A interferência eletromagnética (EMI) no design tem sido uma grande dor de cabeça, especialmente no campo automotivo. Para minimizar a EMI tanto quanto possível, os projetistas geralmente projetam esquemas e desenham layouts para reduzir as fontes de ruído, diminuindo as áreas de loop com di / dt alto e taxas de transição de comutação.
No entanto, às vezes, não importa o quão cuidadoso seja o layout e o projeto esquemático, ainda não é possível reduzir a EMI conduzida ao nível desejado. Isso ocorre porque o ruído depende não apenas dos parâmetros parasitas do circuito, mas também da intensidade da corrente. Além disso, a ação de abertura e fechamento da chave gera correntes descontínuas, e essas correntes descontínuas criam ondulações de tensão nos capacitores de entrada, que aumentam a EMI.
Portanto, é necessário usar alguns outros métodos para melhorar o desempenho da EMI conduzida. Este documento se concentra na introdução de filtros de entrada para filtrar o ruído ou na adição de escudos para bloquear o ruído.
Fig. 1 Esboço esquemático de um filtro EMI
A Figura 1 mostra um filtro EMI simplificado, incluindo um filtro de modo comum (CM) e um filtro de modo diferencial (DM). Normalmente, o filtro DM é usado principalmente para filtrar ruídos menores que 30MHz (ruído DM) e o filtro CM é usado principalmente para filtrar ruídos de 30MHz a 100MHz (ruído CM). No entanto, ambos os filtros realmente fornecem alguma supressão de ruído EMI em toda a banda de frequência.
A Figura 2 mostra um ruído de entrada sem filtros, incluindo ruído positivo e negativo, e identifica o nível de pico e o nível médio desses ruídos. Nesse caso, o sistema em teste usa principalmente o chip LMR14050SSQDDARQ1 para produzir 5V/5A e alimentar o chip subsequente TPS65263QRHBRQ1, que produz simultaneamente 1,5V/3A, 3,3V/2A e 1,8V/2A. Ambos os dois chips operam a uma frequência de comutação de 2,2 MHz. Além disso, o padrão EMI conduzido mostrado na figura é CISPR25 Classe 5 (C5).
Fig. 2 Características de ruído no padrão C5 (sem filtro)
A Figura 3 mostra os resultados de EMI com a adição de um filtro DM. Como pode ser visto na figura, o filtro DM atenua o ruído DM de banda média (2MHz a 30MHz) em aproximadamente 35dBμV/m. Além disso, o ruído de banda alta (30MHz a 100MHz) também é reduzido, mas ainda excede o nível limite. Isso se deve principalmente à capacidade limitada de filtragem do filtro DM para ruído CM de banda de alta frequência.
Fig. 3 Características de ruído no padrão C5 (com filtro DM)
A Figura 4 mostra as características do ruído com a adição dos filtros CM e DM. Em comparação com a Figura 3, a adição do filtro CM reduz o ruído CM em aproximadamente 20 dB μV/m. O desempenho EMI também passa no padrão C5. E o desempenho EMI também passa no padrão CISPR25 C5.
Fig. 4 Características de ruído no padrão C5 (com filtros CM e DM)
A Figura 5 mostra as características de ruído dos filtros de banda CM e DM em diferentes layouts, onde os filtros são os mesmos da Figura 4. No entanto, em comparação com a Figura 4, o ruído aumenta em cerca de 10 dB μV/m em toda a frequência banda, e o ruído de alta frequência até excede o valor médio do padrão CISPR25 C5.
Fig. 5 Características de ruído no padrão C5 (com filtros CM e DM, layouts diferentes)
A diferença nos resultados de ruído entre as Figuras 4 e 5 se deve principalmente às diferenças na fiação da PCB, conforme mostrado na Figura 6. Na fiação da Figura 5 (lado direito da Figura 6), uma grande cobertura de cobre (GND) envolve o filtro DM e forma algumas capacitâncias parasitas com o alinhamento Vin. Essas capacitâncias parasitas fornecem um caminho efetivo de baixa impedância para o filtro de desvio de sinal de alta frequência. Portanto, para maximizar o desempenho do filtro, é necessário remover todo o revestimento de cobre ao redor do filtro, conforme mostrado no lado esquerdo da fiação na Figura 6.
Figura 6 Fiação de PCB diferente
Além de adicionar filtros, outra maneira eficaz de otimizar o desempenho de EMI é adicionar shields. Isso ocorre porque a blindagem de metal conectada ao GND evita que o ruído irradie para fora. A Figura 7 recomenda um método de colocação da blindagem. A blindagem cobre todos os componentes da placa.
A Figura 8 mostra os resultados de EMI após adicionar o filtro e a blindagem. Como mostrado, o ruído em toda a banda de frequência é quase eliminado pela blindagem e o desempenho de EMI é muito bom. Isso se deve principalmente ao fato de que os cabos de entrada longos, equivalentes a uma antena, acoplam muito ruído irradiado, que a blindagem passa a isolar. Nesse projeto, o ruído de FI também é acoplado aos condutores de entrada dessa maneira.
Figura 7 3D modelo do PCB com blindagem
Fig. 8 Características de ruído com padrão C5 (com CM, filtro DM e blindagem)
A Figura 9 também mostra as características de ruído com filtros e shields. Ao contrário da Figura 8, a blindagem da Figura 9 é uma caixa de metal que envolve toda a placa e apenas os cabos de entrada ficam expostos. Apesar da blindagem, algum ruído irradiado ainda pode contornar o filtro EMI e se conectar às linhas de energia na PCB, o que resulta em características de ruído piores do que na Figura 8. Curiosamente, as características de ruído da banda de alta frequência nas Figuras 4, 8 e 9 (mesma fiação de layout) são quase idênticos. Isso porque com a adição do filtro EMI, o ruído irradiado da banda de alta frequência que pode ser acoplado à linha de entrada é quase inexistente.
Fig. 9 Características de ruído no padrão C5 (com CM, filtro DM e caixa de metal blindada)
Em resumo, adicionar filtros ou blindagens EMI pode melhorar efetivamente o desempenho de EMI. No entanto, ao mesmo tempo, o layout e a fiação dos filtros e a colocação da blindagem precisam ser cuidadosamente considerados.
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