Il tuo convertitore funziona perfettamente in laboratorio. Poi arriva al laboratorio di compatibilità elettromagnetica e la scansione fallisce. O peggio, viene spedito e blocca un collegamento wireless nelle vicinanze.
Non si può considerare l'interferenza elettromagnetica come un semplice aspetto da spuntare alla fine. Nella conversione da corrente alternata a corrente continua, la soppressione delle interferenze elettromagnetiche protegge tre aspetti contemporaneamente: la conformità alle normative, la sicurezza del prodotto e l'affidabilità del sistema a lungo termine. I problemi di compatibilità elettromagnetica si manifestano inoltre in una fase avanzata, quando una riprogettazione risulta più costosa.
Partiamo dalla fisica. Individuiamo la sorgente del rumore, tracciamo il percorso di accoppiamento e poi scegliamo il filtro. Questa guida è pensata per gli ingegneri hardware e i team di prodotto che ogni giorno si trovano a dover bilanciare la progettazione a livello di scheda con i compromessi di produzione.
Punti chiave
Innanzitutto, individua la sorgente del rumore e il percorso di accoppiamento. Quindi, scegli il filtro appropriato.
Il rumore in modo differenziale richiede un filtro LC. Il rumore in modo comune richiede un induttore e un condensatore Y.
Posizionare i filtri di ingresso sul connettore. Mantenere il ritorno del condensatore Y in cortocircuito con il telaio.
Smorzare ogni stadio LC per prevenire oscillazioni e mantenere stabile il segnale in ingresso.
Eseguire tempestivamente i test di pre-conformità al banco per rilevare le emissioni prima che vengano analizzate in laboratorio.
Fonti di rumore nella conversione CA-CC
Il compromesso tra efficienza di commutazione
Ogni stadio di conversione CA-CC rappresenta un compromesso tra efficienza e rumore. Aumentando la frequenza di commutazione si riducono le dimensioni del trasformatore e le perdite nel nucleo, si riducono anche le perdite. Tuttavia, questa stessa rapidità di commutazione genera brusche variazioni di tensione e corrente. Le rapide variazioni implicano valori elevati di dv/dt e di/dt, che a loro volta alimentano le emissioni condotte e irradiate.
Qui ti trovi di fronte a una vera e propria tensione. Una frequenza di commutazione più elevata migliora la densità di potenza negli alimentatori switching, ma spinge l'energia armonica in bande di frequenza in cui il filtro funziona meno bene. I fronti di salita più lenti attenuano lo spettro EMI, ma consumano più energia nell'interruttore. Dovresti considerare questo aspetto come una variabile di progetto , non come un'impostazione fissa. Scegli contemporaneamente la frequenza di commutazione e la velocità di pilotaggio del gate, quindi verifica lo spettro risultante fin dalle prime fasi.
Lettura del rumore con analisi di Fourier
Una forma d'onda di commutazione è un treno di impulsi periodici. L'analisi di Fourier scompone questo treno in una fondamentale e nelle sue armoniche. Le ampiezze delle armoniche diminuiscono con la frequenza e la pendenza dell'inviluppo dipende dai tempi di salita e discesa. È possibile utilizzare questo principio per prevedere dove si concentreranno le emissioni peggiori prima di realizzare il circuito stampato.
Le frequenze di notch nello spettro derivano dalla trasformata di Fourier del segnale codificato a impulsi. Uno studio ha ricavato queste equazioni di notch per il solo treno di impulsi, non per l'intero convertitore. Le frequenze di notch simulate e misurate corrispondevano strettamente alle equazioni derivate, e gli autori hanno rimandato la derivazione per l'intero convertitore a lavori futuri.
Viene presentata la derivazione teorica delle frequenze di notch, dove le equazioni derivate corrispondono alla trasformata di Fourier dei segnali codificati a impulsi piuttosto che all'intero sistema di conversione. Le frequenze di notch simulate e sperimentali corrispondono strettamente alle equazioni teoriche derivate, mentre la derivazione per il convertitore completo è rimandata a lavori futuri.
Utilizzate questo risultato con cautela. Il modello a treno di impulsi fornisce una prima stima utile per la pianificazione della riduzione del rumore nei convertitori AC/DC. Non cattura tutte le risonanze negli alimentatori switching, quindi confermate la previsione al banco.
Principali meccanismi di accoppiamento per le interferenze elettromagnetiche
Il rumore ha bisogno di un percorso per diventare un problema. È possibile suddividere i principali meccanismi di accoppiamento per le interferenze elettromagnetiche (EMI) in due famiglie. Ogni famiglia agisce a modo suo e ognuna richiede una soluzione diversa.
