Czy sposób montażu dławika w przetwornicy ma wpływ na emisję elektromagnetyczną?

| Technika

Emisja elektromagnetyczna pochodząca z zasilaczy impulsowych jest funkcją wielu parametrów, w tym pola powierzchni pętli ścieżki sygnału wysokoprądowego na płytce, szybkości przełączania (narastania zboczy) i częstotliwości przebiegów, jakości filtrowania napięć na wejściu i wyjściu, stopnia ekranowania, mozaiki połączeń na PCB i jakości uziemienia. Jednym z potencjalnych źródeł emisji jest element przełączający (tranzystor kluczujący, stopień mocy). Ścieżki miedziane z nim połączone mogą działać jak antena, emitując sygnały generowane przez szybkie stany przejściowe o dużej mocy. Jest to główne źródło zaburzeń w większości impulsowych konwerterów zasilających.

Czy sposób montażu dławika w przetwornicy ma wpływ na emisję elektromagnetyczną?

Wielkość pola ścieżek na w górnej warstwie płytki połączonego z aktywną końcówką przełącznika mocy (tzw. węzeł SW, najczęściej dren MOSFET-a) z pewnością powinna być zminimalizowana, aby ograniczyć rozmiar takiej anteny. W układach konwerterów ze zintegrowanym przełącznikiem w strukturze sterownika te istotne ścieżki biegną od pinów układu scalonego do cewki indukcyjnej i na górnej warstwie są raczej krótkie. Z kolei w wersjach z osobnym przełącznikiem mocy (niezintegrowanym z kontrolerem) stopień mocy może być umiejscowiony z dala od układu scalonego i ścieżki te zwykle są dłuższe. Zawsze jednak przełącznik mocy łączy się z jednym końcem z dławikiem w topologiach buck i boost, a ze względu na konieczność zapewnienia małych wymiarów i dużej wydajności rozmieszczenie połączeń na PCB w obszarze stopnia mocy jest trudną sztuką (patrz rys. 1).

 
Rys. 1. Zaznaczony obszar na płytce obejmuje stopień mocy warstwy sterownika LED DC3008A LT8386 o małym poziomie EMI
 
Rys. 2. Biały pasek na obudowie cewki Coilcraft XAL oznacza krótkie wyprowadzenie (początek nawijania). Tutaj podłącza się przebieg o dużym dv/dt, aby uzyskać najniższe EMI

Geometria cewki (dławika)

Oczywiście, gdy weźmiemy pod uwagę końcówki dławika mocy, węzeł SW w zasilaczach rozciąga się również w pionie (w płaszczyźnie Z). Pionowa orientacja cewki może polepszyć wydajność pasożytniczej anteny węzła SW i zwiększyć emisję zaburzeń. Ponadto wewnętrzne uzwojenia tej cewki mogą nie być symetryczne. Nawet jeśli jednakowe ułożenie pinów sugeruje symetryczną konstrukcję uzwojenia ukrytego w obudowie, wskaźnik początku nawijania na górze elementu często mówi co innego. Rysunek 2 przedstawia wewnętrzną strukturę uzwojenia serii cewek XAL firmy Coilcraft . Uzwojenie wykonane z płaskiego drutu zaczyna się na dole i kończy na górze, więc jedna końcówka jest znacznie krótsza niż druga (w płaszczyźnie Z).

Co więcej, cewki z częścią zewnętrzną uzwojenia podłączoną do węzła SW mogą dawać gorsze wyniki niż te o konstrukcji ekranowanej, jak pokazano na rysunku 3. Oczywiście projektant płytki może wybrać cewki z najmniejszą liczbą pionowych i odsłoniętych końcówek, aby zmniejszyć EMI, ale czy orientacja końcówek w przestrzeni ma wpływ na emisję?

 
Rys. 3. Orientacja i typ wyprowadzeń cewki indukcyjnej w konstrukcjach wrażliwych na zakłócenia elektromagnetyczne wymagają uwagi,
bo mają wpływ na poziom emisji

Emisja zależy od pozycji przy montażu

Osiągnięcie niewielkiego łącznego poziomu zaburzeń EM wymaga zgrania emisji z układu scalonego kontrolera i tej dotyczącej obwodów mocy. Nawet w przypadku użycia scalonego kontrolera ze zintegrowanym tranzystorem mocy należy zwrócić uwagę na montaż elementów zewnętrznych o krytycznym znaczeniu. Okazuje się, że w popularnym konwerterze LT8386 także orientacja dławika mocy L1 ma znaczenie dla EMI (patrz rys. 4). W tym przypadku producent cewki określa krótką (wewnętrzną) końcówkę dla serii XAL6060 z białą linią. Wykonane pomiary emisji przewodzonej i promieniowanej pokazują, że kierunek umieszczenia tego dławika (rys. 5) ma duży wpływ na poziom zaburzeń.

 
Rys. 4. Węzeł SW (dren tranzystora mocy) wyróżniony na schemacie sterownika lampy LED DC3008A LT8386 i wyniki pomiaru emisji
dla dwóch orientacji dławika
 
Rys. 5. Testy emisji dla dwu orientacji dławika Coilcraft XAL6060-223MEB współpracującego ze sterownikiem LED DC3008A LT8386. Pozycja (po lewej) z krótkim pinem dołączonym do SW i pozycja 2 (po prawej) z długim pinem do SW. Wyniki pomiaru emisji przedstawiono na rysunkach 6–8

Rysunki 6, 7 i 8 pokazują, że na poziom emisji bezpośredni wpływ (a więc bez żadnych innych zmian komponentów) ma orientacja dławika L1. W szczególności w pasmach 150 kHz do 150 MHz i 70 do 108 MHz niższe EMI zapewnia pozycja 1, czyli z pinem krótszym dołączonym do SW. Nie można zignorować różnicy 17 dBμV/m w stosunku do 20 dBμV/m w paśmie częstotliwości radioodbiornika AM.

