- SMPS의 EMI 소스
- 다양한 유형의 EMI 커플 링 메커니즘
- SMPS에서 EMI를 줄이기위한 설계 기법
- 1. 선형 이동
- 2. 전력 모듈 사용
- 3. 차폐
- 4. 레이아웃 최적화
- 결론
EMI에 대한 이전 기사에서 EMI 소스의 의도 / 비 의도적 특성과 주변의 다른 전기 / 전자 장치 (피해자)의 성능에 미치는 영향을 조사했습니다. 이 기사는 EMI의 위험성에 대한 통찰력을 제공하고 불량한 EMI 고려가 규제 단속 또는 기능 장애로 인해 제품의 시장 성능에 부정적인 영향을 미칠 수있는 방법에 대한 컨텍스트를 제공하는 EMC (Electro Magnetic Compatibility)에 대한 또 다른 기사가 이어졌습니다.
두 기사 모두 설계에서 EMI (송신 또는 수신)를 최소화하기위한 광범위한 팁을 포함하고 있지만 다음 몇 가지 기사에서는 전자 제품의 특정 기능 단위에서 EMI를 최소화하는 방법을 자세히 살펴보고 검토 할 것입니다. 특히 스위치 모드 전원 공급 장치에 중점을두고 전원 공급 장치에서 EMI 를 최소화하는 것으로 시작하겠습니다.
스위치 모드 전원 공급 장치는 전압 변환 / 변환 (벅 또는 부스트)을 위해 빠른 스위칭 동작이있는 회로를 사용하는 AC-DC 또는 DC-DC 전원 소스의 일반적인 용어입니다. 고효율, 소형 폼 팩터 및 저전력 소비가 특징이므로 기존 제품에 비해 훨씬 더 복잡하고 설계하기 어렵지만 새로운 전자 장비 / 제품을위한 전원 공급 장치로 선택되었습니다. 인기있는 선형 전원 공급 장치. 그러나 설계의 복잡성을 넘어서, SMPS는 알려진 높은 효율을 달성하기 위해 사용하는 빠른 스위칭 주파수로 인해 심각한 EMI 생성 위협을 제공합니다.
매일 더 많은 장치 (잠재적 EMI 희생자 / 소스)가 개발됨에 따라 EMI를 극복하는 것이 엔지니어의 주요 과제가되고 있으며 전자기 호환성 (EMC)을 달성하는 것이 장치가 올바르게 작동하는 것만 큼 중요 해지고 있습니다.
오늘 기사에서는 SMPS에서 EMI의 특성과 소스를 살펴보고이를 완화하는 데 사용할 수있는 몇 가지 설계 기술 / 접근법을 살펴 보겠습니다.
SMPS의 EMI 소스
EMI 문제를 해결하려면 일반적으로 간섭의 원인, 다른 회로 (피해자)에 대한 결합 경로 및 성능에 부정적인 영향을 미치는 피해자의 특성을 이해해야합니다. 제품 개발 중에 EMI가 잠재적 피해자에 미치는 영향을 결정하는 것은 일반적으로 거의 불가능합니다. EMI 제어 노력은 일반적으로 방출 원 최소화 (또는 감수성 감소) 및 결합 경로 제거 / 감소에 중점을 둡니다.
SMPS 전원 공급 장치에서 EMI 의 주요 원인은 고유 한 설계 특성과 스위칭 특성 으로 추적 할 수 있습니다. AC-DC 또는 DC-DC에서 변환하는 과정에서 SMPS의 MOSFET 스위칭 구성 요소가 고주파에서 켜지거나 꺼지면 거짓 사인파 (구형파)가 생성되며, 이는 푸리에 시리즈 로 설명 될 수 있습니다. 고조파 관련 주파수를 가진 많은 사인파의 합. 스위칭 동작으로 인해 발생하는이 풀 푸리에 고조파 스펙트럼은 전원 공급 장치에서 장치의 다른 회로 및 이러한 주파수에 취약한 근처 전자 장치로 전송되는 EMI가됩니다.
