Руководство по электромагнитной совместимости в DC/DC-преобразователях. Часть 5: борьба с помехами в схемах с интегральными преобразователями

Статья является пятой в цикле публикаций, посвященных вопросам электромагнитной совместимости в промышленных и автомобильных DC/DC-преобразователях. В ней рассказывается о методах борьбы с помехами в схемах с интегральными преобразователями со встроенными силовыми МОП-транзисторами, а также рассматриваются особенности корпусных исполнений интегральных преобразователей
1316
В избранное

В предыдущих публикациях данной серии был выполнен подробный обзор кондуктивных и радиочастотных помех, проанализированы источники и причины их возникновения, отдельно рассматривались стандарты, определяющие требования к измерениям и допустимым уровням шумов, кроме того, были разъяснены механизмы распространения помех и влияние паразитных составляющих на возникновение шумов [1, 2, 3, 4]. Основываясь на полученной ранее информации, в этой статье будут представлены практические советы по уменьшению уровня электромагнитных помех в схемах с интегральными DC/DC-преобразователями со встроенными силовыми МОП-транзисторами.

В абсолютном большинстве случаев, правильно составленная принципиальная схема и грамотная трассировка печатной платы (ПП) являются ключевыми условиями для достижения низкого уровня электромагнитных помех. В третьей части данного цикла было рассказано о важности уменьшения паразитной индуктивности, в том числе за счет тщательного выбора компонентов и правильной трассировки печатной платы [3]. С точки зрения электромагнитной совместимости огромное значение имеет корпусное исполнение интегральной микросхемы DC/DC-преобразователя. Как было показано во второй части цикла, обеспечить допустимый уровень помех на входе регулятора возможно только при выполнении фильтрации дифференциальных шумов [2]. В то же время, для ограничения уровня шумов на частотах выше 10 МГц необходима также фильтрация и синфазных помех. Высокую эффективность фильтрации на высоких частотах обеспечивает экранирование.

В настоящей статье рассматриваются методы борьбы с помехами в схемах с интегральными преобразователями со встроенными силовыми МОП-транзисторами, а также предлагаются практические советы и рекомендации по снижению уровня электромагнитных помех. Чтобы иметь хоть какой-то шанс успешно пройти испытания на электромагнитную совместимость (ЭМС), преобразователь должен иметь некоторый запас по уровню генерируемых кондуктивных помех. К счастью, большинство способов борьбы с кондуктивными помехами помогают также эффективно бороться с радиочастотными помехами [5].

Проблема генерации электромагнитных помех

Основным источником электромагнитных помех в DC/DC-преобразователях являются быстрые коммутации с высокой скоростью изменения напряжений и токов. Помехи, образованные прерывистыми токами на входе или выходе преобразователя, можно относительно просто отфильтровать. Однако больше всего проблем создают высшие гармонические составляющие, которые проявляются в виде высокочастотного звона с высокими значениями dv/dt и di/dt [3].

На рис. 1 показана форма напряжения на выходе силового каскада импульсного преобразователя (узел SW). Частота колебаний, возникающих при коммутациях, лежит в диапазоне от 50 МГц до 200 МГц в зависимости от величины паразитных составляющих. Эти высокочастотные помехи могут распространяться на расположенные рядом цепи и компоненты за счет емкостных и индуктивных связей [4]. Аналогичные проблемы возникают при обратном восстановлении диодов, когда ток восстановления протекает в контуре с паразитной индуктивностью.

Рис. 1. Эквивалентные схемы понижающего преобразователя при различных состояниях транзистора Q1 и форма напряжения на выходе силового каскада преобразователя (узел SW)

Рис. 1. Эквивалентные схемы понижающего преобразователя при различных состояниях транзистора Q1 и форма напряжения на выходе силового каскада преобразователя (узел SW)

Схема на рис. 2 определяет два наиболее критичных контура с точки зрения генерации помех. Уменьшение площади силового контура имеет важное значение, так как приводит к пропорциональному уменьшению паразитной индуктивности и связанного с ней магнитного поля. При проектировании принципиальной схемы и трассировке печатной платы необходимо обеспечить максимально высокую частоту резонанса паразитной LC-цепи за счет снижения паразитной индуктивности. Это позволит уменьшить объем накапливаемой реактивной энергии и ограничить выбросы напряжения при коммутациях.

