Mười mẹo để giảm thiểu EMI từ bộ chuyển đổi DC-DC

Khá phổ biến khi tìm thấy nhiều bộ chuyển đổi DC-DC tích hợp trên các thiết bị cầm tay, di động và IoT ngày nay. Nếu thiết bị sử dụng công nghệ không dây, GPS hoặc di động, EMI từ các bộ chuyển đổi này (thường sử dụng tần số chuyển mạch từ 1 đến 3 MHz) thường gây nhiễu hiệu suất thu của các mô-đun không dây.

Vấn đề thực sự nảy sinh đối với mạng di động băng tần thấp (700-900 MHz) hoặc GPS (1575,42), và có lẽ ít hơn đối với Wi-Fi (2,4 GHz), vì phát xạ hài từ các bộ chuyển đổi này thường mở rộng lên đến 2 GHz hoặc hơn. Các nhà cung cấp dịch vụ di động có các yêu cầu nghiêm ngặt về độ nhạy của bộ thu và Độ nhạy đẳng hướng toàn phần (TIS) là một trong những thử nghiệm được thực hiện trong quá trình tuân thủ CTIA. Nếu bộ thu không đủ nhạy, sản phẩm sẽ không được phép đưa vào hệ thống di động ( Tài liệu tham khảo 1 và 2 ).

Bài viết này mô tả mười phương pháp hàng đầu để giảm phát thải từ các bộ chuyển đổi DC-DC này. Chúng được liệt kê không theo thứ tự cụ thể – TẤT CẢ đều quan trọng.

1. Chỉ định bộ chuyển đổi EMI thấp. Cả Texas Instruments (TI) và Analog Devices / Linear Technologies (AD) đều tiếp tục phát triển các thiết bị EMI thấp. AD gần đây đã phát triển Silent Switcher của họ, có khả năng định vị tụ điện đầu vào và đầu ra đặc biệt gần với gói IC. Bộ chuyển đổi EMI thấp Silent Switcher 2 mới hơn của họ kết hợp cả tụ điện đầu vào và đầu ra cùng các vòng lặp liên quan của chúng trong gói IC. Cuối cùng, loạt bộ chuyển đổi “µModule” của họ cũng kết hợp cả cuộn cảm đầu ra. Mặc dù đắt hơn, nhưng tất cả những bộ chuyển đổi này đều đặc biệt yên tĩnh đối với EMI.

2. Sử dụng một stack-up bo mạch PC thích hợp. Hầu hết khách hàng của tôi đều hiểu sai điều này ( Hình 1 ). Tất cả các lớp tín hiệu phải có một mặt phẳng tham chiếu đất liền kề (GRP) và tất cả các đường dẫn nguồn (hoặc mặt phẳng) cũng phải có một GRP liền kề ( Hình 2 ). Điều này là do tất cả các đường microstrip, đường stripline và đường dẫn nguồn đều phải được coi là các đường truyền trong công nghệ kỹ thuật số nhanh ngày nay. Nếu không tuân theo quy tắc này, hãy mong đợi nhiễu và tín hiệu ghép nối giữa các mạch (một dạng nhiễu xuyên âm), EMI bức xạ và bức xạ cạnh bo mạch trực tiếp vào ăng-ten.

Hình 1 – Một thiết kế stack-up EMI rất phổ biến nhưng kém (ví dụ 6 lớp). Các lớp tín hiệu 4 và 6 được tham chiếu đến nguồn, trong khi các mặt phẳng GRP và nguồn không liền kề với hai lớp tín hiệu ở giữa. Điều này sẽ ghép các xung điện trên hai lớp tín hiệu đó.

Hình 2 – Thiết kế stack-up EMI tốt (ví dụ 8 lớp). Tất cả các lớp tín hiệu đều được tham chiếu đến GRP liền kề, trong khi nguồn cũng được tham chiếu đến GRP liền kề.

3. Mặt phẳng tham chiếu đất (hoặc các mặt phẳng) phải là mặt phẳng liên tục. Các tín hiệu chuyển mạch nhanh hoặc các đường dẫn bộ chuyển đổi đi qua các khoảng hở hoặc khe trong mặt phẳng tham chiếu đất (GRP) sẽ ghép nối EMI trên toàn bộ bo mạch và có thể ghép nối vào các bộ phận nhạy cảm. Lưu ý rằng một số bảng dữ liệu cũ hơn của TI ( Lưu ý 1 ) khuyến nghị nên cắt GRP (và tất cả các tín hiệu khác) khỏi đường dẫn của đường dẫn mạch từ nút SW của bộ chuyển đổi đến đầu vào của cuộn cảm đầu ra. Điều này không đúng! Đường dẫn này PHẢI nằm cạnh một GRP liên tục. Nếu không, các đề xuất về layout của họ là OK. Vui lòng tham khảo bản demo video giải thích lý do tại sao các khoảng hở trong GRP là một thảm họa đối với EMI ( Tham khảo 3 ).

4. Giữ tất cả mạch chuyển đổi DC-DC trên lớp trên cùng và trên GRP liền kề. Một vấn đề tạo ra sự ghép nhiễu là chạy tín hiệu chuyển mạch nhanh từ trên xuống dưới của bo mạch PC. Tôi có một khách hàng định vị mạch chuyển đổi ở trên cùng và cuộn cảm đầu ra ở dưới cùng của bo mạch của họ. Dòng điện chuyển mạch 3 MHz kết quả chạy từ trên xuống dưới và ngược lại tạo ra đủ nhiễu để chặn thu tín hiệu GPS trên bo mạch. Nếu tín hiệu thời gian tăng (rise time) nhanh phải được định tuyến từ trên xuống dưới, thì điều này thường yêu cầu một tụ điện stitching liền kề (nguồn điện được kết nối với GRP) nằm cạnh via để cung cấp đường dẫn trở về gần đó cho dòng tín hiệu trở về nguồn.

