由:肯尼斯•怀亚特和史蒂夫·桑德勒
介绍
现代设备持续的长期趋势挤压电子成更小的包,同时提高系统性能,数据速率和操作效率。更高的效率往往是通过实现更快的硅场效应管或更快eGaN场效应晶体管,而大小减少增加开关频率和较小的取代铝、钽电容器陶瓷设备。这一趋势的一个结果是更大的EMI的学科之间的相互作用,信号完整性(SI)和电源完整性(PI)。
EMI电磁排放的衡量高速产生的电流和电压信号系统的创建。电源完整性是衡量电能质量的设备驱动。这意味着必须维护供电电压的允许工作电压范围内高速设备。设备(如调制解调器、参考时钟和低噪声放大器(恢复)都对电源噪声敏感rails,导致时间抖动,杂散响应减少数据通道眼开口,和退化的信噪比(信噪比)。这也是衡量权力的完整性。电源本身是一个噪声源和噪声来源产生的电源必须保持从传播到系统。
本文讨论了EMI和电源完整性问题三个最常见的原因,同时提供小贴士如何避免或最小化你的设计,
- 响在切换波形引起广泛的发射光谱的共振峰。
- 直流-直流转换器产生噪音的切换频率,因为高速开关设备,可以产生宽带谐波转换到GHz。
- 电力平面共振直流-直流转换器或LDO监管者由于高品质因数电容器产生共鸣与权力的飞机。
响和辐射排放
任何响切换波形(相当普遍)会导致宽带共振产生的射频频谱。共振频率产生的直流-直流转换器或低辍学(LDO)线性稳压器可以低至几千赫共振与开关设备由于生产时,如MOS-FET可以在数百兆赫或更高。
产生谐波的能量从这个切换“捕获”的生产和设备共振,明显在时域响。这个铃声产生EMI的电流和电压。响和EMI的震级有关品质因数(Q)和共振的特性阻抗和谐波产生的能量转换。
作为一个例子,巴克直流-直流变换器的开关波形演示板测量罗德与施瓦茨RTE 1104示波器和罗德与施瓦茨RT-ZS20 1.5 GHz有源探头(图1)。
有一个非常大的铃声叠加在216 MHz的切换波形。这可以清楚的看到图2。
费舍尔自定义通信F-33-1电流探针是用来测量输入电力电缆共模防渗墙(紫跟踪)和输出负载差模电流(aqua跟踪)。看到图3。注意广义共振峰在216 MHz(标记1)和二次谐波的438 MHz(标记2)。
补救技巧,有几种方法可以改进设计以减少共振,振铃,因此EMI。由于能源相关的开关频率,开关的上升时间,特性阻抗,和Q的共鸣,这些因素也缓解的路径。
- 慢的边缘将降低运营效率,但降低高频能量
- 仔细的PCB设计和电容器选择将最小化特性阻抗和Q
- 保持短而宽,电介质薄痕迹。
- 把所有的开关电路的一侧,与薄介质prefer-ably各自的地面回波平面。
- 使用缓冲电路,使用控制阻尼共振的ESR电容器、或重新设计的低漏电感的电感器。
额外的细节测量响了参考文献[1]。
快速创建宽带噪声边缘GHZ频率
今天的车载直流-直流转换器使用切换频率高达3兆赫。这是一个优势,因为它允许身体较小的电感器和过滤器组件,以及提高效率。然而,快速边缘速度创建宽带谐波能量。带宽的谐波能量相关的电压和电流上升时间。1 ns边缘速度会产生谐波能量3 GHz,或者更多。
这些宽带谐波辐射排放失败的原因,也会影响接收机灵敏度的车载电话调制解调器或其他无线系统,如全球定位系统(GPS)。图4显示了一个典型的直流-直流转换器电路可以用一个磁场特征探测器连接到一个频谱分析仪。
也可以将探头连接到附近的一个示波器,它每一个电源转换器得到一些想法的响了,如果任何,没有令人不安的电路。
图5显示的结果测量直流-直流转换器。黄色的痕迹是环境噪声的测量系统,总是一个好主意来记录供参考。aqua和紫色的痕迹是两个转换器测量。注意,同时产生宽带噪声电流1 GHz,紫色的转换器超出1.5 GHz。注意紫跟踪是20至50分贝高于环境噪声地板上。
补救技巧——自干扰的风险减少到车载移动电话调制解调器和无线系统,产品设计必须从EMC开始在思想和角落。
这将包括:
- 一个近乎完美的印刷电路板布局
- 过滤的直流-直流转换器
- 任何高频设备的过滤
- 过滤的无线电模块
- 当地的高噪音区域周围屏蔽
- 可能是屏蔽整个产品
- 适当的天线位置
印刷电路板布局是至关重要的,是你的努力应该驻留的地方。八到十层层叠将提供最灵活地隔离电源,模拟,数字,和电台部分和提供多个地面反射的飞机,这可能是在板边缘缝合在一起形成一个法拉第笼。必须注意避免返回当前污染之间的部分,特别是在地上飞机返回。无线产品,电源平面无线调制解调器部分应该孤立(除了通过窄桥)的数字电源平面。所有痕迹这个孤立的飞机应该通过大桥连接两个。这可以提供40 dB数字电路之间的隔离和收音机。
至关重要的权力和地面返回的飞机上邻近层和理想情况下3 - 4千最多。这将提供最好的高频绕过。所有应该相邻信号层至少有一个坚实的地面回波平面。时钟,或其他高速痕迹,应该避免通过通过,不应该改变参考平面。
电源部分应该远离敏感的模拟或无线电电路(包括天线)。注意中小学当前循环及其返回电流。这些飞机返回电流不能共享相同的返回路径作为数字,模拟或无线电路。记住,高频返回电流想返回到源直属源跟踪。
更多细节解决直流-直流转换器与无线电调制解调器噪音问题,参考参考2。
印刷电路板平面共振和辐射排放的影响
噪声传播在一个简单的系统可以表示为三个元素,电压调节器,印刷电路板的飞机与解耦电容所驱动的(生产)和设备(负载)。