Nie wszystkie cewki indukcyjne są produkowane identycznie jak ta przykładowa. Kierunek nawijania, kształt końcówek i połączeń wewnętrznych, a nawet materiał rdzenia mogą być inne. Natężenie pól H i E dla danego dławika mogą się sporo różnić. Jednak wiedza, że taki wpływ jest, umożliwia wykorzystanie tego zjawiska.

 
Rys. 6. Wykresy poziomów emisji promieniowanej pokazują, że orientacja cewki w zasilaczu DC3008A ma znaczący wpływ na poziomy zaburzeń. Przy podłączeniu krótkiego wyprowadzenia do SW emisja jest wyraźnie niższa (kolor czerwony)
 
Rys. 7. Emisja przewodzona określona za pomocą sondy prądowej sygnalizuje lepsze właściwości dla zakresu >3 MHz przy podłączeniu krótkiego wyprowadzenia do SW
 
Rys. 8. Emisja przewodzona określona metodą napięciową również wykazuje poprawę powyżej 3 MHz przy krótkiej końcówce cewki indukcyjnej połączonej z SW

Cewki indukcyjne bez wskaźnika krótkiej końcówki

Pożądaną orientację na PCB można łatwo określić, jeśli producent cewki indukcyjnej wskazuje początek uzwojenia (krótszą końcówkę wyprowadzenia, wewnętrzną) za pomocą paska lub kropki. Można wówczas taki sam znak nanieść na opis elementów na PCB i na schemacie. Niestety wiele dławików nie ma takiego wskaźnika. Ich struktura uzwojenia może być symetryczna lub inaczej rozplanowana. Nie ma tu złych intencji, bo producenci mogą nie zdawać sobie sprawy z wagi takiej informacji. Niezależnie od tego sugerujemy ocenę emisji w obu orientacjach w certyfikowanej komorze.

Na przykład dławiki z rdzeniem metalowym WE-MAPI firmy Würth Elektronik są małe i wydajne. Ich końcówki znajdują się tylko na spodzie obudowy. Każdy ma kropkę u góry w pobliżu logo WE, ale nie jest ona wskazana w specyfikacji jako wskaźnik początku nawijania (patrz rys. 9). Skoro dławik jest symetryczny, powinien zachowywać się tak samo w obu orientacjach montażowych, ale rozsądnie byłoby przetestować emisję w obu przypadkach, aby mieć pewność.

 
Rys. 9. Karta katalogowa cewki WE-MAPI nie informuje o kropce początku uzwojenia, jest taki symbol na górnej części obudowy. Te cewki indukcyjne mogą mieć symetryczną budowę, ale należy je przetestować, aby mieć pewność
 
Rys. 10. Początek uzwojenia cewki WE-XHMI jest oznaczony w górnej części

Inny przykład: Würth WE-XHMI

 
Rys. 11. Testy emisji dla dwóch orientacji cewki 74439346150 ("WE 150"). Pozycja 1 (po lewej) z początkiem uzwojenia dołączonym do SW i pozycja 2 (po prawej) z długim wyprowadzeniem do SW. Wyniki pokazują, że początek uzwojenia powinien być podłączony do SW, aby uzyskać najlepsze wyniki w zakresie EMI

Przetestowaliśmy też w zestawie DC- 3008A dławik Würth z serii WE-XHMI (74439346150 15 μH), którego początek uzwojenia jest oznaczony kropką na górze obudowy i podany w dokumentacji (patrz rys. 10). Ponownie, testy emisji zrealizowano dla montażu w obu kierunkach (patrz rys. 11), a wyniki (rys. 12) są podobne do dławika Coilcraft a. W tym przypadku pozycja 1 na rysunku 11 jest wyraźnie korzystniejsza. Emisje w paśmie radiowym AM i FM (CE) są wyraźnie lepsze w przypadku pozycji 1.

Układy buck-boost z dwoma tranzystorami

Oczywiste jest, że w wielu podobnych układach podwyższających napięcie sytuacja z emisją będzie analogiczna, ponieważ elementy w torze konwersji mocy i podzespoły przełączające są takie same. Można również założyć, że konwertery obniżające (buck) mają podobne charakterystyki. Niemniej, ponieważ pin SW znajduje się w nich "bliżej" wejścia, dalsze badania mogą pomóc w ustaleniu, czy skutki orientacji cewki indukcyjnej są takie same jak w układach już omówionych.

 
Rys. 12. Emisja przewodzona i promieniowana po raz kolejny okazała się zależna od pozycji przy montażu dławika

W przypadku konwerterów buck-boost z 2 tranzystorami (a więc także z dwoma końcówkami SW) z oceną jest trochę kłopotów. Popularne rozwiązania, takie jak synchroniczne 60-woltowe 4-tranzystorowe kontrolery buck-boost LT8390, mają wbudowane funkcje zapewniające małe EMI, takie jak SSFM i małe pole pętli wysokoprądowej w stopniu mocy. Układ z pojedynczą cewką daje tutaj mniej wyraźne wskazania, jak orientacja cewki może wpływać na emisję. Jeśli początek uzwojenia jest dołączony do jednego SW, to i tak drugi (długie wyprowadzenie) działa jak antena na drugim SW. Która orientacja jest najlepsza w takich projektach? Co się dzieje, gdy wszystkie cztery tranzystory mocy działają jednocześnie (gdy VIN jest blisko VOUT)? Zbadamy to w przyszłości i być może są więcej niż dwie możliwości w takiej topologii.

 

Keith Szolusha, Gengyao Li i Frank Wang, Analog Devices


Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66,
www.arrow.com

Zobacz również

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie