică între spire). Capacitorul se alege corect în funcție de valoare, dar și de caracteristicile parazitice ce depind de frecvență. Se aleg capacitoare de calitate, ex. firma Murata, www.murata.com și se combină diferite tipuri de capacitoare în paralel, conectate cu trasee cât mai scurte

Figura 3: Circuitele integrate au mii de porţi CMOS parcurse de curenţi în tranziţie datorită comutării (frecvenţele radiate sunt cele de ceas și subarmonice)

pentru a nu adăuga inductanțe parazite. Transformatorul este primul element ce determină EMI în sursa de alimentare, fiind componenta cea mai zgomotoasă.
Proiectarea unui transformator este o adevarată artă, atât la alegerea tipului de miez magnetic, a direcției de bobinare, ecranării bobinajului (ecranarea reduce EMI, dar crește capacitatea parazită și implicit curentul de scurgere) și a poziției pe cablaj. În cazul izolării galvanice a semnalelor, în locul transformatoarelor (care generează EMI și sunt susceptibile la coruperea semnalelor prin câmpuri magnetice), respectiv în locul optocuploarelor (care au emisie EMI joasă și înaltă imunitate, dar au fiabilitate mică, imunitate mică de mod comun și degradare în timp a factorului de transfer al semnalului), se recomandă Izolatoare cu siliciu (Silicon Isolator) ce pot fi implementate fie ca transformatoare, fie capacitoare.

Figura 4: Silicon Isolator – barieră de izolare de 2 tipuri: transformator sau capacitor

Dispozitivele Capacitive Silicon Isolator sunt ideale pentru surse și alte aplicații medicale. Aceste dispozitive de la Silicon Labs, www.silabs.com îmbună­tățesc dramatic caracte­risticile EMI și aduc suplimentar perfor­manțe și fiabilitate ridicate (ex. Si84××).

Cauze de manifestare EMI legate de sistem
1. Insuficienta decuplare sau componente de calitate proastă în sursă sau în sarcină.
2. Conectarea prin fire cu defecte sau terminale ce au contact prost.
3. Lipsa capacitoarele de tip Y și X între liniile AC de fază, nul și ground care reduc efectiv EMI la toate frecvențele (dar contribuie la curenții de scurgere, deci folosite în funcție de limitări) și împământarea defectuoasă.
4. Trebuie dedus dacă zgomotul este condus sau radiat (dacă zgomotul variază prin schimbarea poziției, atunci este radiat)
5. Firele trebuie torsadate, iar firele de putere trebuie separate de firele de semnale (eventual se intercalează filtre cu inductoare și șocuri de mod comun).
6. Conexiunea de ground (zero Volt) trebuie făcută cât mai aproape de carcasă.
7. Adăugarea de capacitoare la ieșirea unei surse de alimentare cu comutare (SMPS) pentru a furniza curent suplimentar la întreruperi și a reduce EMI, trebuie să aibă în vedere că performațele unei surse sunt specificate la sarcină pur rezistivă, fără reactanță capacitivă și inductivă. În mod real, capacitoarele externe includ inductanțe interne serie (ESL) nedorite. Cablurile externe au și ele, inductanţă serie suplimentară. În plus, faţă de posibilitatea de pornire eşuată sau întârziată a sursei, creşterea capacităţii duce la răspuns lent tranzitoriu şi chiar instabilitate.

Capacitatea de ieşire excesivă, combinată cu rezistență serie (ESR) scăzută şi inductanţă mai mare poate face ca unele surse să oscileze. De aceea, unele surse pot accepta capacitoare mai mari de ieşire, atât timp cât ESR este mai mare.

ECAS ELECTRO www.ecas.ro este distribuitor al firmelor:

Silicon Laboratories
Silabs www.silabs.com un lider în industrie prin inovare cu înaltă performață pentru circuite integrate analog-intensive și semnal mixat cu aplicații în aparatura de consum, comunicații, computere, industrial și auto.

EPCOS
EPCOS www.epcos.com cu gamă largă de componente pasive legate de surse de alimentare și EMI.

Autor:
Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre