Mempercepat Desain Filter EMI untuk Catu Daya Mode Sakelar

Pendahuluan Catu daya mode sakelar digunakan di seluruh sistem elektronik modern terutama karena konversi daya efisiensi tinggi. Salah satu efek samping dari proliferasi pasokan switch-mode adalah kebisingan yang mereka hasilkan. Ini biasanya disebut sebagai interferensi elektromagnetik (EMI), kebisingan EMI, atau hanya kebisingan. Misalnya, arus sakelar sisi input dari konverter buck tipikal adalah arus berdenyut yang kaya akan konten harmonik. Pengaktifan dan penonaktifan transistor daya yang cepat menciptakan gangguan aliran arus secara tiba-tiba, menghasilkan dering dan lonjakan tegangan frekuensi tinggi. Masalahnya adalah kebisingan frekuensi tinggi dapat digabungkan ke perangkat lain dalam sistem, menurunkan kinerja sirkuit sinyal analog atau digital yang sensitif. Karena itu, banyak standar telah muncul untuk menetapkan batas yang dapat diterima pada EMI. Untuk memenuhi batas ini untuk pasokan mode sakelar, pertama-tama seseorang harus mengukur kinerja EMI-nya dan, jika perlu, menambahkan penyaringan EMI input yang tepat untuk melemahkan EMI. Sayangnya, analisis EMI dan desain filter dapat menjadi tugas yang sulit, biasanya memerlukan proses berulang desain, pembuatan, pengujian, dan desain ulang yang memakan waktu—yaitu, dengan asumsi seseorang memiliki peralatan pengujian yang tepat. Untuk mempercepat proses desain filter EMI agar memenuhi spesifikasi EMI, artikel ini menunjukkan bagaimana analisis kebisingan EMI dan desain filter dapat dengan mudah diperkirakan dan dibuat sebelumnya menggunakan program LTpowerCAD® ADI. Berbagai Jenis EMI: Kebisingan Terpancar dan Konduksi, Mode Umum, dan Mode Diferensial Ada dua jenis utama EMI: terpancar dan terkonduksi. Dalam suplai mode sakelar, EMI yang diradiasikan biasanya dibangkitkan oleh noise dv/dt yang tinggi pada node switching. Standar industri untuk emisi radiasi biasanya mencakup pita frekuensi dari 30 MHz hingga 1 GHz. Pada frekuensi ini, EMI terpancar dari regulator switching diproduksi terutama dengan mengalihkan dering dan lonjakan tegangan, dan dapat sangat bergantung pada tata letak papan PCB. Selain apa yang secara inheren dibangun ke dalam praktik tata letak yang baik, hampir tidak mungkin untuk secara tepat memprediksi berapa banyak EMI terpancar yang akan ditransmisikan oleh pasokan mode sakelar "di atas kertas." Seseorang hanya perlu membuat papan dan mengukur EMI-nya di lab EMI yang dirancang dengan cukup baik untuk mengukur tingkat kebisingan yang terpancar. EMI yang dilakukan dihasilkan dari perubahan cepat dalam arus input yang dilakukan regulator switching, termasuk noise mode umum (CM) dan mode diferensial (DM). Batasan standar industri untuk emisi yang dilakukan biasanya mencakup rentang frekuensi yang lebih rendah daripada emisi yang dipancarkan, yaitu dari 150 kHz hingga 30 MHz. Gambar 1 menunjukkan jalur konduksi generik dari noise mode umum dan mode diferensial dari catu daya dc-ke-dc (DUT di lab EMI). Untuk mengukur EMI input yang dilakukan, jaringan stabilisasi impedansi saluran (LISN) ditempatkan pada input regulator, memberikan impedansi sumber input standar. Kebisingan yang dilakukan CM diukur antara setiap jalur input dan ground bumi. Kebisingan CM dihasilkan pada node switching dv/dt tinggi, berpasangan melalui kapasitansi PCB