Упрощенная схема синхронного понижающего преобразователя с указанием наиболее критичных контуров с повышенным риском генерации электромагнитных помех

Рис. 2. Упрощенная схема синхронного понижающего преобразователя с указанием наиболее критичных контуров с повышенным риском генерации электромагнитных помех

В контуре управления последовательно с конденсатором СBOOT включен дополнительный резистор RBOOT (рис. 2). Этот резистор необходим для ограничения скорости включения МОП-транзистора. Он ограничивает величину управляющего тока, таким образом, уменьшает выбросы напряжения и скорость нарастания тока через силовой ключ при коммутации. Другой способ борьбы с перенапряжениями заключается в использовании демпфирующей цепочки, включенной между SW и GND. Стоит отметить, что площадь контура, образованного этой помехоподавляющей цепочкой, также должна быть минимальной, чтобы максимально эффективно поглощать шумы при коммутациях.

Важно понимать, что демпферы и ограничительные резисторы увеличивают потери мощности при переключениях. Таким образом, их использование приводит к необходимости поиска компромисса между эффективностью и ЭМС. Если же КПД и тепловые характеристики имеют решающее значение, то следует искать альтернативные способы борьбы с помехами.

Разводка печатной платы преобразователя

В этом разделе представлены основные советы и рекомендаций по трассировке печатных плат и размещению компонентов. Рекомендации призваны уменьшить уровень помех, генерируемых DC/DC-преобразователями. Ниже в статье приводится конкретный пример компоновки печатной платы для понижающего преобразователя с оптимизированной электромагнитной совместимостью.

  1. Трассировка и размещение компонентов
  • Разводку всех компонентов, относящихся к силовому контуру, необходимо выполнять на верхнем слое печатной платы. Избегайте размещения дросселя на нижней стороне платы, где он может излучать помехи в сторону пластины заземления испытательной установки.
  • Размещайте развязывающие конденсаторы в непосредственной близости от соответствующих выводов VCC, VDD и BIAS. Убедитесь, что цепь AGND на печатной плате сначала подключается к конденсаторам CVCC и CBIAS, и только от них идет соединение с общей землей GND.
  • Располагайте бутстрепный конденсатор СBOOT максимально близко к выводам BOOT и SW. Бутстрепный конденсатор CBOOT и силовой контур следует разделить с помощью полигона или трассы земли GND, чтобы минимизировать уровень синфазных помех.

  1. Организация заземления
  • Располагайте плоскость земли на втором слое печатной платы, как можно ближе к верхнему сигнальному слою. Это обеспечит подавление магнитного поля, снижение паразитной индуктивности и защиту от шума.
  • Используйте минимальную толщину препрега между верхним слоем и слоем земли. В требованиях к конструкции печатной платы укажите расстояние 6 милов (0,15 мм).

  1. Входные и выходные конденсаторы
  • Размещайте входной конденсатор CIN таким образом, чтобы минимизировать площадь петли, образованной проводниками, соединяющими конденсатор CIN и выводы VIN и PGND.
  • Для подключения входных и выходных конденсаторов (CIN и COUT) к земле необходимо использовать локализованный полигон на верхней стороне платы, который в свою очередь следует подключать к внутреннему слою (или слоям) земли с помощью нескольких переходных отверстий.
  • Для развязки между выводами VIN и PGND используйте керамические конденсаторы типоразмеров 0402 или 0603, чтобы минимизировать индуктивность паразитного контура.

 

  1. Трассировка цепей дросселя
  • Располагайте дроссель рядом с контактом SW преобразователя. Постарайтесь обеспечить минимальную площадь полигона, подключенного к выводу SW, чтобы уменьшить влияние емкостной связи.
  • Используйте полигоны земли и переходные отверстия, подключенные к земле, для экранирования силового контура преобразователя.
  • Уделите внимание конструкции индуктивности. Проверьте, что конец обмотки, подключенной к выводу SW, находится на нижнем слое обмотки и сверху экранирован и закрыт витками, подключенными к выходу VOUT.
  • Если возможно, используйте экранированную индуктивность. Подключайте клеммы экрана к слою земли.
  • Используйте катушки индуктивности с нижним расположением выводов. Избегайте дросселей с большими боковыми выводами, так как они могут выступать в качестве излучающей антенны.