Percorsi conduttivi e radiativi
L'accoppiamento conduttivo richiede il contatto diretto. La sorgente e il ricevitore condividono un filo, un cavo, una traccia su un circuito stampato o un involucro metallico. Il rumore si propaga quindi lungo tale conduttore come corrente di modo comune o differenziale. L'accoppiamento per irradiazione funziona in modo diverso. La sorgente e il ricevitore agiscono come antenne radio. La sorgente emette un'onda elettromagnetica nello spazio aperto e la vittima la capta.
Percorso di accoppiamento | Meccanismo | Caratteristiche chiave |
|---|---|---|
conduttivo | Percorso di contatto diretto tra sorgente e recettore | Formato tramite linea di trasmissione, filo, cavo, traccia PCB o involucro metallico; il rumore appare come modo comune o modo differenziale sui conduttori |
Irradiato | La sorgente e il ricevitore agiscono come antenne radio | La sorgente emette un'onda elettromagnetica che si propaga nello spazio aperto e viene captata dalla vittima |
Esiste anche l'accoppiamento induttivo, sia capacitivo che magnetico. Consideratelo raro rispetto ai percorsi conduttivi e di irraggiamento. Quando eseguite il debug di una scheda difettosa, verificate l'irraggiamento, la conduzione o l'accoppiamento induttivo o capacitivo, in quest'ordine. I primi due spiegano la maggior parte dei guasti.
Perché l'accoppiamento delle forme di layout
Il layout determina l'intensità di ciascun meccanismo di accoppiamento elettromagnetico (EMI). Un seminario tecnico ha utilizzato un convertitore DC/DC reale, misurato sperimentalmente, per dimostrarlo. Diverse configurazioni del PCB hanno modificato direttamente la risposta EMI del convertitore. Anche il posizionamento e la selezione dei componenti passivi hanno influenzato le prestazioni EMC. Lo stesso seminario ha presentato strategie di filtraggio per soddisfare i limiti della norma CISPR32 Classe B, da 150 kHz a 1 GHz. Tale intervallo dimostra che l'accoppiamento determinato dal layout deve essere gestito congiuntamente al filtraggio.
All'interno del filtro stesso, la prossimità dei componenti è importante:
L'accoppiamento magnetico in campo vicino tra PFC e induttori CM può degradare la perdita di inserzione del filtro EMI.
La disposizione, la schermatura e la progettazione dell'induttore di modo comune riducono l'accoppiamento magnetico in campo vicino e sopprimono il rumore.
L'accoppiamento tra due condensatori in parallelo modifica il comportamento del filtro; l'accoppiamento mutuo negativo può compensare l'induttanza equivalente del condensatore.
In un filtro CLC, il bilanciamento dell'accoppiamento induttivo e capacitivo parassita tra i condensatori ottimizza le prestazioni.
In un filtro a due stadi, un metodo di integrazione con induttori in serie sfrutta l'accoppiamento di campo vicino per migliorare le prestazioni DM a bassa frequenza.
Una buona progettazione riduce le emissioni ancor prima di aggiungere qualsiasi componente filtrante. Prima si corregge la geometria, poi si regola il filtro.
Rumore di modo differenziale vs. rumore di modo comune
Definizione del rumore DM e CM
Non è possibile eliminare il rumore finché non si conosce la modalità che lo veicola. Le due modalità differiscono per direzione, percorso e rimedio.
Il modo comune si riferisce a segnali o rumori che fluiscono nella stessa direzione in una coppia di linee; il modo differenziale (o normale) si riferisce a segnali o rumori che fluiscono in direzioni opposte in una coppia di linee.
Il rumore in modo differenziale si propaga su un conduttore e ritorna sul suo percorso di ritorno. Il rumore in modo comune, invece, si propaga allo stesso modo su entrambe le linee e ritorna attraverso la massa o il telaio. Questa differenza determina quale filtro scegliere.
Aspetto | Rumore in modalità differenziale | Rumore in modalità comune |
|---|---|---|
Definizione | Rumore trasmesso attraverso due conduttori, uno in uscita e uno di ritorno | Corrente di rumore che entra indipendentemente dal percorso di andata/ritorno e scorre nello stesso modo attraverso due conduttori |
Direzione corrente | Direzioni opposte (le correnti si annullano a vicenda); detto anche modo normale | Stessa direzione attraverso entrambi i conduttori |
Propagazione | Rimane all'interno della coppia di linee di alimentazione/segnale | Si diffonde su una vasta area, sebbene a bassi livelli di tensione. |
Origine tipica | Corrente di alimentazione e di segnale | Rumore irradiato che fuoriesce attraverso l'involucro metallico o il pavimento e si propaga ad altre apparecchiature. |
Repressione | Tagliato tramite filtri LC (induttore + condensatore) | I filtri LC non funzionano; è necessario un filtro di modo comune più un condensatore nella sezione di ingresso. |
Un filtro LC da solo non è sufficiente a bloccare le interferenze elettromagnetiche di modo comune . È necessario un induttore di modo comune e un condensatore all'ingresso.
