Phát xạ bức xạ của bộ chuyển đổi DC-DC cách ly

Một độc giả của EMC FastPass đã liên hệ với tôi để chia sẻ một bài báo mà họ đã viết gần đây, trong đó phác thảo một giải pháp mà họ tìm ra cho vấn đề phát thải bức xạ. Họ đã rất tử tế khi cho phép tôi đăng lại bài báo trên blog này để người đọc EMC FastPass cũng có thể hưởng lợi từ thông tin. Điều đó khiến tôi nghĩ rằng những người khác có thể có rất nhiều câu chuyện tương tự về sự cố, khắc phục sự cố và giải pháp. Nếu bạn cũng muốn chia sẻ, tôi đã tạo một biểu mẫu đơn giản để gửi thông tin cho tôi tại đây . Bạn càng chia sẻ nhiều, tất cả chúng ta sẽ học được nhiều hơn, vì vậy hãy dành thời gian để cho chúng tôi biết những gì bạn đã giải quyết trong quá khứ.

Tất cả chúng ta đều đã từng như vậy – tôi nhớ cảm giác khó chịu như thế nào khi sản phẩm do tôi thiết kế không đạt lần thử nghiệm phát thải bức xạ lần thứ hai. Sếp của tôi tỏ ra khó chịu và chúng tôi đang chịu rất nhiều áp lực phải sửa nó để có thể vận chuyển sản phẩm. Chia sẻ sẽ giúp toàn bộ cộng đồng EMC FastPass cải thiện khả năng vượt qua của chúng tôi, vì vậy hãy truyền lại câu chuyện của bạn .

Nhập [ẩn danh] Trình đọc EMC FastPass (từ một công ty rất nổi tiếng)…..

Tóm tắt

Có một số sản phẩm yêu cầu đáp ứng yêu cầu cách ly. Để đáp ứng yêu cầu này, chúng ta thường sử dụng bộ biến đổi DC – DC cách ly, đây là một giải pháp đơn giản và gọn nhẹ. Thông thường, điều này dẫn đến các vấn đề nhiễu điện từ nghiêm trọng ảnh hưởng xấu đến chứng nhận/chất lượng của sản phẩm. Điều này là do máy biến áp tích hợp trong thiết bị chuyển đổi DC – DC cách ly, chuyển đổi ở tần số cao, trong phạm vi Mega Hertz. Lượng thời gian và tiền bạc đáng kể được sử dụng để gỡ lỗi và giải quyết những vấn đề này. Bài báo này nhằm giải quyết những vấn đề này bằng các giải pháp, giúp người thiết kế chủ động ở giai đoạn thiết kế, từ đó tiết kiệm thời gian và tiền bạc, những thông số quan trọng của chi phí dự án.

Một loạt các thử nghiệm & phân tích đã được tiến hành để tìm ra nguyên nhân gốc rễ của vấn đề. Một số thử nghiệm đã được thử nghiệm để tìm ra nguyên nhân gốc rễ như sau:

1) Vô hiệu hóa Vi điều khiển

2) Tắt bộ chuyển đổi DC-DC chuyển tiếp

3) Vô hiệu hóa bộ chuyển đổi DC – DC cách ly và cung cấp nguồn DC bên ngoài.

Các thí nghiệm này chỉ ra rõ ràng rằng bộ chuyển đổi DC – DC cách ly đã gây ra sự cố phát xạ bức xạ.

Thí nghiệm cuối cùng đã dẫn đến kết quả quan trọng khi lượng phát xạ thấp hơn nhiều so với (6 đến 10 dBuV) so với đường giới hạn. Khi đã xác định được nguồn phát thải, nhiều biện pháp khắc phục khác nhau đã được cố gắng thực hiện để giảm phát thải từ sản phẩm, nhằm đủ điều kiện chứng nhận cho sản phẩm. Các bản sửa lỗi này cũng sẽ được giải thích chi tiết trong bài báo với các biểu đồ phát thải. Là một phần của mạch lọc EMI, sẽ tốt hơn nếu có dự phòng cho hạt ferit nhất định và tụ điện trong mạch chuyển đổi DC – DC Cách ly trên PCB hoặc bo mạch trong giai đoạn nguyên mẫu đầu tiên. Trong quá trình thử nghiệm, có thể thử các giá trị khác nhau của các thành phần này và mạch lọc EMI có thể được tinh chỉnh để đạt được kết quả tốt nhất. Điều này sẽ tránh được việc xây dựng nhiều bản sửa đổi PCB hơn, từ đó giảm tổng chi phí của dự án và tăng doanh thu sản phẩm theo thời gian.