parasit perangkat, CP, ke ground bumi, kemudian berjalan ke input suplai LISN. Seperti EMI yang terpancar, dering node switching frekuensi tinggi dan kapasitansi parasit tidak dapat dengan mudah dan akurat dimodelkan dalam desain kertas. Kebisingan DM diukur secara berbeda antara dua jalur input. Kebisingan yang dilakukan DM muncul dari arus input di/dt yang tinggi dan berdenyut dari suplai mode sakelar. Gambar 1. Gambaran konseptual pengukuran berbasis LISN dari mode diferensial dan mode umum yang dilakukan EMI dari suplai mode sakelar. Gambar 2 menunjukkan plot kebisingan EMI tipikal dari mode sakelar, pasokan uang step-down tanpa filter EMI input. Lonjakan EMI yang paling signifikan terjadi pada frekuensi switching suplai, diikuti oleh lonjakan tambahan pada frekuensi harmoniknya. Gambar 2 menunjukkan plot EMI di mana nilai puncak lonjakan ini melebihi batas CISPR 22 EMI. Untuk memenuhi standar, filter EMI diperlukan untuk melemahkan EMI mode diferensial. Gambar 2. Plot EMI tipikal dari suplai uang mode sakelar tanpa filter EMI input. Filter EMI Terkonduksi Mode Diferensial Gambar 3 menunjukkan filter noise EMI yang dilakukan mode diferensial tipikal pada sisi input dari suplai mode sakelar. Dalam hal ini, kami telah menambahkan jaringan LfCf low-pass orde pertama sederhana antara kapasitor input lokal suplai CIN (sisi sumber kebisingan EMI) dan sumber input (sisi penerima LISN). Ini cocok dengan pengaturan uji lab EMI standar, di mana jaringan LISN dimasukkan pada sisi kapasitor filter Cf dari filter LC. Sinyal diferensial melintasi resistor LISN R2 diukur oleh penganalisis spektrum untuk mengukur derau EMI yang dilakukan DM. Gambar 4 menunjukkan plot penguatan atenuasi filter LC. Pada frekuensi yang sangat rendah, induktor memiliki impedansi rendah, pada dasarnya korsleting, sedangkan kapasitor impedansi tinggi, pada dasarnya rangkaian terbuka. Keuntungan filter LC yang dihasilkan adalah 1 (0 dB), memungkinkan dc untuk melewati tanpa redaman. Saat frekuensi naik, lonjakan penguatan muncul pada frekuensi resonansi LfCf. Saat frekuensi naik di atas frekuensi resonansi, filter melemah pada laju -40 dB/dekade. Pada frekuensi yang relatif lebih tinggi, penguatan filter semakin menjadi fungsi komponen parasit: yaitu, ESR dan ESL kapasitor filter dan kapasitansi paralel induktor filter. Karena kemampuan filter ini untuk melemahkan dengan cepat meningkat di atas frekuensi, besarnya beberapa harmonik noise frekuensi rendah pertama sangat menentukan ukuran filter EMI—di mana komponen fundamental dari frekuensi switching suplai (fSW) adalah target yang paling signifikan. Oleh karena itu, kami dapat fokus pada penguatan frekuensi filter EMI yang lebih rendah dalam upaya memenuhi standar industri. Gambar 3. Filter noise EMI mode diferensial (dari Node B ke Node A). Gambar 4. Penguatan penyisipan filter LC EMI tunggal tipikal vs. plot frekuensi. LTpowerCAD Dapat Memprediksi Kinerja Filter Spesifik Pasokan LTpowerCAD adalah alat bantuan desain catu daya yang dapat diunduh tanpa biaya di analog.com/LTpowerCAD. Program ini dirancang untuk memungkinkan para insinyur merancang dan mengoptimalkan parameter catu daya lengkap dalam beberapa langkah sederhana dan dalam beberapa menit. LTpowerCAD memimpin pengguna melalui seluruh pemilihan catu daya dan proses desain, dimulai dengan spesifikasi catu