Misurazione del rumore con un LISN
Una rete di stabilizzazione dell'impedenza di linea fornisce un riferimento stabile per le misurazioni del rumore dei convertitori AC/DC. Essa mostra un'impedenza fissa al convertitore e isola la rete elettrica. La rete emette due tensioni, una sulla linea di fase (Vp) e una sulla linea di neutro (Vn). Queste sono correlate alle correnti di modo dalle relazioni Vp = 50(ICM + IDM) e Vn = 50(ICM − IDM), con il valore 50 espresso in ohm. Sommando le due uscite, il termine differenziale si annulla, lasciando il doppio della tensione di modo comune. Sottraendole, il termine di modo comune si annulla, lasciando il doppio della tensione di modo differenziale. Eseguire questa operazione prima della misurazione, poiché l'analizzatore perde le informazioni di fase.
Una sequenza pratica aiuta:
Ricorda che un LISN misura la somma di entrambe le modalità e non è in grado di separarle singolarmente.
Fissare una sonda di corrente RF attorno alla fase e al neutro per misurare la corrente di modo comune.
Instradare i due fili in direzioni opposte attraverso la sonda per misurare la corrente in modalità differenziale; la lettura è superiore di 6 dB.
Mantenersi al di sotto del valore massimo di corrente nominale della sonda.
Confronta entrambe le letture per vedere quale modalità è dominante , quindi dimensiona il filtro.
Questo passaggio indica se aggiungere induttanza DM o condensatori X. Mostra anche quando le emissioni condotte provengono dal percorso di modo comune.
Selezione dei filtri EMI per ingressi CC/CC
Quando si scelgono i filtri EMI per un ingresso DC/DC, la prima cosa da fare è chiedersi quale frequenza di taglio sia necessaria. Impostare la frequenza di taglio LC a circa un decimo della frequenza di commutazione. Un convertitore da 1 MHz richiede quindi una frequenza di taglio di 100 kHz. Con questo intervallo, un filtro EMI passa-basso del secondo ordine ideale fornisce circa 40 dB di attenuazione alla fondamentale. I circuiti stampati reali forniscono meno, spesso intorno ai 30 dB, perché l'induttanza dei condensatori e l'induttanza delle tracce appiattiscono la curva.
Parametro | Obiettivo | Nota pratica |
|---|---|---|
Frequenza di taglio | Circa 1/10 della frequenza di commutazione | Attenuazione ideale di circa 40 dB alla frequenza fondamentale |
Pendenza di attenuazione | 40 dB/decade ideale | I parassiti riducono la pendenza reale |
Valore dell'induttore | Da 0.47 µH a 22 µH | Una minore induttanza riduce la resistenza in corrente continua e le dimensioni |
Da 1 µF a 100 µF | Verificare la tensione nominale e la deriva termica | |
Smorzamento Q | 0.5 a 0.8 | Aggiungere un condensatore di smorzamento pari a 3-4 volte il valore del condensatore di ingresso. |
Nozioni di base sui filtri LC e sulla caduta di tensione
Un singolo stadio passa-basso LC è la scelta più semplice. Un filtro a π o una rete multistadio si adattano a limiti più stringenti o a un'impedenza di sorgente che oscilla molto. Un maggior numero di stadi a condensatori migliora l'attenuazione alle alte frequenze, ma aumenta la corrente di spunto e modifica lo smorzamento. Verificare nuovamente la stabilità dopo aver aggiunto ogni stadio.
Osservate la caduta di tensione continua ai capi dell'induttore. La resistenza in corrente continua (DCR) riduce il margine di sicurezza e un componente progettato per la corrente di picco potrebbe comunque saturarsi in caso di inserimento a caldo. Dimensionate l'induttore in base alla corrente di picco, non alla corrente media. Mantenete breve il circuito ad alto di/dt: posizionate l'induttore vicino ai pin di ingresso del convertitore e fate in modo che la corrente ritorni su un percorso stretto.
Smorzamento per la stabilità e la riduzione del CM
Un filtro non smorzato oscilla. L'impedenza di uscita del filtro deve rimanere ben al di sotto dell'impedenza di ingresso del convertitore su tutta la larghezza di banda del circuito di controllo. Questo è il criterio di Middlebrook, e ignorarlo causa forti cali di tensione, lunghi overshoot e oscillazioni in ingresso. È possibile verificare e scegliere i filtri EMI con questa regola prima di iniziare a saldare.