Giới thiệu

Sản phẩm được phát triển được sử dụng như một công cụ chẩn đoán trong lĩnh vực hiệu chỉnh và bảo trì ECU. Trong quá trình kiểm tra nhiễu tần số vô tuyến, đã xảy ra lỗi. Một số phân tích đã được thực hiện để đi đến nguyên nhân cốt lõi của vấn đề.

Tại sao lại có yêu cầu cách ly đối với sản phẩm này?

Một trong những yêu cầu của sản phẩm bắt buộc phải đáp ứng là sự cách ly giữa phần CAN & USB. Để đáp ứng yêu cầu này, một bộ chuyển đổi DC – DC cách ly & bộ thu phát CAN cách ly đã được sử dụng. Sự cách ly được cung cấp ở phía CAN chứ không phải ở phía USB.

Đặc điểm của bộ biến đổi DC – DC cách ly:

Bộ nguồn cách ly thường bao gồm máy biến áp hoặc bộ cách ly quang trong cả đường dẫn nguồn và phản hồi. Do đó, các bộ nguồn cách ly thường có thiết kế phức tạp hơn so với các bộ nguồn không cách ly. IC công suất cách ly của Maxim chứa các thành phần cách ly cần thiết, do đó giảm độ phức tạp và chi phí thiết kế. Hình 2 cho thấy sơ đồ khối của bộ chuyển đổi DC-DC cách ly.

Máy biến áp

Một thành phần quan trọng trong bất kỳ nguồn điện cách ly nào là máy biến áp. Các thông số kỹ thuật quan trọng của máy biến áp điện có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ tin cậy là điện trở DC và AC của cuộn sơ cấp và thứ cấp, dẫn đến tổn thất khi vận hành. Một tham số quan trọng khác là điện cảm rò rỉ. Điện cảm rò rỉ là một yếu tố ký sinh quan trọng phải được giữ ở mức thấp nhất có thể để tối đa hóa khả năng truyền điện đến thứ cấp. Điện cảm rò rỉ thấp cũng làm giảm tổn thất trong sơ cấp. Như với bất kỳ bộ nguồn chuyển mạch nào khác, vị trí linh kiện là rất quan trọng. Do cách ly sơ cấp với thứ cấp nên nền sơ cấp và thứ cấp được tách ra.

Dòng DCR01 là một loạt các bộ chuyển đổi DC/DC được điều chỉnh đầu ra, cách ly đầu vào, hiệu suất cao. Ngoài công suất đầu ra danh nghĩa 1W, được cách ly về mặt điện, dòng DC/DC này còn có độ ồn đầu ra rất thấp, khả năng bảo vệ nhiệt và độ chính xác cao. Dòng DCR01 được triển khai trong một đóng gói IC đúc tiêu chuẩn, đưa ra các phác thảo JEDEC tiêu chuẩn phù hợp cho việc lắp ráp khối lượng lớn.

Hình 2 : Sơ đồ khối của bộ biến đổi DC – DC cách ly

POWER

Nguồn cung cấp đầu vào được cắt nhỏ ở tần số 400 kHz (bộ tạo dao động bên trong chia cho 2), được sử dụng để điều khiển máy biến áp hình xuyến có điểm giữa. Đầu ra của máy biến áp được chỉnh lưu toàn sóng và làm mịn bằng tụ điện bên ngoài được kết nối với VREC.

THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN

Bộ điều chỉnh điện áp thấp bên trong cung cấp điện áp đầu ra được điều chỉnh tốt, trong toàn bộ phạm vi hoạt động của thiết bị.

BỘ DAO ĐỘNG THẠCH ANH VÀ WATCHDOG

DCR01 sử dụng bộ tạo răng cưa bên trong để cung cấp bộ tạo dao động 800 kHz trên bo mạch được dùng để điều khiển mạch nguồn switching. Hoạt động của bộ tạo dao động được giám sát bởi watchdog, nó sẽ điều chỉnh ba trạng thái mạch điều khiển đầu ra nếu bộ tạo dao động bị lỗi hoặc nếu chân SYNC ở mức THẤP (chế độ tắt). Khi chân SYNC trở về mức CAO, hoạt động bình thường sẽ tiếp tục. Tần số chuyển mạch cao 400 kHz cho phép sử dụng các giá trị tương đối nhỏ của tụ điện để lọc điện áp đầu ra được chỉnh lưu. Tụ điện ESR thấp chất lượng tốt 1μF được đặt gần chân VREC và đất đầu ra sẽ giảm gợn.

SỰ THỰC HIỆN

DCR01 được chế tạo bằng cách sử dụng IC điều khiển, bộ điều chỉnh điện áp sụt áp thấp, điốt chỉnh lưu và cuộn dây hình xuyến từ tính, tất cả đều được gắn trên khung dây dẫn. DCR01 không yêu cầu xử lý lắp ráp PCB đặc biệt, vì không có chất hàn trong gói. Kết quả là một bộ chuyển đổi DC/DC cách ly với độ tin cậy cao vốn có.

BỐ CỤC P C B

DCR01 là nguồn cung cấp năng lượng chuyển đổi và do đó có thể đặt ra nhu cầu dòng điện cực đại cao đối với nguồn cung cấp đầu vào. Để tránh nguồn cung cấp bị sụt giảm trong giây lát trong các xung chuyển đổi nhanh, nên sử dụng các mặt phẳng plane nguồn và plane đất để theo dõi nguồn điện đến đầu vào của DCR01 (điều này cũng sẽ giúp giảm nhiễu trên mạch). Nếu điều này là không thể, các nguồn cung cấp phải được kết nối theo hình sao, với các trace càng rộng càng tốt.

QUẢN LÝ NHIỆT

Do mật độ năng lượng cao của thiết bị này, nên cung cấp một mặt phẳng đất ở đầu ra. Bộ điều chỉnh đầu ra được gắn trên khung dây dẫn bằng đồng bên trong IC và mặt phẳng đất sẽ đóng vai trò là bộ tản nhiệt hiệu quả.

MÔ TẢ VẤN ĐỀ

Sản phẩm này phải đạt tiêu chuẩn phát xạ bức xạ được đề cập trong bảng dưới đây (Bảng 01). Thử nghiệm phát xạ bức xạ được tiến hành trong buồng không phản xạ. Khoảng cách giữa sản phẩm và ăng-ten là 10 mét.

Bảng 01:

Tuy nhiên, thử nghiệm đã thất bại ở một số tần số nhất định (40 Mhz đến 80 Mhz) do mức phát xạ vượt quá giới hạn 30dbµV/m ở các tần số này. Biểu đồ Phát xạ Bức xạ cho cả phương ngang & dọc được thể hiện trong hình bên dưới.

RE Plot: Ngang: 30MHz đến 1GHz

RE Plot: Dọc: 30MHz đến 1GHz

Các mạch đã được phân tích một cách cẩn thận. Thiết kế mạch cho phần chuyển đổi DCR có một bộ lọc tụ điện đơn giản ở giai đoạn đầu vào và đầu ra. Giá trị tụ điện khuyến nghị là, từ 1 đến 2,2uF và giá trị tương tự được sử dụng như minh họa bên dưới trong Hình 3. U4 là ký hiệu chỉ định tham chiếu cho chip IC bộ chuyển đổi DCR. [Lưu ý – Tôi đã nhanh chóng vẽ sơ đồ này theo cách thủ công. Các ký hiệu mạch không khớp chính xác với IC thực tế]

Hình 3 : Mạch chuyển đổi DC–DC DCR cách ly với bộ lọc Tụ điện đơn giản ở phía Đầu vào

Phân tích được thực hiện để tìm ra nguyên nhân gốc rễ

Nhiều thử nghiệm đã được tiến hành để tìm ra nguyên nhân gốc rễ của vấn đề. Các thành phần sau bộ vi điều khiển, chip cấp nguồn (cả cách ly và không cách ly) được sử dụng trong bo mạch, đều bị nghi ngờ. Chúng bị nghi ngờ vì chúng đang chuyển đổi ở tần số cao. Là một phần của quá trình phân tích, từng thành phần đã bị vô hiệu hóa và thử nghiệm Phát xạ bức xạ được tiến hành vài lần. Các lô bị bắt đã được phân tích thêm. [Lưu ý: đây là một cách rất tốt để truy tìm nguồn phát ra bức xạ. Vô hiệu hóa các phần của mạch điện và ngắt kết nối cáp cho đến khi nhiễu giảm hoặc biến mất].

Một trong những thí nghiệm tiết lộ thành phần nào đang góp phần đáng kể vào phát xạ bức xạ là “ Vô hiệu hóa bộ chuyển đổi DCR cách ly ”. Trong quá trình thử nghiệm này, bộ chuyển đổi DCR đã bị tắt. Một nguồn cung cấp DC tuyến tính bên ngoài đã được sử dụng để cấp nguồn cho mạch CAN. Sau đó, biểu đồ phát xạ bức xạ đã được chụp. Các lô được hiển thị dưới đây để tham khảo. Lượng phát xạ trong các đồ thị này thấp hơn rất nhiều so với đường giới hạn. Thử nghiệm này chỉ ra rõ ràng rằng bộ chuyển đổi DCR đã gây ra lỗi thử nghiệm phát xạ bức xạ.