 

  1. Размещение защитных компонентов и фильтров
  • Располагайте компоненты фильтра вдали от силового контура. Если не удается разместить фильтр достаточно далеко, то следует переместить его на обратную сторону печатной платы.
  • Чтобы минимизировать емкостную связь, влияющую на коэффициент затухания фильтра, необходимо сделать вырезы на всех слоях непосредственно под фильтром.
  • Как пояснялось выше, чтобы снизить скорость нарастания напряжения в силовом контуре, ограничить выбросы и звоны, необходимо замедлить включение МОП-транзистора. Для этого необходим резистор (желательно не более 10 Ом), включенный последовательно с CBOOT.
  • Если принято решение использовать помехоподавляющую RC-цепочку, то рекомендуется в первую очередь подключать к выходу силового каскада (узел SW) компонент с минимальными габаритами (обычно это конденсатор).
  • Используйте четырехслойную печатную плату с внутренним слоем земли, чтобы добиться значительного улучшения характеристик ЭМС по сравнению с двухслойной печатной платой. Избегайте значительных неоднородностей и межслойных переходов при разводке контуров высокочастотных токов вблизи микросхемы преобразователя.

Входной фильтр

На рис. 3 представлен типовой многоступенчатый входной фильтр. Низкочастотные и высокочастотные секции обеспечивают ослабление дифференциального шума, еще одна опциональная секция с синфазным дросселем LCM предназначена для борьбы с синфазными помехами. Электролитический конденсатор CBULK, имеет значительное эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), которое в данном случае играет положительную роль, так как обеспечивает уменьшение эффективной добротности на входе преобразователя и, тем самым, повышает стабильность входного фильтра [6].

Диапазон подавления дифференциальных помех ограничен собственной резонансной частотой (SRF) дросселя LDM. Второй каскад фильтра часто необходим для обеспечения дополнительного ослабления дифференциальных помех на высокой частоте. Для этого используется ферритовая бусина LFB. Керамические конденсаторы CF1 и CF2 необходимы для шунтирования ВЧ-помех на землю.

В общем случае, индуктивность LDM необходима для ослабления помех базовой частоты и ее низкочастотных гармоник. Для выполнения низкочастотной фильтрации следует использовать дроссели с минимально возможной индуктивностью. Дело в том, что большая индуктивность достигается за счет увеличения числа витков, а значит характеризуется повышенным значением межвитковой емкости. В свою очередь увеличение паразитной емкости неизбежно приводит к снижению собственной частоты резонанса дросселя, что ограничивает эффективность борьбы с помехами на высоких частотах.

Трехступенчатый входной фильтр, включающий синфазный фильтр и два дифференциальных фильтра

Рис. 3. Трехступенчатый входной фильтр, включающий синфазный фильтр и два дифференциальных фильтра

Синфазный дроссель LCM обеспечивает высокий импеданс для синфазных токов, кроме того его индуктивность рассеяния приводит к ослаблению дифференциальных помех. Несмотря на эти преимущества, синфазный дроссель не всегда является желательным компонентом, например, в приложениях, требующих сохранения целостности цепи земли. К счастью, существуют другие способы борьбы с шумами.

Чтобы убедиться в эффективности работы синфазного дросселя, следует обратиться к рис. 4. На этом рисунке представлен DC/DC-преобразователь со входным напряжением 36 В и выходным током 3 А. Преобразователь использует двухслойную печатную плату и построен на базе микросхемы LM53603 от Texas Instruments [7]. Силовой каскад расположен на верхней стороне платы, а входной фильтр на нижней. Хорошо видно, что фильтр экранирован с помощью множества переходных отверстий, подключенных к земле. Кроме того, на всех слоях платы под фильтром присутствуют вырезы, которые минимизируют емкостную связь между трассами VIN и GND, тем самым ограничивая возможность протекания синфазных токов в обход дросселя LCM.

Принципиальная схема DC/DC-преобразователя и печатная плата

Рис. 4. Принципиальная схема DC/DC-преобразователя и печатная плата

На рис. 5 представлены результаты измерения уровня кондуктивных помех рассматриваемого DC/DC-преобразователя в диапазоне от 150 кГц до 108 МГц в соответствии с требованиями CISPR 25. Результаты, полученные при использовании дросселя LCM, изображены на рисунке (а), а результаты без дросселя на рисунке (b). Синие графики соответствуют пиковым значениям шумов, а желтые графики относятся к средним значениям шумов. Предельно допустимые значения для устройств класса 5 согласно CISPR 25 отмечены красным цветом (пиковые значения на 20 дБ выше средних значений). Измерения проводились с помощью анализатора спектра Rohde & Schwarz.

Результаты измерений кондуктивных помех в соответсвии с CISPR 25

Рис. 5. Результаты измерений кондуктивных помех в соответсвии с CISPR 25: с синфазным дросселем (a) и без дросселя (b)

Экранирование с помощью металлического корпуса

Еще один эффективный способ уменьшения уровня генерируемых помех заключается в блокировке излучаемого электрического поля за счет использования металлического корпуса [5]. Корпус, как правило, изготавливают из алюминия и выполняют либо сплошным, либо в виде открытого каркаса. Экран закрывает все элементы преобразователя, кроме фильтра, и подключается к земле схемы, по сути, образуя клетку Фарадея со слоем земли на печатной плате.