Esistono diverse opzioni di smorzamento:
I materiali magnetici ad alta perdita (Micrometals Mix-41, 44 e 73) smorzano le risonanze del filtro mentre lasciano passare la corrente fondamentale.
I circuiti di smorzamento mantengono il picco alla frequenza di taglio al di sotto di 2-3 dB, impedendo così l'amplificazione del rumore in test come il MIL-STD-461F/G CS101.
I circuiti di smorzamento RC e lo smorzamento resistivo nei condensatori di filtro stabilizzano la risposta.
Lo smorzamento attivo rappresenta un'altra opzione quando i componenti passivi occupano troppo spazio sulla scheda.
Per verificare lo smorzamento, utilizzare l'analisi della risposta in frequenza, non solo i test nel dominio del tempo. Un compromesso da tenere presente è che aumentare il guadagno dell'anello di retroazione migliora la riduzione del rumore e il filtraggio delle interferenze elettromagnetiche, ma può ridurre il margine di fase se non si compensa adeguatamente. Per il modo comune, aggiungere un induttore e un condensatore Y all'ingresso; uno stadio LC da solo non è sufficiente a eliminarlo. Questi tipi di filtri elettromagnetici lavorano insieme e la giusta combinazione mantiene le emissioni al di sotto del limite.
Progettazione del front-end AC/DC per basse interferenze elettromagnetiche (EMI).
Rettifica, condensatori di massa e limitazione della corrente di spunto
La sezione di ingresso determina il livello di rumore per tutto ciò che segue. Iniziate dal condensatore di filtro . Un condensatore elettrolitico scarico si comporta come un cortocircuito in corrente continua all'accensione. Questo cortocircuito genera una forte corrente di spunto, che sollecita raddrizzatori, fusibili, connettori e il condensatore stesso. Dimensionate il limitatore di corrente di spunto in base all'energia immagazzinata e alla frequenza con cui si ripete, non solo al primo collegamento.
La resistenza equivalente in serie (ESR) di un condensatore varia più della semplice ondulazione. Un'ESR molto bassa può aumentare le correnti di picco del raddrizzatore, quindi è importante bilanciare la scelta del componente con il layout e una piccola resistenza in serie, anziché affidarsi solo al condensatore. Quando si sostituisce un componente, è necessario verificare l'ESR in funzione della frequenza e la riduzione di potenza dovuta all'ondulazione. La corrente di ondulazione e l'ESR determinano la durata del componente, non la sola capacità e la tensione.
Parametro / Scelta | Effetto su Ripple | Effetto sulla corrente di spunto / Sollecitazioni del raddrizzatore | Nota di progettazione |
|---|---|---|---|
ESR del condensatore (troppo basso) | Modifica l'ondulazione in uscita; interagisce con l'ESL per l'accoppiamento ronzio/rumore | Un valore di ESR molto basso può aumentare le correnti di picco del raddrizzatore. | Bilanciamento tramite layout e resistenze in serie di piccolo tipo opzionali |
ESR del condensatore (diverso dall'originale) | Modifica l'ondulazione in uscita e la stabilità del circuito di controllo. | Modifica il comportamento di spunto | Verifica ESR in funzione della frequenza e del declassamento dell'ondulazione |
Valore della corrente di Ripple | I prodotti sostitutivi con una valutazione inferiore potrebbero surriscaldarsi e invecchiare più rapidamente. | - | La corrente di ripple e la SR determinano la sopravvivenza |
Capacità di massa | - | Un elettrolitico scarico si comporta come un cortocircuito in corrente continua all'accensione. | Utilizzare un NTC, un limitatore attivo o una resistenza/relè di precarica. |
Posizionamento del raddrizzatore/nodo di ritorno | Posizionare il condensatore vicino al raddrizzatore riduce l'accoppiamento di ondulazione. | - | La messa a terra a stella e il filtraggio RC/LC aiutano i binari sensibili |
Condensatori in parallelo | Aumenta la capacità di propagazione delle onde e riduce l'ESR effettivo. | - | Il percorso simmetrico del rame e le aree ad anello corrispondenti condividono la corrente in modo uniforme |
Posizionare il condensatore di massa vicino al raddrizzatore e al nodo di ritorno. La messa a terra a stella e il filtraggio RC o LC sui binari sensibili riducono il ronzio e l'accoppiamento del rumore. Il collegamento in parallelo dei condensatori aumenta la capacità di ripple e riduce l'ESR effettiva, a condizione che il rame sia instradato uniformemente e che le aree dei loop siano bilanciate in modo che la corrente si distribuisca equamente.