RE Plot: Ngang, 30 MHz đến 1 GHz khi tắt bộ chuyển đổi DCR

RE Plot: Dọc, 30 MHz đến 1 GHz khi tắt bộ chuyển đổi DCR

Các giải pháp khác nhau đã cố gắng khắc phục sự cố

1) Thêm hạt Ferrite trên đường Nguồn ở phía Đầu vào của bộ chuyển đổi DCR:

Bộ lọc EMC có hạt ferit trên Đường dây nguồn, ở phía đầu vào của bộ chuyển đổi DCR đã được sử dụng. Thông thường, một bộ lọc duy nhất ở mỗi bên của bảng mạch sẽ xử lý các yêu cầu về EMC. Tuy nhiên sửa chữa này không giúp được gì nhiều. [Lưu ý – Tôi đã nhanh chóng vẽ sơ đồ này theo cách thủ công. Các ký hiệu mạch không khớp chính xác với IC thực tế]

Hình 4 : Bộ lọc PI được cung cấp ở phía đầu vào trên đường nguồn

2) Bộ lọc PI đề xuất từ ​​Texas Instrument:

Để đáp ứng các quy định quốc tế về nhiễu tần số vô tuyến (RFI) ở cấp độ thiết bị và hệ thống, thường cần có một số loại bộ lọc EMC ở phía đầu vào và đầu ra của bộ chuyển đổi DC/DC. Hạt ferrite tương tự đã được sử dụng trên đường dây đất của bộ chuyển đổi.

Hình 6 : Bộ lọc PI được cung cấp trên cả đường nguồn & đất 

Mặc dù có hạt ferit được cung cấp trên cả đường Nguồn & Đất ở phía đầu vào của bộ chuyển đổi DCR, vấn đề vẫn chưa được giải quyết và cũng không cho thấy bất kỳ sự cải thiện đáng kể nào trong biểu đồ phát xạ bức xạ.

3) Giải pháp cuối cùng giải quyết vấn đề EMC:

Ngoài giải pháp hạt ferit ở trên, các tụ điện cao áp vài nF/pF (nano Farad/pico Farad) được kết nối giữa đường đất đầu vào và đường đất đầu ra của bộ chuyển đổi DCR. Trong quá trình thử nghiệm này, các giá trị khác nhau của tụ điện cao áp đã được cố gắng hạ thấp giá trị bức xạ bức xạ thấp hơn nhiều so với đường giới hạn để có đủ biên độ. Các giá trị cuối cùng của các tụ điện 22pF, 0,01uF được hiển thị bên dưới trong mạch (lỗi trong sơ đồ nên hiển thị 22pF). Các tụ điện được chọn được xếp vào loại điện áp cao vì thiết kế phải đáp ứng yêu cầu cách điện của sản phẩm. [Lưu ý – Tôi đã nhanh chóng vẽ sơ đồ này theo cách thủ công. Các ký hiệu mạch không khớp chính xác với IC thực tế]

Hình 6 : Tụ điện cao áp được sử dụng giữa đất đầu vào & đất đầu ra

Đặc điểm của việc sử dụng các tụ điện cao thế giữa hai Ground

Do dv/dt (tốc độ thay đổi điện áp) cao hiện diện trong các mạch chuyển mạch, dòng điện sẽ chạy trong bất kỳ điện dung ký sinh nào. Có điện dung ký sinh giữa sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp. Trừ khi có một đường dẫn có chủ ý cho dòng điện trở lại (sự hoàn thành của mạch), các dòng điện ký sinh sẽ chạy theo những đường dẫn ngoài ý muốn. Nếu các đường dẫn ngoài ý muốn có diện tích vòng lặp lớn (như chúng thường có), vòng lặp sẽ bức xạ (sẽ gây nhiễu điện từ). Tụ điện được kết nối giữa điểm đất đầu vào và điểm đất đầu ra, cung cấp một đường dẫn ngắn, với diện tích vòng lặp nhỏ, cho dòng điện ký sinh. Vì nó làm cầu nối cho hàng rào cách ly giữa sơ cấp và thứ cấp nên nó phải là tụ điện an toàn Y2.

Cũng cần lưu ý rằng các dòng điện ký sinh chạy qua các đường dẫn điện trở và phản ứng có thể gây ra sự khác biệt điện áp gây cản trở các mạch nhạy cảm, chẳng hạn như mạch phản hồi của chính nguồn điện. Điện dung của tụ bắc cầu phải đủ nhỏ để dòng rò chạy qua hàng rào cách điện nằm trong giới hạn an toàn, thường là 0,75mA. Đây là lý do tại sao điện dung thường chỉ là một vài nF/pF.

Tham khảo: https://emcfastpass.com/case-study-iso-dc-dc/