В результате использования экрана уровень помех, наводимых силовым контуром на фильтр или проводники большой длины, существенно снижается. Разумеется, стоимость блока возрастает из-за удорожания процесса сборки и необходимости покупки корпуса. Кроме того, могут возникнуть дополнительные проблемы, связанные с отводом тепла. Иногда в качестве локального экрана может выступать металлический корпус электролитического конденсатора, если грамотно его расположить на печатной плате.

Пример реализации DC/DC-конвертера

На рис. 6 приведена схема синхронного понижающего преобразователя со входным напряжением до 60 В, выходным током до 1,5 А и некоторыми особенностями, позволяющими оптимизировать характеристики ЭМС. В схеме также используется фильтр, который позволяет обеспечить требования к уровню электромагнитных помех для автомобильных или промышленных приложений. Чтобы упростить трассировку печатной платы, наиболее критичные цепи выделены цветом: черным отмечены сильноточные цепи (подключены к выводам VIN, PGND, SW), цепи, чувствительные к шуму, отмечены синим цветом (подключены к выводу FB), узлы с высокими значениями dv/ dt отмечены злеными стрелками (выводы SW, BOOT).

DC/DC-преобразователь с оптимизированным корпусом

Рис. 6. DC/DC-преобразователь с оптимизированным корпусом. Используется двухступенчатый входной фильтр

Компоновка элементов на печатной плате преобразователя

Корпус интегрального DC/DC-преобразователя, изображенного на рис. 6, отличается оптимизированным расположением выводов VIN и PGND. Как видно из рисунков 6 и 7, в микросхеме реализовано по два вывода VIN и PGND. Благодаря этому входной контур разбивается на два подконтура, которые обозначены на рис. 7 как IN1 и IN2. В результате эффективная входная паразитная индуктивность уменьшается вдвое.

Входные конденсаторы CIN1 и CIN3 имеют типоразмер 0402 или 0603 и располагаются максимально близко к микросхеме, тем самым дополнительно уменьшая площадь входного контура. Кроме того, токи, циркулирующие в этих двух контурах, создают противоположные магнитные моменты, которые приводят к подавлению магнитного поля и, следовательно, к снижению эффективной индуктивности. Для дополнительного снижения паразитной индуктивности, непосредственно под контурами IN1 и IN2 расположен слой земли, по которому протекают возвратные токи, что еще больше усиливает эффект самоподавления поля.

На выходе преобразователя присутствует пара конденсаторов CO1 и CO2. Их расположение также имеет особенность. Они помещены с двух сторон от выходного дросселя и также разбивают выходной контур на два подконтура, снижая индуктивность. Наличие двух параллельных путей протекания возвратных токов через слой заземления помогает смягчить эффект «отскока земли».

Проводники силового контура размещены исключительно на верхнем слое печатной платы

Рис. 7. Проводники силового контура размещены исключительно на верхнем слое печатной платы

Вывод SW расположен в центре микросхемы, поэтому создаваемое этой цепью электрическое поле экранируется соседними выводами VIN и PGND, которые расположены с обеих сторон ИС. Соединение вывода SW с дросселем выполнено коротким полигоном с минимальной площадью. Кроме того, этот полигон со всех сторон окружен экранирующими полигонами земли. Трассировка цепей SW и BOOT на верхнем слое печатной платы существенно снижает вероятность перехода шумов на нижнюю сторону печатной платы. Это позволяет избежать емкостной связи между DC/DC-преобразователем и пластиной заземления при выполнении испытаний на электромагнитную совместимость.

Корпусные исполнения микросхемы преобразователя

Для достижения низкого уровня шумов большое значение имеет не только оптимальное расположение выводов корпуса, но и технология монтажа кристалла преобразователя в самом корпусе. Например, в корпусах HotRod от TI используется технология «flipped-chip-on-leadframe» (FCOL), в которой металлизированные контактные площадки перевернутого кристалла распаиваются непосредственно на выводах микросхемы. В обычных корпусах, например, QFN разварка кристалла на выводы микросхемы производится с помощью тонких проволок, которые обуславливают высокую паразитную индуктивность. Технология FCOL позволяет отказаться от этих проволочных высокоиндуктивных соединений.