Per la corrente di spunto, un termistore NTC è economico e semplice, ma si surriscalda e spreca energia dopo l'avvio. La limitazione attiva costa di più e richiede una logica di controllo, ma elimina le perdite a regime. Prima di decidere, valuta il margine termico rispetto al costo dei materiali e alla complessità di assemblaggio.
PFC, condensatori Y e induttori CM
Uno stadio PFC aggiunge un proprio rumore di commutazione al convertitore principale. La sua frequenza di commutazione e le sue armoniche interagiscono con il filtro di ingresso, quindi è necessario considerare il PFC e il filtro come un unico problema di progettazione. Verificare la frequenza di taglio del filtro rispetto alla frequenza di commutazione del PFC, quindi confermare l'attenuazione al banco.
I condensatori di sicurezza sono posizionati nel filtro EMI all'ingresso dell'alimentatore, spesso accanto agli induttori in ferrite sul cavo di ingresso e agli induttori di modo comune o differenziale negli stadi di filtraggio. I condensatori di classe Y gestiscono il rumore di modo comune fornendo un punto di shunt condiviso verso terra. Per un ingresso CA a un alimentatore CC, un condensatore di classe Y collega la linea a terra e un altro collega il neutro a terra.
I condensatori a Y sono progettati per filtrare il rumore di modo comune e sono collegati tra la linea e il telaio. I prodotti front-end CA utilizzano un filtro di ingresso integrato composto da un induttore di modo comune insieme a condensatori a Y e condensatori a X.
Componente
Posizionamento (connessione)
Ruolo nel filtraggio EMI
Condensatori Y (CY)
Linea-terra e neutro-terra
Filtrare il rumore di modo comune
Induttori di modo comune (L1, L2)
In serie su Linea e Neutro
Fornire induttanza per il filtraggio di modo comune
Condensatori X (CX)
Linea-neutro
Filtrare il rumore in modalità differenziale
Posizionate l'induttore di modo comune prima dei condensatori Y nel percorso della corrente e mantenete il ritorno del condensatore Y corto e diretto al telaio. Tracce di ritorno lunghe aumentano l'induttanza e compromettono lo shunt. Questa configurazione è fondamentale per una progettazione a bassa emissione elettromagnetica (EMI) negli alimentatori AC/DC a commutazione, ed è di primaria importanza quando si scelgono i filtri EMI per limiti stringenti. Le buone prestazioni EMI condotte nei convertitori AC/DC dipendono tanto da questa geometria del front-end quanto dai valori dei componenti. Considerate la conversione AC-DC come una catena: raddrizzatore, stadio di potenza, PFC e infine filtri. Ogni anello influenza le emissioni che è necessario sopprimere.
Scelta della topologia e del trasformatore
Flyback vs. LLC: compromessi di risonanza
La topologia che scegli determina il livello di rumore ancor prima di selezionare il filtro. Un trasformatore flyback fa parte della famiglia di transistor PWM a commutazione rigida. Il transistor si attiva mentre è ancora presente una tensione elevata ai suoi capi. La capacità parassita si carica fino a raggiungere tale tensione e poi scarica la sua energia attraverso il transistor all'accensione. Tale energia viene dissipata sotto forma di calore e di interferenze elettromagnetiche (EMI).
Un convertitore risonante LLC funziona in modo diverso. Il suo circuito risonante allinea l'accensione con le forme d'onda naturali di tensione e corrente, in modo che l'interruttore veda una tensione pari a zero (ZVS). La commutazione dolce riduce le perdite di scarica capacitiva. Il risultato è una migliore compatibilità elettromagnetica ad alti livelli di potenza, dove un convertitore flyback a commutazione brusca ha difficoltà.
Attributo | Volo di ritorno | LLC Risonante |
|---|---|---|
Modalità di commutazione | Commutazione brusca sotto tensione applicata | Commutazione dolce tramite circuito risonante (ZVS) |
perdita di accensione | Energia capacitiva scaricata sotto forma di calore ed emissione | Commutazione sincronizzata con le forme d'onda naturali |
Implicazioni EMI | Peggioramento ad alta frequenza e alta tensione | Perdite ridotte, compatibilità migliorata |
Compromesso di progettazione | Regolamentazione più semplice | EMI migliore, regolamentazione più complessa |
Il vantaggio offerto dal convertitore LLC si paga con un controllo più complesso. La regolazione della potenza in uscita richiede solitamente la modulazione di frequenza mentre il progetto mantiene la commutazione a tensione zero (ZVS). Scegliete il convertitore flyback per basse potenze e un controllo semplice. Scegliete il convertitore LLC quando efficienza ed emissioni sono importanti ad alte potenze.