daya pengguna. Dari sana, LTpowerCAD mempersempit rentang solusi yang sesuai dan kemudian membantu dalam pemilihan komponen tahap daya, serta mengoptimalkan efisiensi suplai, kompensasi loop desain, dan respons transien beban. Fitur yang kami minati di sini adalah alat desain filter EMI input LTpowerCAD, yang memungkinkan seorang insinyur memperkirakan dengan cepat mode diferensial yang dilakukan EMI dan menentukan komponen filter apa yang mungkin diperlukan untuk memenuhi standar EMI. Alat filter LTpowerCAD dapat secara signifikan mengurangi waktu dan biaya desain dengan menghasilkan hasil yang realistis—sebelum satu papan sirkuit dibuat dan diuji. Desain Filter EMI di Ikhtisar LTpowerCAD Mari kita lihat contoh desain filter EMI DM. Gambar 5 menunjukkan halaman desain skema LTpowerCAD, menunjukkan pemilihan komponen untuk suplai menggunakan konverter buck LTC3833, beroperasi dengan input 12 V dan output 5 V/10 A, berjalan pada frekuensi switching 1 MHz, fSW. Sebelum merancang filter EMI, rancang konverter buck dengan memilih frekuensi switching, induktor tahap daya, kapasitor, dan FET. Gambar 5. Halaman desain skema LTpowerCAD dan ikon alat EMI terintegrasi. Setelah komponen tahap daya dipilih, klik ikon desain EMI untuk membuka jendela alat filter DM EMI terintegrasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Jendela desain EMI menunjukkan jaringan filter input terperinci, LfCf, antara kapasitor input catu daya CINB/CINC dan sumber LISN. Ada sirkuit redaman opsional, seperti jaringan CdA/RdA di sisi LISN, jaringan CdB/RdB di sisi kapasitor input suplai, dan resistor redaman opsional RfP melintasi induktor filter Lf. Estimasi plot kebisingan EMI yang dilakukan dan batas standar EMI yang dipilih muncul di sisi kanan Gambar 6. Gambar 6. LTpowerCAD melakukan jendela desain filter EMI DM (Lf = 0, tanpa filter). Memilih standar EMI Saat mendesain filter EMI, Anda pasti ingin melihat target desain—yaitu, standar EMI itu sendiri. LTpowerCAD mencakup plot bawaan untuk CISPR 22 (untuk peralatan IT), CISPR 25 (untuk perangkat otomotif), dan standar MIL-STD-461G. Cukup pilih standar yang Anda inginkan dari menu tarik-turun Spesifikasi EMI. Misalnya, pada Gambar 6, nilai induktor filter diatur pada 0 untuk menunjukkan hasil EMI desain tanpa filter input. EMI melonjak pada frekuensi fundamental dan harmonik, semuanya melebihi batas CISPR 25 yang ditampilkan, menghasilkan peringatan merah pada tampilan skema EMI vs. Spesifikasi. Mengatur Parameter Filter EMI Setelah memilih standar EMI yang diinginkan, masukkan margin EMI yang diinginkan—berapa jarak yang Anda inginkan antara batas standar yang dipilih dan nilai puncak fundamental. Margin 3 dB hingga 6 dB umumnya merupakan titik awal yang baik. Dari pilihan ini, untuk kapasitor filter tertentu, Cf, dan kondisi operasi suplai, program menghitung nilai induktor filter yang disarankan, L sug., ditunjukkan dalam sel kuning di LTpowerCAD. Masukkan nilai induktor di sel L sedikit lebih besar dari nilai yang disarankan untuk memenuhi batas EMI dengan margin yang diinginkan. Dalam contoh ini, Gambar 7 menunjukkan alat desain yang merekomendasikan induktansi filter 0.669 H, bersama dengan induktansi 0.72 H yang dimasukkan untuk memenuhi persyaratan. Manfaat filter dapat dieksplorasi dengan membandingkan hasil dengan dan tanpa filter. Aktifkan