L'interferenza elettromagnetica (EMI) nella progettazione è stata a lungo un grosso grattacapo, soprattutto nel settore automobilistico. Per ridurre al minimo l'EMI il più possibile, i progettisti di solito progettano schemi e disegnano layout per ridurre le fonti di rumore abbassando le aree del loop con di / dt elevati e velocità di transizione di commutazione.
Tuttavia, a volte, per quanto accurati siano il layout e la progettazione schematica, non è ancora possibile ridurre l'EMI condotta al livello desiderato. Questo perché il rumore dipende non solo dai parametri parassiti del circuito ma anche dall'intensità della corrente. Inoltre, l'azione di apertura e chiusura dell'interruttore genera correnti discontinue e queste correnti discontinue creano ondulazioni di tensione sui condensatori di ingresso, che aumentano l'EMI.
Pertanto, è necessario utilizzare alcuni altri metodi per migliorare le prestazioni dell'IME condotta. Questo documento si concentra sull'introduzione di filtri di ingresso per filtrare il rumore o sull'aggiunta di schermature per bloccare il rumore.
Fig. 1 Schizzo schematico di un filtro EMI
La Figura 1 mostra un filtro EMI semplificato, che include un filtro in modalità comune (CM) e un filtro in modalità differenziale (DM). In genere, il filtro DM viene utilizzato principalmente per filtrare il rumore inferiore a 30 MHz (rumore DM) e il filtro CM viene utilizzato principalmente per filtrare il rumore da 30 MHz a 100 MHz (rumore CM). Tuttavia, entrambi i filtri forniscono effettivamente una certa soppressione del rumore EMI su tutta la banda di frequenza.
La Figura 2 mostra un rumore di derivazione in ingresso senza filtri, che include sia il rumore positivo che quello negativo, ed etichetta il livello di picco e il livello medio di questi rumori. In questo caso, il sistema in prova utilizza principalmente il chip LMR14050SSQDDARQ1 per emettere 5 V/5 A e per alimentare il successivo chip TPS65263QRHBRQ1, che emette contemporaneamente 1,5 V/3 A, 3,3 V/2 A e 1,8 V/2 A. Entrambi questi due chip funzionano a una frequenza di commutazione di 2,2 MHz. Inoltre, lo standard EMI condotto mostrato nella figura è CISPR25 Classe 5 (C5).
Fig. 2 Caratteristiche del rumore a norma C5 (senza filtro)
La Figura 3 mostra i risultati EMI con l'aggiunta di un filtro DM. Come si può vedere dalla figura, il filtro DM attenua il rumore DM della banda media (da 2 MHz a 30 MHz) di quasi 35 dBμV/m. Inoltre, anche il rumore in banda alta (da 30 MHz a 100 MHz) è ridotto ma supera comunque il livello limite. Ciò è dovuto principalmente alla limitata capacità di filtraggio del filtro DM per il rumore CM della banda ad alta frequenza.
Fig. 3 Caratteristiche di rumore a standard C5 (con filtro DM)
La Figura 4 mostra le caratteristiche del rumore con l'aggiunta dei filtri CM e DM. Rispetto alla Figura 3, l'aggiunta del filtro CM riduce il rumore CM di quasi 20 dB μV/m. Le prestazioni EMI superano anche lo standard C5. E le prestazioni EMI superano anche lo standard CISPR25 C5.
Fig. 4 Caratteristiche del rumore secondo lo standard C5 (con filtri CM e DM)
La Figura 5 mostra le caratteristiche di rumore dei filtri di banda CM e DM in diversi layout, dove i filtri sono gli stessi di Figura 4. Tuttavia, rispetto alla Fig. 4, il rumore aumenta di circa 10 dB μV/m nell'intera frequenza banda, e il rumore ad alta frequenza supera anche il valore medio dello standard CISPR25 C5.
Fig. 5 Caratteristiche del rumore secondo lo standard C5 (con filtri CM e DM, diversi layout)
La differenza nei risultati del rumore tra le figure 4 e 5 è dovuta principalmente alle differenze di cablaggio del PCB, come mostrato nella figura 6. Nel cablaggio della figura 5 (lato destro della figura 6), un grande rivestimento in rame (GND) circonda il filtro DM e forma alcune capacità parassite con l'allineamento Vin. Queste capacità parassite forniscono un efficace percorso a bassa impedenza per il filtro di bypass del segnale ad alta frequenza. Pertanto, per massimizzare le prestazioni del filtro, è necessario rimuovere tutto il rivestimento in rame attorno al filtro, come mostrato nella parte sinistra del cablaggio in Figura 6.
Figura 6 Cablaggio PCB diverso
Oltre all'aggiunta di filtri, un altro modo efficace per ottimizzare le prestazioni EMI consiste nell'aggiungere schermature. Questo perché lo schermo metallico collegato a GND impedisce al rumore di irradiarsi verso l'esterno. La Figura 7 suggerisce un metodo di posizionamento dello scudo. Lo scudo copre tutti i componenti sulla scheda.
La Figura 8 mostra i risultati EMI dopo l'aggiunta del filtro e dello schermo. Come mostrato, il rumore nell'intera banda di frequenza è quasi eliminato dallo schermo e le prestazioni EMI sono molto buone. Ciò è dovuto principalmente al fatto che i lunghi conduttori di ingresso, che sono equivalenti a un'antenna, accoppiano molto rumore irradiato, che lo schermo riesce a isolare. In questo progetto, anche il rumore IF è accoppiato ai conduttori di ingresso in questo modo.
Figura 7 3D modello del PCB con schermatura
Fig. 8 Caratteristiche di rumore con standard C5 (con filtro CM, DM e schermatura)
La figura 9 mostra anche le caratteristiche del rumore con filtri e schermature. A differenza della Figura 8, la schermatura nella Figura 9 è una scatola di metallo che avvolge l'intera scheda e sono esposti solo i cavi di ingresso. Nonostante la schermatura, parte del rumore irradiato può ancora aggirare il filtro EMI e accoppiarsi alle linee di alimentazione sul PCB, il che si traduce in caratteristiche di rumore peggiori rispetto alla Figura 8. È interessante notare che le caratteristiche di rumore della banda ad alta frequenza nelle Figure 4, 8 e 9 (cablaggio dello stesso layout) sono quasi identici. Questo perché con l'aggiunta del filtro EMI, il rumore irradiato in banda ad alta frequenza che può essere accoppiato alla linea di ingresso è quasi inesistente.
Fig. 9 Caratteristiche di rumore secondo lo standard C5 (con filtro CM, DM e scatola metallica schermata)
In sintesi, l'aggiunta di filtri EMI o schermatura può migliorare efficacemente le prestazioni EMI. Tuttavia, allo stesso tempo, è necessario considerare attentamente la disposizione e il cablaggio dei filtri e il posizionamento della schermatura.
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