Progettazione del trasformatore e feedback dell'optoaccoppiatore
Il trasformatore si comporta tanto come un'antenna quanto come un componente magnetico. La disposizione degli avvolgimenti nella finestra influisce direttamente sull'induttanza di dispersione e sulla capacità parassita, entrambe in grado di influenzare le interferenze elettromagnetiche e l'efficienza. Un avvolgimento a strati compatti riduce al minimo la dispersione, diminuendo di conseguenza l'energia che il circuito di smorzamento o di blocco deve assorbire. Anche l'avvolgimento a strati incrociati intensifica l'accoppiamento, ma può aumentare la capacità.
La capacità tra gli avvolgimenti accoppia il rumore di modo comune attraverso la barriera di isolamento. Un'elevata capacità compromette le prestazioni in modalità comune e sovraccarica i filtri EMI. Una struttura a sandwich (primario-secondario-primario) riduce le perdite, sebbene renda l'isolamento più difficile. Spesso, per rispettare i limiti di emissione condotta e irradiata, si rendono necessari avvolgimenti di schermatura e induttori di modo comune.
Nota: scegli il diametro del filo con attenzione. Un diametro inferiore riduce la capacità parassita e l'effetto pelle, ma comporta una maggiore densità di corrente.
Il circuito di retroazione dell'optoaccoppiatore si chiude attraverso la stessa barriera. Mantieni l'optoaccoppiatore e la sua rete di compensazione lontani dal nodo di commutazione e fai in modo che la traccia di retroazione non passi attraverso l'intercapedine del trasformatore. Il rumore che si accoppia al percorso di retroazione si manifesta come jitter, e il jitter diffonde lo spettro EMI in modi per cui il filtro non è stato ottimizzato. Nella conversione AC-DC, considera il trasformatore, la barriera e il circuito di retroazione come un unico problema di layout.
Strategie di progettazione EMC e EMI per il layout
Posizionamento del filtro e percorsi della corrente ad alta frequenza
Una buona strategia di progettazione EMC e EMI inizia dal percorso di ritorno. La corrente ad alta frequenza segue il percorso di minore impedenza, non quello disegnato sullo schema. Assegnando a tale corrente un solido piano di massa, essa rimarrà al di sotto della traccia. Evitate le scissioni di massa sotto le tracce ad alta frequenza. Se non è possibile evitare una scissione, collegatela con un condensatore di transizione.
Posiziona i filtri di ingresso direttamente sul connettore, prima che il rumore si propaghi su tutta la scheda. Tieni i regolatori di commutazione lontani dalle sezioni RF e analogiche. Mantieni le tracce ad alta frequenza corte e utilizza curve a 45 gradi o curve invece di angoli a 90 gradi.
Strategia di layout | Pratica chiave | Guida |
|---|---|---|
Piano di terra solido | Dare uno strato completo al terreno | Mantiene la corrente di ritorno sotto la traccia |
Spaccature del terreno | Colma le lacune con condensatori di collegamento | Cucitura dei condensatori attraverso lo spazio |
Tracce di guardia | Linee sensibili laterali, messa a terra con vie | Vias distanziate di λ/20; diafonia ridotta fino a ~20 dB |
Il disaccoppiamento | Componenti in ceramica a bassa ESL in prossimità dei pin di alimentazione | 0.01–0.1 µF entro 1–2 mm dai pin |
Impedenza controllata | Adattare l'impedenza della traccia al sistema | 50 Ω per RF; FR-4εr ≈ 4.2 |
Quando si scelgono i filtri EMI, è importante verificare la posizione del componente, non solo i suoi valori. Un filtro posizionato dopo una traccia lunga capta il rumore già irradiato dalla traccia stessa. Testare i filtri EMI sulla scheda reale, con il percorso di ritorno effettivo. Il filtraggio funziona solo se il condensatore di shunt ha un percorso breve e diretto verso massa.
Nota: un condensatore di disaccoppiamento posizionato lontano dal pin aggiunge induttanza e perde il suo effetto alle alte frequenze.
Distanza di scorrimento, gioco e spaziatura secondo la norma IEC 62368
La distanza di sicurezza limita la disposizione dei filtri prima ancora che lo facciano le prestazioni elettriche. La norma IEC 62368 stabilisce la distanza di isolamento superficiale e la distanza di sicurezza che devono essere mantenute attraverso la barriera di isolamento. I condensatori a stella e gli induttori di modo comune si trovano proprio su tale barriera. I loro pad, piste e slot devono rispettare la distanza richiesta.