스위칭 노이즈 외에도 SMPS에서 EMI의 또 다른 소스는 빠른 전류 (dI / dt) 및 전압 (dV / dt) 전환 (스위칭과도 관련이 있음)입니다. maxwell의 방정식에 따르면,이 교류 및 전압은 교류 전자기장을 생성하고, 필드의 크기는 거리에 따라 감소하는 반면 안테나처럼 작동하고 라인에 추가 노이즈를 유발하는 전도성 부품 (PCB의 구리 트레이스)과 상호 작용합니다., EMI로 이어집니다.
이제 소스의 EMI 는 잠재적 인 커플 링 경로 를 제거 / 최소화하여 인접한 회로 또는 장치 (피해자)에 연결될 때까지 (때때로) 그렇게 위험하지 않습니다. EMI는 일반적으로 감소 할 수 있습니다. "EMI 소개"기사에서 설명했듯이 EMI 커플 링은 일반적으로 다음을 통해 발생합니다. 전도 (원치 않는 / 재 목적 경로 또는 소위 "스 니크 회로"를 통해), 유도 (변압기와 같은 유도 성 또는 용량 성 요소에 의한 결합) 및 복사 (무선).
이러한 결합 경로와 스위치 모드 전원 공급 장치에서 EMI에 미치는 영향을 이해함으로써 설계자는 결합 경로의 영향을 최소화하고 간섭 확산을 줄이는 방식으로 시스템을 만들 수 있습니다.
다양한 유형의 EMI 커플 링 메커니즘
우리는 SMPS와 관련된 각 결합 메커니즘을 살펴보고 그 존재를 일으키는 SMPS 설계 요소를 설정합니다.
SMPS의 방사 EMI:
방사 결합 은 소스와 수신기 (피해자)가 무선 안테나 역할을 할 때 발생합니다. 소스는 소스와 피해자 사이의 열린 공간을 통해 전파되는 전자기파를 방출합니다. SMPS에서 방사 EMI 전파 는 일반적으로 di / dt가 높은 스위치 전류와 관련이 있으며 잘못된 설계 레이아웃으로 인해 빠른 전류 상승 시간을 갖는 루프의 존재 및 누설 인덕턴스를 발생시키는 배선 관행으로 인해 부스트됩니다.
아래 회로를 고려하십시오.
회로의 빠른 전류 변화는 정상 전압 출력 (Vmeas)에 더해 노이즈 전압 (Vnoise)을 발생시킵니다. 커플 링 메커니즘은 Vnoise가 방정식으로 주어 지도록 변압기의 작동과 유사합니다.
V 노이즈 = R M / (RS + R M) * M * di / dt
여기서 M / K는 변압기에서와 마찬가지로 자기 루프의 거리, 면적 및 방향과 해당 루프 사이의 자기 흡수에 따라 달라지는 결합 계수입니다. 따라서 루프 방향 고려 사항이 좋지 않고 전류 루프 영역이 큰 설계 / PCB 레이아웃에서는 방사 EMI 수준이 더 높은 경향이 있습니다.
SMPS에서 전도 된 EMI:
전도 결합 은 EMI의 소스와 수신기를 함께 연결하는 전도체 (PCB의 전선, 케이블, 인클로저 및 구리 트레이스)를 따라 EMI 방출이 전달 될 때 발생합니다. 이러한 방식으로 결합 된 EMI는 전원 공급 장치 라인에서 일반적이며 일반적으로 H 필드 구성 요소에서 무겁습니다.
SMPS의 전도 결합은 공통 모드 전도 (간섭이 + ve 및 GND 라인에서 동 위상으로 나타남) 또는 차동 모드 (간섭이 두 도체에서 위상이 다르게 나타남)입니다.
공통 모드 전도 방출 은 일반적으로 보드 레이아웃과 함께 방열판 및 변압기와 같은 기생 커패시턴스 및 스위치 전체의 스위칭 전압 파형으로 인해 발생합니다.
반면에 차동 모드 전도 방출 은 입력에서 전류 펄스를 발생시키고 차동 노이즈의 존재로 이어지는 스위칭 스파이크를 생성하는 스위칭 동작의 결과입니다.
SMPS의 유도 성 EMI:
유도 결합 은 소스와 피해자 사이에 전기적 (용량 결합으로 인해) 또는 자기 (유도 결합으로 인해) EMI 유도가있을 때 발생합니다. 전기적 결합 또는 용량 성 결합 은 인접한 두 도체 사이에 가변 전계가 존재할 때 발생하여 그 사이의 간격을 가로 질러 전압의 변화를 유도하는 반면, 자기 결합 또는 유도 결합 은 두 개의 병렬 도체 사이에 다양한 자기장이 존재하여 변화를 유도 할 때 발생합니다. 수신 도체를 따라 전압.
요약하면, SMPS에서 EMI의 주요 소스는 결과적인 빠른 di / dt 또는 dv / dt 과도 현상과 함께 고주파 스위칭 동작이지만 생성 된 EMI를 동일한 보드의 잠재적 피해자에게 전파 / 확산을 용이하게하는 인 에이 블러입니다. (또는 외부 시스템)은 잘못된 구성 요소 선택, 잘못된 설계 레이아웃 및 전류 경로에 표유 인덕턴스 / 커패시턴스의 존재로 인한 요인입니다.
SMPS에서 EMI를 줄이기위한 설계 기법
이 섹션을 진행하기 전에 EMI / EMC에 대한 표준 및 규정을 살펴보고 설계 목표가 무엇인지 미리 확인하는 것이 좋습니다. 표준은 국가 / 지역마다 다르지만 가장 널리 사용되는 두 가지는 조화 덕분에 대부분의 지역에서 인증에 허용됩니다. FCC EMI 제어 규정 및 CISPR 22 (CISPR (International Special Committee on Radio Interference) 제 3 판, Pub. 22). 이 두 표준에 대한 자세한 내용은 앞서 논의한 EMI 표준 문서에 요약되어 있습니다.
EMC 인증 프로세스를 통과 하거나 다른 장치 주변에서 장치가 제대로 작동하는지 확인하려면 방출 수준을 표준에 설명 된 값 이하로 유지해야합니다.
SMPS에서 EMI를 완화하기위한 많은 디자인 접근법이 존재하며 우리는 그것들을 차례로 다룰 것입니다.
1. 선형 이동
솔직히 말해서, 애플리케이션이이를 감당할 수있는 경우 (대용량 및 비효율적 인 특성) 선형 전원 공급 장치를 사용하여 많은 전원 공급 장치 관련 EMI 스트레스를 줄일 수 있습니다. 그들은 상당한 EMI를 생성하지 않으며 개발하는 데 많은 시간과 비용이 들지 않습니다. 효율성을 위해 SMPS와 동등하지 않더라도 LDO 선형 레귤레이터를 사용하여 합리적인 효율성 수준을 얻을 수 있습니다.
2. 전력 모듈 사용
좋은 EMI 성능을 얻기 위해 모범 사례를 따르는 것은 때때로 충분하지 않을 수 있습니다. 최상의 EMI 결과를 조정하고 얻을 수있는 시간이나 기타 리소스를 찾을 수없는 상황에서 일반적으로 작동하는 한 가지 접근 방식은 전원 모듈로 전환하는 것입니다.
전력 모듈은 완벽하지 않지만 잘 작동하는 한 가지는 잘못된 설계 레이아웃 및 기생 인덕턴스 / 커패시턴스와 같은 일반적인 EMI 범인의 함정에 빠지지 않도록합니다. 시장에서 가장 우수한 전력 모듈 중 일부는 이미 EMI를 극복해야 할 필요성을 고려하고 있으며, 가능한 우수한 EMI 성능과 함께 빠르고 쉬운 전원 공급 장치를 개발하도록 설계되었습니다. Murata, Recom, Mornsun 등과 같은 제조업체에는 이미 EMI 및 EMC 문제를 처리하는 광범위한 SMPS 모듈이 있습니다.