这三个元素是由电阻、电感和电容。甚至无“噪音”低辍学(LDO)监管机构可以高度归纳(参考3)。电阻、电感和电容可以共鸣放大造成的噪音信号电源和负载旅行整个生产制造EMI。开关频率的谐波和前面讨论的开关响激发这些生产共振(参考4)。如前所述这种噪声会降低和干扰车载无线调制解调器,以及产生的辐射进行排放。
短视频解释了生产设计的基本原则(参考5)。LTC3880电源转换器的辐射EMI测量输入平面附近使用在一个磁场探测器图6。
163 MHz是归因于开关见的响图7。这铃声是由上层MOSFET的电感引起的债券电线,别针和电路板的飞机,响下MOSFET和印刷电路板电容。
输入陶瓷去耦电容器在大约30 MHz产生共鸣,见图8和结果在大30 MHz EMI签名。
直流-直流变换器的输入功率平面部分(以图6)所示图9组件的示意图表示,印刷电路板和外部连接。
可以使用一个非常简单的模拟例子说明这些阻抗共振效应。考虑一个简单的直流-直流转换器所示图10。
设计师经常把董事会权力的场效应晶体管开关一侧入口的对面PC板。这个示例中使用的小型印刷电路板飞机没有权力条目通过一对别针和互连电感被添加到电源连接到印刷电路板。大47μF陶瓷电容器放在顶部的印刷电路板,而小,0.1μF陶瓷电容器是很近场效应晶体管开关放在底部的印刷电路板。两个平行通过连接电源和地面的一侧的电脑板底部边见图11。
简单的模型是用来模拟输入连接器的谐波电流,进行和辐射排放直接相关。两个模拟执行;一个低ESR陶瓷电容器,另问控制较低ESR陶瓷取代0.1μF电容器近场效应晶体管开关。模拟显示在一起图12。
模拟阻抗,以较小的电容器在图13显示了相应的平面共振清晰10 MHz高峰使用高Q陶瓷电容器(蓝色)和峰值使用控制器消除ESR陶瓷电容器(红色)。
补救技巧最小化生产共振,电压调节器的完整的系统,生产和负载需要小心平衡。阻尼电阻必须包括消除或减少共振的存在或Q。这将包括:
- 短,宽功率飞机
- 保持布局尽可能小电感降到最低
- 薄印刷电路板介电层,接近地表
- 结合电磁仿真识别和减少生产共振
- 保持电容的一端PC板尽可能
- 低Q或ESR控制电容器降低问
- 选择电压调节器和输出电容控制回路稳定性好
- 不要把在地平面图样或洞下层电源平面
- 铁氧体磁珠生产共振是一个很常见的原因
- 注意归纳互联电力系统。
印刷电路板设计和分离是至关重要的,“经验法则”一般不工作在高速电路。电路板的设计和电容去耦总是涉及到权衡,但对共振的影响需要仔细权衡。多频谐波梳状波发生器可以极大的帮助对快速识别生产共振(参考3)。
总结
可以看到,设计直流-直流转换器,ldo,与今天的高速生产技术几乎总是需要仔细的电路设计,适当的过滤,模拟生产的非常小心电路板布局,并使用controlled-ESR滤波器电容器。糟糕的设计会导致:
- 响在电源开关(或其他fast-edged数字切换)导致辐射或进行相关排放环频率和谐波共振峰。
- 高频宽带噪声超出1 GHz,导致自干扰无线电调制解调器。
- 稳定性差和无阻尼共振配电网络,导致不稳定,光谱共振,和相关的辐射,进行排放。
引用
- 怀亚特,GaN技术和潜在的EMI(版),http://www.edn.com/electronics-blogs/the-emc-blog/4439839/GaN-technology-and-the-potential-for-EMI
- 怀亚特,平台干扰(版),http://www.edn.com/electronics-blogs/the-emc-blog/4441086/Platform-interference
- 怀亚特,点评:用小环装饰J2150A谐波梳状波发生器http://www.edn.com/electronics-blogs/the-emc-blog/4440532/Review-Picotest-J2150A-harmonic-comb-generator
- 桑德勒,电压控制回路的电感特性,http://www.edn.com/electronics-blogs/impedance-measurement-rescues/4438578/The-inductive-nature-of-voltage-control-loops
- 桑德勒,如何设计对权力的完整性:发现功率输出噪声问题(视频),https://www.youtube.com/watch?v=oL6qjhJH_m4&t=4s&list=PLtq84kH8xZ9HIYg-BYDsP7TbqBpftidzI8&index=4
史蒂夫·桑德勒用小环装饰系统的首席执行官,曾参与高可靠性电子产品近40年了。他所撰写的文章有关电源完整性和分布式系统。beplay官方免费下载他还写了smp仿真与香料3,开关型电源模拟:设计与香料,香料电路手册》的作者之一,所有可用的从麦格劳-希尔。他最近的一本著作,电源完整性——测量、优化、和故障诊断电力电子系统的相关参数,从麦格劳-希尔在2014年被释放。桑德勒先生住在凤凰城,亚利桑那州,并可联系(电子邮件保护)。
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