La interferencia electromagnética (EMI) en el diseño ha sido durante mucho tiempo un gran dolor de cabeza, especialmente en el campo de la automoción. Para minimizar la EMI tanto como sea posible, los diseñadores generalmente diseñan esquemas y dibujan diseños para reducir las fuentes de ruido al reducir las áreas de bucle con alto di/dt y cambiar las tasas de transición.
Sin embargo, a veces no importa qué tan cuidadoso sea el diseño esquemático y el diseño, aún no es posible reducir la EMI conducida al nivel deseado. Esto se debe a que el ruido depende no solo de los parámetros parásitos del circuito, sino también de la intensidad de la corriente. Además, la acción de apertura y cierre del interruptor genera corrientes discontinuas, y estas corrientes discontinuas crean ondas de voltaje en los capacitores de entrada, lo que aumenta la EMI.
Por lo tanto, es necesario utilizar otros métodos para mejorar el rendimiento de la EMI conducida. Este documento se centra en la introducción de filtros de entrada para filtrar el ruido o en la adición de escudos para bloquear el ruido.
Fig. 1 Dibujo esquemático de un filtro EMI
La Figura 1 muestra un filtro EMI simplificado, que incluye un filtro de modo común (CM) y un filtro de modo diferencial (DM). Por lo general, el filtro DM se usa principalmente para filtrar el ruido de menos de 30 MHz (ruido DM) y el filtro CM se usa principalmente para filtrar el ruido de 30 MHz a 100 MHz (ruido CM). Sin embargo, ambos filtros proporcionan cierta supresión del ruido EMI en toda la banda de frecuencia.
La Figura 2 muestra el ruido de un cable de entrada sin filtros, que incluye tanto el ruido positivo como el negativo, y etiqueta el nivel máximo y el nivel promedio de estos ruidos. En este caso, el sistema bajo prueba utiliza principalmente el chip LMR14050SSQDDARQ1 para emitir 5 V/5 A y para alimentar el siguiente chip TPS65263QRHBRQ1, que emite simultáneamente 1,5 V/3 A, 3,3 V/2 A y 1,8 V/2 A. Ambos chips funcionan a una frecuencia de conmutación de 2,2 MHz. Además, el estándar EMI conducido que se muestra en la figura es CISPR25 Clase 5 (C5).
Fig. 2 Características de ruido en el estándar C5 (sin filtro)
La Figura 3 muestra los resultados de EMI con la adición de un filtro DM. Como puede verse en la figura, el filtro DM atenúa el ruido DM de banda media (2MHz a 30MHz) en casi 35dBμV/m. Además, el ruido de banda alta (30 MHz a 100 MHz) también se reduce, pero sigue superando el nivel límite. Esto se debe principalmente a la limitada capacidad de filtrado del filtro DM para el ruido CM de la banda de alta frecuencia.
Fig. 3 Características de ruido en el estándar C5 (con filtro DM)
La Figura 4 muestra las características del ruido con la adición de filtros CM y DM. En comparación con la Figura 3, la adición del filtro CM reduce el ruido CM en casi 20 dB μV/m. El rendimiento de EMI también pasa el estándar C5. Y el rendimiento de EMI también pasa el estándar CISPR25 C5.
Fig. 4 Características de ruido bajo el estándar C5 (con filtros CM y DM)
La figura 5 muestra las características de ruido de los filtros de banda CM y DM en diferentes diseños, donde los filtros son los mismos que en la figura 4. Sin embargo, en comparación con la figura 4, el ruido aumenta alrededor de 10 dB μV/m en toda la frecuencia. banda, y el ruido de alta frecuencia incluso supera el valor promedio del estándar CISPR25 C5.
Fig. 5 Características de ruido bajo el estándar C5 (con filtros CM y DM, diferentes diseños)
La diferencia en los resultados de ruido entre las Figuras 4 y 5 se debe principalmente a las diferencias de cableado de PCB, como se muestra en la Figura 6. En el cableado de la Figura 5 (lado derecho de la Figura 6), una gran capa de cobre (GND) rodea el filtro DM. y forma algunas capacitancias parásitas con la alineación de Vin. Estas capacitancias parásitas proporcionan una ruta efectiva de baja impedancia para el filtro de derivación de señal de alta frecuencia. Por lo tanto, para maximizar el rendimiento del filtro, es necesario quitar todo el revestimiento de cobre alrededor del filtro, como se muestra en el lado izquierdo del cableado en la Figura 6.
Figura 6 Cableado de PCB diferente
Además de agregar filtros, otra forma efectiva de optimizar el rendimiento de EMI es agregar blindajes. Esto se debe a que el blindaje de metal conectado a GND evita que el ruido se irradie hacia el exterior. La figura 7 recomienda un método de colocación del escudo. El escudo cubre todos los componentes de la placa.
La Figura 8 muestra los resultados de EMI después de agregar el filtro y el protector. Como se muestra, el blindaje casi elimina el ruido en toda la banda de frecuencia y el rendimiento de EMI es muy bueno. Esto se debe principalmente al hecho de que los cables de entrada largos, que son equivalentes a una antena, acoplan una gran cantidad de ruido radiado, que el blindaje aísla. En este diseño, el ruido de FI también se acopla a los cables de entrada de esta manera.
Figura 7 3D modelo de PCB con blindaje
Fig. 8 Características de ruido con estándar C5 (con filtro CM, DM y blindaje)
La figura 9 también muestra las características del ruido con filtros y pantallas. A diferencia de la Figura 8, el escudo de la Figura 9 es una caja de metal que envuelve toda la placa y solo quedan expuestos los cables de entrada. A pesar del escudo, parte del ruido radiado aún puede pasar por alto el filtro EMI y acoplarse a las líneas eléctricas en la PCB, lo que da como resultado peores características de ruido que en la Figura 8. Curiosamente, las características de ruido de la banda de alta frecuencia en las Figuras 4, 8 y 9 (mismo diseño de cableado) son casi idénticos. Esto se debe a que con la adición del filtro EMI, el ruido radiado de banda de alta frecuencia que se puede acoplar a la línea de entrada es casi inexistente.
Fig. 9 Características de ruido bajo el estándar C5 (con filtro CM, DM y caja metálica blindada)
En resumen, agregar filtros EMI o blindaje puede mejorar efectivamente el rendimiento EMI. Sin embargo, al mismo tiempo, se debe considerar cuidadosamente la disposición y el cableado de los filtros y la ubicación del blindaje.
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