예를 들어, 일반적으로 인덕터와 같은 대부분의 구성 요소가 패키지 내부에 연결되어 있으므로 모듈 내부에 매우 작은 루프 영역이 존재하고 방사 EMI가 감소합니다. 일부 모듈은 코일에서 방사 EMI를 방지하기 위해 인덕터와 스위치 노드를 차폐합니다.
3. 차폐
EMI를 줄이기위한 무차별 대입 메커니즘 은 SMPS를 금속으로 보호하는 것 입니다. 이는 인라인 필터를 통해 외부 회로에 대한 유일한 인터페이스를 사용하여 접지 된 전도성 (금속) 하우징 내부의 전원 공급 장치에 노이즈 발생 소스를 배치함으로써 달성됩니다.
그러나 차폐는 재료에 추가 비용을 추가하고 프로젝트에 PCB 크기를 추가하므로 저비용 목표를 가진 프로젝트에는 좋지 않을 수 있습니다.
4. 레이아웃 최적화
설계 레이아웃은 회로 전체에 EMI 전파를 용이하게하는 주요 문제 중 하나로 간주됩니다. 이것이 SMPS에서 EMI를 줄이기위한 광범위하고 일반적인 기술 중 하나가 레이아웃 최적화 인 이유입니다. 기생 성분 제거부터 노이즈에 민감한 노드에서 노이즈 노드 분리, 전류 루프 영역 감소 등에 이르기까지 다양한 의미를 가질 수 있기 때문에 다소 모호한 용어입니다.
SMPS 설계를위한 레이아웃 최적화 팁은 다음과 같습니다.
노이즈가 많은 노드에서 노이즈에 민감한 노드 보호
이것은 그들 사이의 전자기 결합을 방지하기 위해 가능한 한 서로 멀리 배치하여 수행 할 수 있습니다. 노이즈에 민감한 노드와 노이즈 노드의 몇 가지 예가 아래 표에 나와 있습니다.
시끄러운 노드 |
노이즈에 민감한 노드 |
인덕터 |
감지 경로 |
노드 전환 |
보상 네트워크 |
높은 dI / dt 커패시터 |
피드백 핀 |
FET |
제어 회로 |
노이즈에 민감한 노드에 대한 추적을 짧게 유지
PCB의 구리 트레이스는 방사 EMI를위한 안테나 역할을하므로 노이즈에 민감한 노드에 직접 연결된 트레이스가 방사 EMI를 획득하지 못하도록 방지하는 가장 좋은 방법 중 하나는 해당 부품을 이동하여 가능한 한 짧게 유지하는 것입니다. 최대한 가깝게 연결하십시오. 예를 들어, 피드백 (FB) 핀으로 공급되는 저항 분배기 네트워크의 긴 트레이스는 안테나 역할을하고 주변에서 방사 된 EMI를 포착 할 수 있습니다. 피드백 핀에 공급되는 노이즈는 시스템 출력에 추가 노이즈를 발생시켜 장치의 성능을 불안정하게 만듭니다.
중요 (안테나) 루프 영역 감소
스위칭 파형을 전달하는 트레이스 / 와이어는 가능한 한 서로 가까워 야합니다.
방사 EMI는 전류 (I)의 크기와 전류가 흐르는 루프 영역 (A)에 정비례합니다. 따라서 전류 / 전압 영역을 줄임으로써 방사 EMI 수준을 줄일 수 있습니다. 전력선에 대해이를 수행하는 좋은 방법은 전력선과 복귀 경로를 PCB의 인접한 레이어에 서로 배치하는 것입니다.
