Каждый источник питания с переключаемым режимом представляет собой широкополосный источник шума. Интеграция преобразователя DC-DC в автомобильный блок управления и при этом обеспечить выполнение требований производителей автомобилей к электромагнитной совместимости является сложной задачей.
Как правило, шум от преобразователя DC-DC и других высокоскоростных цепей излучается через подключенные кабели, которые выполняют функцию антенны. Чтобы заблокировать этот потенциальный путь излучения, в каждой точке подключения кабеля требуется установка фильтра. Фильтрация эффективна только в том случае, если H- или E-поля от источника шума не попадают в компоненты фильтра или кабели.
В условиях близкого поля амплитуда полей падает на 1 в квадрате расстояния (1/d2). Поэтому между источником шума, компонентами фильтра и соединителем требуется определенное минимальное расстояние.
К сожалению, размер печатной платы и расположение разъемов для кабелей обычно определяются конструктивными ограничениями. Кроме того, максимальная высота компонента может быть очень ограничена в определенных областях печатной платы, и установка компонентов с двух сторон также, может оказаться невозможной. Поэтому требуется тщательное размещение компонентов и компоновка печатных платы, особенно при работе в автомобильной отрасли.
Чтобы избежать прямого соединения E- и H-полей DC/DC-преобразователя с разъемами и кабелями, схема должна располагаться как можно дальше от точек подключения печатной платы (Рис. 1).
Рис. 1. Разместите источник шума на максимальном расстоянии от разъема и кабеля
Только расстояние или дополнительное экранирование могут снизить напряженность поля на фильтрах ЭМС, разъемах и кабелях до необходимого низкого уровня. Экранирование может заменить разнесение на значимое расстояние!
Лучше всего использовать двухстороннюю печатную плату, состоящую не менее чем из четырех слоев, где компоненты цепи постоянного тока и фильтра расположены на противоположных сторонах платы. По крайней мере, один внутренний слой должен быть сплошным заземлением, чтобы свести к минимуму перекрестную связь от источника шума с цепями фильтра.
В системах, в которых цепь DC/DC должна располагаться очень близко к разъему, элементы эффективного экранирования необходимо учитывать на ранних стадиях процесса проектирования. Радиаторы иногда могут использоваться для экранирования. В идеале индуктивность, микросхема DC/DC с мощными полевыми МОП-транзисторами и его развязывающие конденсаторы располагаются под экраном.
Руководство по компоновке печатной платы
В понижающем преобразователе основными источниками поля являются:
- Петля с высоким значением di/dt (горячая петля), образованная двумя силовыми ключами и CIN, которая излучает широкополосные магнитные поля.
- Узел SW между силовыми полевыми транзисторами и катушкой индуктивности с сильным излучением электрического поля
- Индуктор, который излучает E-поля и H-поля
Магнитные поля переменного тока экранируются сплошными металлическими конструкциями, которые допускают индукцию вихревых токов. Благодаря высокой проводимости медь очень эффективна как материал для изготовления экранов.
Любая петля с высоким значением di/dt излучает H-поля, величиной пропорциональной площади петли и амплитуды тока. Разместите входной конденсатор рядом с ключами — прерывателями, чтобы минимизировать площадь контура антенны.
Чтобы еще больше уменьшить магнитные поля от этой петли, поместите два набора конденсаторов симметрично на силовые ключи. В идеале пиковые токи в обеих петлях будут вдвое меньше первоначальных, что уменьшит H-поле на 6 дБ. Ориентация двух петель противоположна, что еще больше уменьшает излучаемое H-поле.
В слое под цепью DC-DC должна быть сплошной полигон GND, расположенный на расстоянии менее 100 мкм. В этом полигоне большие токи di/dt, протекающие через компоненты схемы и дорожки печатной платы, индуцируют вихревые токи. Вихревые токи текут напротив первоначальных токов на стороне компонента, и их магнитные поля нейтрализуют исходное поле. Лучше всего это работает, если вихревой ток может зеркально отразить большой ток контура di/dt со стороны компонента на минимальном расстоянии. Данный процесс уменьшает излучение H-поля со стороны компонентов печатной платы. В идеальном случае (сверхпроводимость, нулевое расстояние и идеальное совпадение обеих форм петель) полностью компенсировало H-полями вихревых токов.
Так как полигон GND под цепью DC/DC тока обладает импедансом, большие вихревые токи di/dt создают разность потенциалов и создают помехи в этой области. Поэтому зашумленная область GND должна быть отделена от области GND системы, особенно от GND для фильтров и разъемов. В многослойной печатной плате они разделены формой отдельных слоев и импедансом переходных отверстий между ними.
Трехмерное изображение многослойной печатной платы иллюстрирует эту концепцию (рис. 2).
Рис. 2. Трехмерный вид печатной платы — компоновка является частью схемы
На верхнем уровне входной конденсатор (CIN) и два мощных полевых транзистора соединяются с областью VIN и областью PGND (показаны красным), которые подключены к внутренним слоям через переходные отверстия. После переходных отверстий устанавливается индуктивный элемент (например, катушка от 1 мкГн до 2 мкГн). Тогда высокий ток di/dt от переключающего перехода вынужден протекать только в CIN, а не через печатную плату.
Область PGND не связана напрямую с каким-либо другим GND на стороне компонента, только через переходы к области PGND под блоком DC/DC (показан синим цветом). Цель состоит в том, чтобы удерживать высокочастотные токи на стороне компонентов, отделяя шум от «внешнего мира». По крайней мере, один слой должен быть сплошным заземлением для полного размера печатной платы, чтобы обеспечить опорную систему с низким импедансом. Помните, компоновка платы является частью схемы.