opsi Tampilkan EMI Tanpa Filter Input untuk melihat hasil yang difilter dihamparkan di atas plot tanpa filter abu-abu. Ada detail penting dalam memilih kapasitor filter Cf. Jika kapasitor keramik multilayer (MLCC) dengan jenis bahan dielektrik X5R, X7R, dll, nilai kapasitansinya dapat turun secara signifikan dengan tegangan bias dc. Karena itu, selain kapasitansi nominal LTpowerCAD, C(nom), pengguna juga harus memasukkan kapasitansi sebenarnya di bawah tegangan bias dc yang diterapkan (VINA atau VINB). Kurva penurunan dapat ditemukan dari lembar data vendor kapasitor. Jika kapasitor MLCC dipilih dari perpustakaan LTpowerCAD, penurunannya dengan tegangan bias dc secara otomatis diperkirakan oleh program. Variasi komponen lain muncul pada induktor filter input, yang dapat memiliki induktansi nonlinier karena saturasinya dengan arus searah. Nilai induktansi dapat turun secara nyata dengan meningkatnya arus beban, terutama untuk jenis induktor manik ferit. Pengguna harus memasukkan induktansi nyata untuk menghasilkan prediksi EMI yang akurat. Gambar 7. Pilih nilai induktor filter untuk memenuhi batas standar EMI. Periksa Gain Atenuasi Filter Pada Gambar 7 plot EMI dengan filter input ada lonjakan kebisingan karena resonansi filter input LC pada 245 kHz, frekuensi yang lebih rendah dari frekuensi switching suplai. Gambar 8 menunjukkan plot penguatan redaman filter menggantikan hasil EMI di jendela LTpowerCAD EMI (klik tab Filter Attenuation), memperlihatkan penguatan redaman resonansi filter pada 245 kHz. Dalam beberapa kasus, puncak resonansi LC dapat menghasilkan lonjakan yang melebihi standar EMI. Untuk melemahkan puncak resonansi ini, sepasang komponen redaman opsional CdA dan RdA dapat ditambahkan secara paralel dengan kapasitor filter Cf. Selain menampilkan plot redaman, LTpowerCAD menyederhanakan proses pemilihan untuk komponen ini. Secara umum, pilih kapasitansi redaman, CdA, yaitu sekitar dua hingga empat kali nilai Cf filter sebenarnya. LTpowerCAD akan menyarankan nilai RdA resistor redaman untuk menekan puncak resonansi. Gambar 8. Penguatan redaman filter EMI (dengan dan tanpa redaman di sisi LISN). Periksa Impedansi Filter dan Impedansi Input Pasokan Saat menambahkan filter EMI input di depan suplai mode sakelar, impedansi output filter, ZOF, dapat berinteraksi dengan impedansi input suplai, ZIN, yang menyebabkan osilasi yang tidak diinginkan. Untuk menghindari situasi yang tidak stabil ini, besarnya impedansi keluaran filter EMI, ZOF, harus jauh lebih rendah daripada besarnya impedansi masukan suplai, ZIN, dengan margin yang cukup. Gambar 9 menunjukkan konsep ZOF dan ZIN dan margin stabilitas di antara keduanya. Untuk menyederhanakan masalah, catu daya yang ideal dengan bandwidth loop umpan balik yang tinggi dapat diperlakukan sebagai beban daya yang konstan; yaitu, tegangan input VIN kali arus input konstan. Ketika tegangan input meningkat, arus inputnya berkurang. Oleh karena itu, catu daya yang ideal memiliki impedansi input negatif ZIN = –(VIN2)/PIN. Untuk memudahkan merancang filter input, LTpowerCAD menampilkan impedansi output filter ZOF dan impedansi input suplai ZIN pada plot impedansi yang ditunjukkan pada Gambar 10. Perhatikan bahwa impedansi input suplai adalah fungsi dari tegangan input dan daya input. Kasus terburuk, yaitu tingkat impedansi terendah, terjadi pada kondisi VIN minimum dan PIN maksimum. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10, impedansi keluaran filter EMI memiliki titik puncak pada frekuensi resonansi yang disebabkan oleh induktor filter Lf dan kapasitor input suplai CIN. Dalam desain yang baik, besarnya puncak ini harus lebih rendah dari ZIN kasus terburuk, dengan margin yang cukup. Jika perlu mengurangi level puncak ini, ada sepasang komponen redaman opsional lainnya, kapasitor CdB dan resistor RdB, secara paralel dengan kapasitor input suplai CIN. Jaringan redaman sisi CIN ini dapat secara efektif mengurangi puncak ZOUT. Nilai CdB dan RdB yang disarankan disediakan oleh alat LTpowerCAD EMI. Gambar 9. Periksa impedansi keluaran filter EMI dan impedansi masukan suplai untuk stabilitas. Gambar 10. Plot impedansi filter LTpowerCAD EMI (dengan dan tanpa redaman). Akurasi alat filter LTpowerCAD EMI Keakuratan alat filter LTpowerCAD EMI dapat dilihat dengan menjalankan desain LTpowerCAD terhadap papan nyata, uji EMI lab. Gambar 11 menunjukkan hasil perbandingan di mana pengujian dunia nyata dilakukan menggunakan papan demo supply buck LTC3851 yang dimodifikasi berjalan pada 750 kHz dengan tegangan input 12 V, tegangan output 1.5 V, dan arus beban 10 A. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11, data EMI yang diuji dan data EMI model LTpowerCAD cocok untuk puncak kebisingan frekuensi yang lebih rendah, sementara puncak yang diuji di dunia nyata beberapa dB lebih rendah daripada puncak EMI yang dimodelkan. Ada ketidaksesuaian yang lebih besar pada puncak kebisingan frekuensi yang lebih tinggi, tetapi ini kurang penting karena ukuran filter EMI yang dilakukan DM terutama ditentukan oleh lonjakan kebisingan frekuensi yang lebih rendah. Beberapa perbedaan ini disebabkan oleh keakuratan model parasit induktor dan kapasitor, termasuk nilai parasit tata letak PCB; akurasi yang melampaui apa yang mungkin dalam alat desain berbasis PC, untuk saat ini. Gambar 11. Lab papan nyata diukur vs. EMI perkiraan LTpowerCAD (12 VIN hingga 1.5 VOUT/10 Contoh uang). Harap dicatat alat filter LTpowerCAD adalah alat estimasi, memberikan titik desain awal untuk filter EMI. Tidak ada yang dapat menggantikan uji lab nyata dari papan pasokan prototipe untuk data EMI yang benar-benar akurat. Ringkasan Banyak industri menggunakan sistem yang memerlukan kontrol yang semakin hati-hati terhadap sinyal elektromagnetik yang ditransmisikan. Untuk tujuan ini, ada sejumlah standar jelas yang diterbitkan tentang EMI. Pada saat yang sama, jumlah catu daya mode sakelar meningkat, dan mereka ditempatkan semakin dekat dengan sirkuit sensitif. Catu daya mode sakelar adalah sumber EMI yang kuat, sehingga keluaran kebisingannya harus diukur dan dikurangi dalam banyak kasus. Masalahnya adalah, desain dan pengujian filter EMI adalah proses berulang yang memakan waktu dan mahal. LTpowerCAD memungkinkan desainer untuk menghemat waktu dan biaya dengan menghalangi desain dunia nyata dan pengujian dengan alat desain berbasis komputer prediktif. Alat filter EMI yang mudah digunakan memprediksi hasil mode diferensial yang dilakukan filter EMI, termasuk jaringan redaman opsional, untuk meminimalkan EMI sambil mempertahankan pasokan yang stabil. Hasil tes laboratorium memverifikasi keakuratan model prediksi.

Tinggalkan pesan 

Daftar pesan