5. Giữ tất cả các mạch chuyển đổi DC-DC cực kỳ gần với IC chuyển đổi. Bộ chuyển đổi DC-DC luôn có một vòng lặp dòng điện đầu vào và một vòng lặp dòng điện đầu ra ( Hình 3 ). Các khu vực vòng lặp này phải được giảm thiểu! Các nhà sản xuất IC đang bắt đầu nhận ra rằng EMI là một vấn đề và cảnh báo các nhà thiết kế về Các nhà sản xuất bộ chuyển đổi thường (gần cuối bảng dữ liệu!) đưa ra một layout được đề xuất. Các đề xuất về layout trong 2-3 năm qua thường chính xác. Nếu cũ hơn thế, thường không chính xác. Cả tụ điện đầu vào và đầu ra, cùng với cuộn cảm đầu ra, phải được đặt càng gần gói IC càng tốt để giảm thiểu các vòng lặp này.

Hình 3 – Hình minh họa cho thấy hai vòng dòng điện “nóng” trong bộ chuyển đổi buck DC-DC thông thường; một ở đầu vào chính và một ở đầu ra thứ cấp. Được cung cấp bởi Analog Devices / Linear Technology AN-130.

6. Đặt mạch chuyển đổi DC-DC gần với đầu vào nguồn điện của bo mạch. Điều này sẽ có xu hướng định vị dòng điện chuyển mạch tránh xa các mô-đun không dây nhạy cảm ( Tham khảo 4 ). Tuy nhiên, có thể có những trường hợp nhà sản xuất mô-đun không dây muốn đặt bộ chuyển đổi gần mô-đun. Nếu đúng như vậy, hãy tuân thủ tất cả các quy tắc khác và đối mặt với rủi ro tăng lên khi ghép nối EMI trực tiếp với ăng-ten!

7. Cuộn cảm đầu ra phải là loại có che chắn (shielded). Có hai loại cuộn cảm: có che chắn và không che chắn. Luôn sử dụng cuộn cảm có che chắn vì loại này có xu hướng hạn chế trường từ H. Nếu bạn có thể nhìn thấy các cuộn dây, thì đó là loại không có che chắn (unshielded)!

Hình 4 – Mặt cắt ngang của hai cuộn cảm lõi ferrite thông thường. Bạn có thể thấy các vòng ở kiểu không được che chắn (bên phải), nhưng không thấy ở kiểu có che chắn (bên trái). Lớp che chắn ferrite có khả năng hạn chế từ trường tốt hơn nhiều (mũi tên màu đỏ). Được cung cấp bởi Würth Elektronik.

8. Định hướng cuộn cảm đầu ra để có EMI thấp nhất. Cuộn cảm có một điểm “bắt đầu” và một điểm “kết thúc” trên cuộn dây. Điểm bắt đầu đôi khi được đánh dấu trên đỉnh của thân bằng một nửa vòng tròn hoặc dấu chấm. Vì điểm bắt đầu của cuộn dây bị che bởi tổng số vòng dây, nên nó được che chắn phần nào bởi chính những vòng dây đó. Định hướng điểm bắt đầu của cuộn dây sao cho nó kết nối với đầu ra được chuyển mạch (thường được dán nhãn “SW”) của IC bộ chuyển đổi DC-DC. Đầu kết thúc của cuộn dây kết nối với bộ lọc đầu ra, do đó nó sẽ bớt nhiễu hơn điểm bắt đầu của cuộn dây.

Hình 5 – Một số cuộn cảm ferrite có một dấu hiệu nào đó, chẳng hạn như hình bán nguyệt của TDK, chỉ ra chân 1 (điểm bắt đầu của cuộn dây). Trên các bộ phận của Würth Elektronik, đây thường là một dấu chấm. Được cung cấp bởi Rick Hartley Enterprises và TDK of America.

9. Bộ chuyển đổi DC-DC có thể sẽ cần đến các shield cục bộ. Mặc dù sử dụng các cuộn cảm được che chắn từ tính, thiết kế bo mạch PC tốt và các phương pháp bố trí, vẫn sẽ có một trường H mạnh, và đặc biệt là E, được tạo ra xung quanh các vòng mạch và đầu ra. Thiết kế bo mạch PC của bạn để chứa các shiled cục bộ này ngay từ đầu bằng cách thêm ” connector kẹp – Shield Clips” được kết nối với GRP. Nếu bạn không cần chúng, thì tuyệt.

10. Đặt ăng-ten và cáp đồng trục xa mạch chuyển đổi nguồn. Ăng-ten và cáp đồng trục liên quan (nếu sử dụng) phải được đặt càng xa DC-DC càng tốt. Mạch đầu vào của bộ chuyển đổi buck giảm điện áp lớn sẽ có dV/dt tương đối cao và trường điện liên quan có thể ghép nối trực tiếp vào bộ thu.

Lưu ý 1 – Một số bảng dữ liệu cũ của TI (ví dụ bên dưới) khuyến nghị loại bỏ GRP xung quanh nút đầu ra (và đôi khi là nút đầu vào) của thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC hoặc bảng demo của họ. Theo tôi, điều này là không đúng, như đã lưu ý ở trên trong Mẹo 4 .

Tham khảo: https://interferencetechnology.com