스트레이 인덕턴스 최소화
PCB의 트랙 (전력선)의 크기를 늘리고 트랙 의 인덕턴스 를 줄이기 위해 리턴 경로와 평행하게 라우팅 하여 와이어 루프의 임피던스 (영역에 비례하여 방사 EMI에 기여 함)를 줄일 수 있습니다..
접지
PCB의 외부 표면에있는 파손되지 않은 접지면은 특히 방사 EMI를 크게 억제하는 EMI 소스 바로 아래에있을 때 EMI에 대한 최단 복귀 경로를 제공합니다. 그러나 접지면은 다른 트레이스로 절단 할 수있는 경우 문제가 될 수 있습니다. 컷은 유효 루프 영역을 증가시키고 리턴 전류가 컷을 돌아서 전류 소스로 돌아 가기 위해 더 긴 경로를 찾아야하기 때문에 상당한 EMI 레벨로 이어질 수 있습니다.
필터
EMI 필터는 특히 전도 된 EMI를 완화하기 위해 전원 공급 장치에 반드시 필요합니다. 일반적으로 전원 공급 장치의 입력 및 / 또는 출력에 있습니다. 입력에서 전원 및 출력에서 발생하는 노이즈를 필터링하는 데 도움이되며 전원의 노이즈가 회로의 나머지 부분에 영향을 미치는 것을 방지합니다.
전도 EMI를 완화하기위한 EMI 필터의 설계에서 일반적으로 공통 모드 전도 방출을 차동 모드 방출과 별도로 처리하는 것이 중요합니다. 필터의 매개 변수가 다를 수 있기 때문입니다.
위해 차동 모드 EMI 필터링을 수행 입력 필터는 일반적으로, 전해질 및 세라믹 커패시터를 만든 결합 효과적으로 감쇠 차동 모드 전류 하부 기본 스위칭 주파수로, 또한 높은 고조파 주파수에있다. 추가 억제가 필요한 상황에서는 인덕터가 입력과 직렬로 추가되어 단일 단계 LC 저역 통과 필터를 형성합니다.
들어 공통 모드 EMI 필터링을 수행 필터링 효과적으로 전원 선 (입력 및 출력 둘 다)과 접지 사이에 바이 패스 콘덴서를 접속함으로써 달성 될 수있다. 추가 감쇠가 필요한 상황에서는 결합 된 초크 인덕터를 전력선과 직렬로 추가 할 수 있습니다.
일반적으로 필터 설계는 구성 요소를 선택할 때 최악의 시나리오를 고려해야합니다. 예를 들어, 공통 모드 EMI는 높은 입력 전압에서 최대가되고 차동 모드 EMI는 낮은 전압과 높은 부하 전류에서 최대가됩니다.
결론
스위칭 전원 공급 장치를 설계 할 때 위에서 언급 한 모든 사항을 고려하는 것은 일반적으로 어려운 일입니다. 이는 EMI 완화를 "다크 아트"라고 부르는 이유 중 하나이지만 익숙해지면 두 번째 특성이됩니다..
IoT와 다양한 기술 발전 덕분에 전자기 호환성과 각 장치가 근접한 다른 장치의 작동에 부정적인 영향을주지 않으면 서 정상적인 작동 조건에서 제대로 작동하는 일반적인 능력이 이전보다 훨씬 더 중요해졌습니다. 장치는 근처의 고의적 또는 비 의도적 소스의 EMI에 취약하지 않아야하며 동시에 다른 장치의 오작동을 유발할 수있는 수준에서 (의도적 또는 비 의도적) 간섭을 방출하지 않아야합니다.
비용 관련 이유로 SMPS 설계의 초기 단계에서 EMC를 고려하는 것이 중요합니다. 대부분의 경우, 특히 임베디드 SMPS의 경우 전원 공급 장치가 장치와 함께 하나의 장치로 인증되고 모든 결함이 발생하므로 주 장치에 전원 공급 장치를 연결하는 것이 두 장치의 EMI 역학에 어떤 영향을 미치는지 고려하는 것도 중요합니다. 둘 중 하나가 실패로 이어질 수 있습니다.