Из рис. 8 видно, что кристалл в корпусе HotRod перевернут, и его контактные площадки распаяны непосредственно на выводы микросхемы. Такой подход обеспечивает компактные размеры и минимальную высоту корпуса. При этом, с точки зрения ЭМС основным преимуществом HotRod является именно низкая паразитную индуктивность [9].

Сравнение конструкций микросхем: традиционный QFN-корпус (a), корпус HotRod FCOL (b)

Рис. 8. Сравнение конструкций микросхем: традиционный QFN-корпус (a), корпус HotRod FCOL (b)

Использование корпуса HotRod не только приводит к уменьшению звона при коммутациях (в диапазоне частот от 50 МГц до 200 МГц), но также обеспечивает более низкие стоические потери проводимости и динамические потери при переключениях. На рис. 9 показано уменьшение звона при использовании HotRod. На рис. 10 представлены результаты измерений кондуктивных помех для преобразователя, изображенного на рисунке 6, в диапазоне от 150 кГц до 30 МГц (а) и в диапазоне от 30 МГц до 108 МГц (b). Как видно из графиков преобразователь отвечает требованиям, предъявляемым к устройствам класса 5 в соответствии со стандартом CISPR 25.

Сравнение форм сигналов напряжения на узле коммутации

Рис. 9. Сравнение форм сигналов напряжения на узле коммутации: традиционный QFN-корпус (a), корпус HotRod FCOL (b)

 Результаты измерений кондуктивных помех в соответствии с CISPR 25

Рис. 10. Результаты измерений кондуктивных помех в соответствии с CISPR 25 в диапазоне от 150 кГц до 30 МГц (а) и в диапазоне от 30 МГц до 108 МГц (b)

Заключение

В статье были рассмотрены методы борьбы с электромагнитными помехами в схемах с интегральными DC/DC-преобразователями. Для снижения уровня помех необходимо выполнять следующие рекомендации: уменьшать площадь силового контура, выполнять трассировку на верхнем слое печатной платы, использовать четырехслойную печатную плату с внутренними слоями земли для экранирования (обеспечивает лучшую эффективность, чем двухслойная печатная плата), минимизировать площадь металлизации узла коммутации SW для уменьшения емкостной связи.

Тип корпусного исполнения является важным критерием при выборе преобразователя. Преобразователи, использующие новые корпусные технологии, демонстрируют меньший уровень звона благодаря оптимальному расположению выводов и низкоиндуктивному монтажу кристалла.

В статье было показано, что для фильтрации низкочастотного шума (менее 10 МГц) можно использовать обычный LC-фильтр, а для подавления высокочастотного шума (выше 10 МГц) потребуется дополнительный синфазный дроссель. Заземленный металлический корпус является еще одним эффективным способом борьбы с высокочастотными помехами.

Следующая статья данного цикла будет посвящена методам борьбы с электромагнитными помехами в DC/DC-преобразователях с дискретными силовыми МОП-транзисторами. Как правило, эта задача оказывается более сложной.

Предыдущие главы:

Литература

  1. “The Engineer’s Guide to EMI in DC-DC Converters (Part 1): Standards Requirements and Measurement Techniques,” by Timothy Hegarty, How2Power Today, December 2017 issue.
  2. “The Engineer’s Guide to EMI in DC-DC Converters (Part 2): Noise Propagation and Filtering,” by Timothy Hegarty, How2Power Today, January 2018 issue.
  3. “The Engineer’s Guide to EMI in DC-DC Converters (Part 3): Understanding Power Stage Parasitics,” by Timothy Hegarty, How2Power Today, March 2018 issue.
  4. “The Engineer’s Guide to EMI in DC-DC Converters (Part 4): Radiated Emissions,” by Timothy Hegarty, How2Power Today, April 2018 issue.
  5. “There are more ways than you think to reduce conducted EMI,” by Vental Mao, TI E2E Community Behind the Wheel blog, April 17, 2018.
  6. “Input filter design for switching power supplies,” by Michele Sclocchi, Texas Instruments application report SNVA538, 2010.
  7. “EMI Optimized 2-Layer 15W Power Supply for Automotive with CISPR 25 Class 5 Compliance,” TI Designs reference design.
  8. LMR36015 60-V, 1.5-A synchronous stepdown converter in HotRod package.
  9. “Reduce EMI and shrink solution size with HotRod packaging,” by Frank De Stasi, Texas Instruments training video, March 7, 2018.
  10. “Eliminate High-Frequency Switch-Node Ringing and Pass CISPR 25 Class 5 without Metallic Shielding or a Common-Mode Choke,” by Katelyn Wiggenhorn, Texas Instruments EMI training webinar, Sept. 11, 2017

Сравнение позиций

  • ()