Misurare la distanza di isolamento superficiale e la distanza attraverso l'aria. Una fessura ricavata nella scheda aumenta la distanza di isolamento superficiale senza aggiungere altezza. Instradare il ritorno del condensatore Y direttamente al telaio ed evitare la presenza di altre tracce in quella zona. Verificare nuovamente la spaziatura dopo aver spostato un componente del filtro per le emissioni. Un layout che rispetta i limiti di conduzione può comunque non superare un controllo di sicurezza.
Standard, limiti e preconformità
Limiti di emissione condotta e irradiata secondo CISPR 32 e EN 55032
Le norme CISPR 32 e EN 55032 definiscono i limiti di emissione da rispettare per le apparecchiature multimediali. La norma copre sia le emissioni condotte che quelle irradiate. I limiti per le emissioni condotte si applicano da 9 kHz a 30 MHz per le apparecchiature commerciali. I limiti per le emissioni irradiate si applicano da 30 MHz in su. Il vostro stadio di ingresso CA/CC è collegato alla rete elettrica, quindi è soggetto al limite di emissione condotta completo. Uno stadio CC/CC a valle vede una sorgente più silenziosa, ma il rumore di commutazione si propaga comunque attraverso il convertitore. Considerate l'ingresso CA come il punto di prova più rigoroso.
Il LISN da utilizzare dipende dal tipo di ingresso. Le reti CA commerciali richiedono una rete da 50 μH + 5 Ω || 50 Ω, come ad esempio il Tekbox TBLC08. Le applicazioni automobilistiche in corrente continua utilizzano una rete da 5 μH || 50 Ω, come ad esempio il Tekbox TBOH01. Entrambe forniscono letture ripetibili senza camera anecoica.
Test di preconformità al banco
Una procedura di lavoro di laboratorio consente di individuare la maggior parte dei problemi prima di una visita in laboratorio. Segui questi passaggi:
Identificare lo standard di riferimento, ad esempio CISPR 32 o EN 55032.
Configurare un analizzatore di spettro con un preamplificatore, un set di sonde per campo vicino e un LISN sopra un ampio piano di massa.
Scansiona la scheda e i cavi con sonde di campo vicino per individuare i punti caldi.
Correggi il layout, la schermatura o il filtraggio, quindi esegui nuovamente il test e confronta i risultati.
Invia la richiesta di certificazione non appena il margine appare sicuro.
Le sonde di campo vicino funzionano solo a distanza ravvicinata, pochi centimetri. Forniscono letture relative, quindi vanno utilizzate per localizzare le sorgenti, non per verificare i limiti. Un limitatore di transitori è indispensabile. I transitori di accensione CA possono scaricare fino a ±325 V nei diodi del mixer con una portata nominale da +20 dBm a +30 dBm RF. Un limitatore come il Tekbox TBFL1 limita l'uscita a +11 dBm in caso di sovraccarichi di 5 W.
Le distanze di sicurezza previste dalla norma IEC 62368 vincolano questo lavoro. I terminali del condensatore Y e le piste dell'induttore di modo comune devono rispettare la distanza di isolamento e la distanza di sicurezza richieste. Verificare nuovamente la distanza dopo ogni sostituzione del filtro.
Compromessi termici, di involucro e di producibilità.
Effetti del calore, della schermatura e dell'involucro
Il calore e la schermatura occupano entrambi lo stesso spazio all'interno di un convertitore. Il design dell'involucro, il flusso d'aria e la posizione dei componenti influiscono sulla temperatura raggiunta. È necessario verificare il declassamento all'interno dell'involucro finale, non su un banco aperto. Un componente che rimane fresco sul banco può superare la temperatura nominale una volta chiuso l'involucro.
Il funzionamento continuo o in ambienti ostili richiede un margine termico aggiuntivo . Tale margine copre l'invecchiamento, l'accumulo di polvere e le condizioni peggiori. In contenitori di piccole dimensioni con flusso d'aria limitato, anche piccole perdite di efficienza possono ridurre significativamente la potenza utilizzabile. Pianificate il budget termico prima di definire il progetto meccanico.
La schermatura influisce direttamente sulle interferenze elettromagnetiche (EMI). Un modulo montato su scheda si trova spesso vicino ai connettori di ingresso. Una schermatura insufficiente permette alle interferenze irradiate di generare rumore condotto su tali connettori. Gli involucri in plastica dei moduli solitamente non offrono alcuna schermatura. Un kit di custodia opzionale può ridurre le emissioni che si accoppiano ai conduttori dell'alimentatore. È importante combinare accorgimenti meccanici ed elettrici: schermatura, layout accurato, aree di loop ridotte e piani di massa solidi, oltre a filtraggio, disaccoppiamento, smorzamento e bypass. Questa combinazione consente di raggiungere gli obiettivi di conformità, come ad esempio la norma EN 55022 Classe B.