Следует ли размещать трассы платы под катушкой индуктивности?
Некоторые программы компоновки печатных плат имеют предварительную настройку, которая не позволяет размещать трассы под сердечником катушки индуктивности. Мнения по этой теме варьируются от полного отсутствия токопроводящих элементов до размещения сигналов непосредственно под катушкой на стороне компонентов печатной платы.
Рис. 3. Четырехслойная печатная плата без токопроводящих трасс под катушкой.
На рис. 3 показан эскиз магнитных полей вокруг катушки без трасс под катушкой. Ни в одном из 4-х слоев печатной платы. Линии сильного магнитного поля от катушки присутствуют на нижней стороне печатной платы и замыкаются вокруг печатной платы, эффективно наводя помехи в любом подключенном кабеле. Компоненты фильтра на печатной плате проходят через воздух. Данные обстоятельства делают очень трудным, если не невозможным, соответствие уровням электромагнитной совместимости OEM-производителей автомобилей.
На рис. 4 показана разводка печатной платы с медью непосредственно под катушкой со стороны компонентов.
Рис. 4 Влияние меди под катушкой на печатную плату
Это обеспечивает область для вихревых токов, чтобы нейтрализовать магнитное поле уже снаружи печатной платы. Внутренний слой 2 и нижний слой без наведенных помех. Компоненты фильтра ЭМС могут быть эффективно размещены на нижней стороне. Магнитное поле вихревых токов несколько снижает эффективную индуктивность катушки (обычно менее 5%). Вихревые токи также создают некоторые потери в меди GND. Еще один небольшой недостаток меди непосредственно под сердечником дросселя — повышенная паразитная емкость от обмотки к GND. Однако в большинстве конструкций этот эффект не является доминирующим, поскольку емкость очень мала.
Пример компоновки печатной платы: семейство MPQ443x
Семейство MPQ443x представляет собой синхронные понижающие преобразователи на 40 В с низким рабочим током покоя и выходным током от 1 А до 3,5 А, идеально подходящие для автомобильного и промышленного применения.
На верхней стороне печатной платы микросхема MPQ4430 (U1) имеет симметричные наборы CIN (C1A-C1D). GND этих конденсаторов напрямую подключен к контактам интегральной микросхемы PGND, которые являются источником нижних полевых транзисторов. Эта локальная зона GND очень зашумлена. Со стороны компонента эта область GND не связана напрямую с какой-либо другой областью GND. Единственное соединение осуществляется через переходные отверстия в области GND в слое под схемой DC тока. В этой конфигурации большой ток di/dt от силового каскада остается на стороне компонентов. Самая высокая плотность тока приходится на внутренние края дорожек, между VIN и PGND, показанные в примере зеленым эллипсом (Рис. 5).
Рис. 5. Вид сверху на печатную плату MPQ4430.
VIN соединен с уровнем 3 переходными отверстиями. Из-за индуктивности переходных отверстий высокочастотная часть входного тока остается на верхней стороне. CIN9 гасит этот узел VIN на микросхеме, но, поскольку он имеет высоту 6 мм и катодом соединен с GND, он также блокирует часть излучения электронного поля от узла SW и катушки.
Вырез вокруг блока DC/DC на верхней стороне удерживает весь высокочастотный ток в пределах этой области. Без разреза часть токов горячей петли по-прежнему будет протекать в углу печатной платы, создавая шум в этой области.
Узел SW с высоким значением dV/dt подключен к индуктору, который обычно имеет большой размер и излучает электромагнитное поле. Для большинства индукторов излучение электрического поля ниже, если начало обмотки подключено к узлу SW.
Одним из приемов уменьшения излучения электромагнитного поля от катушки является размещение выходных конденсаторов (C2A и C2B) с обеих сторон катушки. Это работает лучше всего, если конденсаторы такой же высотой или выше, чем катушка. Как правило, катушка индуктивности меньшего размера и с более низким профилем обычно обеспечивает лучшие характеристики ЭМС, чем более крупная и высокая катушка.
Рис. 6. Рекомендованная компоновка печатной платы для внутреннего слоя 1
Внутренний слой 1 оптимизированной для ЭМС платы — это GND. Он должен располагаться на 70 мкм ниже верхней стороны (Рис. 6). Эта область GND шумная. Вырез в области заземления вокруг блока DC/DC предотвращает протекание остаточных токов по краям слоя под разъемом и компонентами фильтра. Вырез должен иметь два узких отверстия именно там, где VIN и VOUT направляются к цепи DC тока на нижнем слое, обеспечивая определенный локальный обратный путь.
Результаты: Кондуктивное излучение от 30 МГц до 100 МГц.
При fSW = 470 кГц и частотной модуляции с расширенным спектром (SSFM) результат теста CE в диапазоне от 30 МГц до 108 МГц составляет около 0 дБмкВ, что всего на несколько дБ выше системного шума (Рис. 7).
Рис. 7. Результаты испытаний CE, от 30 МГц до 108 МГц
MPQ4431 с переключением на частоте 470 кГц с катушкой индуктивности 0805 2,2 мкГн и двумя выходными конденсаторами 0805 прошел испытание низкочастотным монополем RE без дополнительного экранирования или SSFM (Рис. 8).
Рис. 8. Результаты испытаний низкочастотного монополя
С учетом того, что компоновка с ее паразитными элементами является частью схемы, конструкция печатной платы может быть оптимизирована для снижения электромагнитных помех в преобразователях постоянного тока. Понижающий преобразователь MPQ4431 от MPS демонстрирует, что тщательное размещение компонентов и общая компоновка платы позволяют соблюдать строгие ограничения по электромагнитной совместимости в автомобильной промышленности.
Источник: www.edn.com