Vincoli DFM sui componenti del filtro
I vostri filtri EMI devono superare la linea di assemblaggio , non solo il laboratorio. Gli induttori di modo comune con filo sottile si rompono durante la manipolazione. I condensatori X di grandi dimensioni necessitano di zone di esclusione che contrastino con il layout. Scegliete componenti con ingombro standard e confezionamento in bobina. Assicuratevi che la macchina di posizionamento sia in grado di gestire le dimensioni e il peso del corpo.
I componenti di smorzamento aumentano i costi e le fasi di rifusione. Un condensatore di smorzamento con una capacità da tre a quattro volte superiore a quella del condensatore di ingresso occupa più spazio sul circuito stampato e potrebbe richiedere un dielettrico diverso. Verificare il profilo di saldatura per ogni componente aggiunto. Chiedere al produttore informazioni sul rischio di "tombstoning" (effetto crepaccio) per i piccoli condensatori in prossimità di grandi masse termiche.
I punti di test e i pad di regolazione sono utili durante le attività di pre-conformità. Tuttavia, aumentano i costi in caso di produzione in grandi quantità. Decidete fin da subito quali pad mantenere e quali rimuovere. Mantenete stabile la configurazione del filtro tra le diverse revisioni, poiché lo spostamento di un pad modifica l'accoppiamento parassita e altera i risultati ottenuti. Ogni modifica al filtro deve essere considerata come una modifica di progetto che richiede una nuova scansione al banco.
Iniziate dal tipo di rumore e dal percorso di accoppiamento. Quindi scegliete e posizionate i filtri corrispondenti. Questo ordine vi evita di procedere per tentativi.
Tre abitudini sono fondamentali. Smorzare ogni stadio LC in modo che l'ingresso rimanga stabile. Rispettare i limiti di spaziatura del condensatore Y e della norma IEC 62368, anche dopo aver spostato un componente. Eseguire i test di pre-conformità al banco in anticipo, in modo che le emissioni condotte siano rilevabili prima che vengano rilevate in laboratorio.
Considerate EMI come un'attività iterativa a livello di scheda, non come una soluzione successiva a un guasto:
Definire gli obiettivi EMC durante la configurazione.
Eseguire test incrementali con un analizzatore di spettro e sonde di campo vicino.
Regolare solo le frequenze difettose.
Valutate attentamente i compromessi di produzione fin dalle prime fasi. La schermatura ostacola la dissipazione del calore e le strutture a passo fine aumentano i costi. Coinvolgete il progettista del filtro e il fornitore di PCB nella revisione della conversione AC-DC. Anche piccole modifiche ai requisiti possono imporre una riprogettazione completa.
FAQ
Quale modalità di rilevamento del rumore dovresti controllare per prima quando una scansione fallisce?
Separa le modalità prima di intervenire su un componente. Fissa una sonda di corrente RF tra fase e neutro per misurare la corrente di modo comune. Fai passare i due fili in direzioni opposte attraverso la sonda per misurare la corrente di modo differenziale. Confronta le due letture, quindi dimensiona il filtro EMI per la modalità dominante.
Perché uno stadio LC non riesce a sopprimere il rumore di modo comune?
La corrente di modo differenziale fluisce in uscita su un conduttore e ritorna sull'altro. La corrente di modo comune fluisce allo stesso modo su entrambe le linee e ritorna attraverso il telaio o la terra. Uno stadio LC mette in parallelo solo il primo percorso. Per sopprimere il secondo, è necessario un induttore di modo comune e un condensatore a stella all'ingresso.
Come si fa a evitare che un filtro emetta suoni o oscilli?
Mantenere l'impedenza di uscita del filtro ben al di sotto dell'impedenza di ingresso del convertitore su tutta la larghezza di banda dell'anello di controllo. Questo è il criterio di Middlebrook. Aggiungere smorzamento in modo che il picco alla frequenza di taglio rimanga basso e verificare la risposta con un'analisi della risposta in frequenza anziché con la sola analisi nel dominio del tempo.
Dove dovrebbero essere posizionati i filtri di ingresso sulla scheda?
Posizionali sul connettore, prima che il rumore si propaghi sulla scheda. Mantieni il ritorno del condensatore Y corto e diretto al telaio. Un condensatore in parallelo necessita di un percorso stretto verso massa, altrimenti l'induttanza della traccia ne compromette l'effetto. Testa i filtri sulla scheda reale con il percorso di ritorno effettivo.
